原子级平整、低位错密度AlN和高Al组分AlGaN的MOCVD外延生长动力学和缺陷控制研究

High-Al-content AlGaN (greater than 40%) is the irreplaceable semiconductor system for deep ultraviolet light-emitting devices and detectors, and realizing epitaxial growth of the high-quality epilayer is the basis and key for high-performance devices. Aiming at the key scientific problems of realizing the pre-requisite two-dimensional growth mode and faceted growth control in MOCVD for high-quality AlN and AlGaN epilayer, this requested item adopts some distinctive innovative technical routes, including high temperature pulse atomic deposition on substrate with different miscut angles, multicycle high- and low- temperature growth in turn with large temperature difference, controlled difference for vertical growth speed at different zones induced by partially nitridation technique. Using these technical routes, systematically studies for AlN and AlGaN growth will be carried out to obtain high quality AlN and high-Al-content AlGaN films with atomic level flatness and low dislocation density and to grasp the growth dynamics and defect control law, providing scientific basis and solutions for AlGaN-based high-performance ultraviolet optoelectronic devices. In the recent years, the research group involving the item applicants has been engaged in growth of III-nitide semiconductors and low-dimensional quantum structures as well as study of the related physical properties, and has established very good working foundation and experimental conditions. The contents of this requested item are at the reseach forefront of III-nitide semiconductors.

Al组分大于40%的高Al组分AlGaN是制备深紫外发光和探测器件不可替代的半导体体系，其高质量外延材料的获得是实现高性能器件的基础和关键。本申请项目以制备高质量AlN和AlGaN外延薄膜所需要的MOCVD二维生长模式和多面控制生长模式的有效实现为关键科学问题，采用不同倾角衬底结合高温下脉冲原子沉积、多周期大温差高低温生长模式调控、部分氮化控制不同区域纵向生长速度差等富有特色的创新技术路线，系统开展AlN和AlGaN的MOCVD外延生长研究，制备出表面原子级平整、低位错密度的AlN和高Al组分 AlGaN外延薄膜，并掌握其生长动力学和缺陷控制规律，为AlGaN基高性能紫外光电器件的研制提供科学依据和解决方案。本项目申请人及所在课题组近年来主要从事氮化物半导体及其低维量子结构的外延生长和物性研究，具备良好的工作基础和条件。本项目研究内容处于当前国际氮化物半导体研究的前沿领域。

Al组分大于40%的高Al组分AlGaN是制备深紫外发光和探测器件不可替代的半导体体系，其高质量外延材料的获得是实现高性能器件的基础和关键。本申请项目以实现原子级平整、低位错密度AlN和高Al组分AlGaN为目标开展基于MOCVD外延的生长和缺陷控制规律研究。项目执行4年来共发表SCI收录学术论文11篇(包括封面论文一篇，著名化合物半导体网站Semiconductor报道一篇)，在国际学术会议上做口头报告6次，在国内学术会议上做邀请报告报告3次，毕业博士研究生3人，硕士研究生1人。取得的代表性研究成果如下：. (1) 发展了三周期大温差高低温调制外延生长方法，制备的AlN外延薄膜XRD摇摆曲线(002)和(102) FWHM可达到300和500 arcsec, 并获得了单原子台阶表面；研究发现该外延方法实现高质量AlN的途径为3D-2D生长模式的交替过程，并且三个周期的作用不同，贯穿位错主要减少于第一个周期，途径为位错弯折进而形成位错环， 而第二、第三周期对位错减少不起显著作用，但可有效释放AlN外延层中的张应力，是维持单原子台阶表面的关键因素。. (2)系统开展了纳米图形化蓝宝石衬底（NPSS）上AlN外延薄膜生长研究，发现高对称六角密排NPSS可实现“小合拢区”侧向外延过程。通过优化NPSS精细结构和外延生长条件，NPSS上AlN外延层合拢厚度降到了3微米以下， AlN外延层的XRD摇摆曲线(002)和(102) FWHM分别降到了79.1和 206.1 arcsec，表面RMS为0.096 nm。以此为基础进一步发展了“小合拢区AlN纳米图形模板（NPAT）”的生长方法，获得了双晶摇摆XRD（002）和（102）半宽FWHM分别为102和147arcsec、表面平整度RMS为0.1nm 的AlN 外延薄膜 (3x3微米^2)，对应的位错密度为2.17×10^8cm^-2。. (3)在基于NPSS的AlN模板上实现了Al组分0.58的AlGaN外延薄膜， XRD摇摆曲线(002)和(102) FWHM分别达到151和235 arcsec，表面平整度RMS达到0.096 nm。以此为基础，进一步实现了高质量的AlGaN基量子阱制备，发光波长281nm的AlGaN基量子阱内量子效率（IQE）达到了73.9%。