蓝宝石图形衬底上MOCVD定向控制生长半极性（11-22）GaN研究

This project research to fabricate semipolar（11-22）GaN material on r-plane sapphire patterned substrate by MOCVD. The detail research is to control of the oriented growth rate of semipolar plane of GaN material and to decrease dislocation density by patterned substrate. We propose a new two steps research method to resolve this problem in preparing semipolar（11-22）GaN material, The first step is to understand and control the relation between different crystal oriented growth rates and growth conditions to resolve twins , The second step is to combine the two technics of oriented growth and patterned substrate to resolve the problem of twins and high dislocation density in the current semipolar GaN material. We will achieve semipolar (11-22) GaN material whose azimuth angle at parallel and vertical to c- direction of X-ray diffraction full width at half maximum (FWHM) are less than 750arcsec，450arcsec, respectively. Surface roughness are less than 5nm. This project for resolving the polarization of GaN material, improving the performance of GaN LED, extending GaN LED emitting wavelength to orange-yellow wave band, is very important.

本项目研究在r－面蓝宝石图形衬底上制备半极性（11-22）GaN材料MOCVD生长技术，具体的研究内容是在GaN材料半极性面的MOCVD定向控制生长技术和采用图形衬底降低位错密度。提出了一种新的两步解决问题的研究方法，即一是通过掌握生长条件与不同晶向生长速率的关系以解决孪晶问题，二是通过定向生长技术与图形衬底技术结合以解决目前半极性GaN材料生长中存在的孪晶及位错密度高的问题。制备的半极性（11-22）GaN材料方位角在平行和垂直于c-方向的X衍射曲线峰值半高宽分别不高于750arcsec，450arcsec，表面粗糙度不大于5nm。本课题的研究对解决目前GaN材料的极化问题，提高GaN基发光二极管性能，扩展GaN基材料的发射波长到橙黄光波段具有重要意义。

GaN基极化是外延材料沿极轴方向生长时产生的，研究较成熟的GaN基材料是在c－面蓝宝石衬底上沿[1000]极轴方向外延生长，GaN材料中极化是自发极化和压电极化的和，达到MV/cm数量级。极化场使得半导体材料能带弯曲，电子空穴波函数空间上分离，对于带间发射（吸收）器件，跃迁几率下降，发光的量子效率下降。解决极化问题，从晶体结构上有效的方法是使c 轴位于生长面内，在垂直于极轴[1000]方向或成一定角度的外延生长非极性或半极性GaN材料。因此本项目开展了半极性（11-22）面GaN研究，项目组成员科学分析了半极性（11-22）面GaN在蓝宝石衬底上外延生长模式、生长理论，制定了半极性（11-22）面GaN生长方案，优化了缓冲层外延生长参数（外延温度、V/III、厚度等），利用MOCVD等工艺技术，采用两步生长法，利用InN岛和InGaN插入层等技术，实现了GaN生长各向异性的定向控制，制备出高质量的（11-22）面GaN材料。利用XRD，AFM，SEM，Raman和PL等综合测试技术，研究了外延参数的变化对材料特性的影响。所制备(11-22)面GaN薄膜材料X射线衍射回摆曲线峰值轴向面沿（11-2-3）和沿（-1100）晶向FWHM分别半高宽分别0.3702°，0.419°，取得了与国际期刊报道的相当结果。在各向异性的定向控制方面，制备出高质量的（11-22）面GaN轴向面方位角φ=0°和φ=90°时XRD的FWHM相差最小为0.0499°，该结果表明轴向面沿（11-2-3）和沿（-1100）晶向各向异性得到较好的控制。研究所制备样品表面粗糙度为4.31nm，实现了半极性（11-22）面绿光InGaN/GaN的多量子阱发光。极化问题的解决对GaN基具有量子阱结构如激光器、探测器等器件的研究具有更深远的意义。