GaN纳米异质外延生长及其在发光器件中的应用

Aiming at the principal issues of GaN-based LEDs, which is the efficiency increasing is being hindered by the high density dislocations and problem of light extraction by internal reflections, the goal of this project is to develop an effective technique for modulating strain in epitaxy layers and suppressing dislocations. Nano heteroepitaxy is expected to be comprehensive in improving internal light efficiency and light extraction, by the aid of lateral patterns formed on the growth surface of substrate with chamically inert nanotubes or nanowires in periodic nanoscale arrangement. To understand the fundamentals of nano heteroepitaxy growth, MOCVD growth dynamics on nano pattered substrate, the relations of strain status and dislocation beheaviors will be revealed by the observations of surface mophorlogy,TEM , XRD and Ramman spectroscopy analyses. Also, the light tansport process in the nanoscale patterns will be researched through a view of photonic lattice. The electrical and optical properties of LEDs grown by the nanoheteroepitaxy technology will be employed in clearifying the effects of strain modulation and dislocation decrease, as well as lattice coupling guided mode of light in LEDs. Understanding of the multi-effect of such nanostrctures will be the underpinning in designing and growing of high-efficiency LEDs, and the applying such technology in GaN-based material growth and device manufacture.

本项目针对氮化物材料的发光器件的基本问题和热点问题，以发展有效调制外延层中应力和降低位错密度的材料生长方法，完善晶体生长机制研究，发展基于横向异质外延结构的光传播控制方法，综合提高发光器件的发光效率和出光效率为目标，在纳米材料掩膜的异质衬底上、进行GaN 基材料的纳米异质外延MOCVD 生长及表面动力学研究、应力分析和缺陷行为观察，研究纳米成核过程和控制方法，进行光传输过程模拟和实验研究，以及异质结构和LED 器件制备及其电学和光学性质分析，明确GaN 纳米异质外延三维调节应力的机理和影响位错行为的机制，明确光在生长表面纳米周期性结构作用下的传播规律，优化纳米成核条件和空间排列结构，实现高效率发光器件。

高质量氮化物外延生长是半导体光电领域的研究热点，是氮化物材料和器件的应用的基础。 针对氮化物异质外延生长中的衬底和外延层的热失配和晶格失配问题，以及LED器件中的光导出问题，本项目提出基于纳米异质外延生长和结构，提高晶体质量，实现高效率LED器件的研究。 研究重点为GaN 基材料纳米异质外延生长过程、微结构观察、光传输过程研究，分析 GaN 纳米异质外延调节应力和位错行为的机制，明确光在生长表面结构作用下的传播规律，发展高质量纳米异质外延方法和提高发光器件效率的结构。预期成果为：可控的纳米生长衬底掩膜方法和纳米异质外延 GaN 生长方法；影响纳米异质外延生长动力学过程的主要因素和应力调制机理；具有纳米结构的高质量 GaN 薄膜和和高性能 LED 结构，与常规 LED 相比，内量子效率提高 30%，外量子效率提高 10%以上；发表 SCI 论文 15 篇以上，申请国家发明专利 2-3 项；培养博士后、博士生和硕士研究生 6 名以上。. 在项目实施过程中，我们开展了在蓝宝石上的GaN纳米异质外延生长研究，明确了位错在纳米成核以及侧向生长阶段的行为和变化规律，提出了分组多步的外延生长方法，实现了高质量GaN的异质外延层，位错密度低达3.5×107 cm-2；在Si衬底上的纳米异质外延外延生长研究中，明确了纳米异质外延过程中的应力调节与位错行为变化的关系，提出了准同质纳米异质外延生长方法，实现了位错密度显著下降至4.7×108 cm-2的高质量GaN/Si外延层；运用KP能带计算和光线追迹模拟，结合空间角分辨光学测量结果分析，给出了光在传播过程中偏振态的变化规律，提出了调节出光过程的的界面结构，215nm紫外LED的出光效率提高至60%；在CNT掩膜的图形化蓝宝石衬底上实现了400nm波长近紫外LED器件光功率达到306mW@350mA，相比常规PSS衬底上LED的224mW提高37%，内量子效率提高57%，外量子效率提高39%。项目研究结果，对认识纳米异质外延生长机制和规律、理解LED结构中光传播过程，进而提高发光器件的性能具有重要的意义。. 本项目按照各年度计划顺利实施，已完成项目研究内容，发表SCI论文23篇，申请国家发明专利 8项，获得授权4项，获得教育部科技进步二等奖1项，培养博士研究生4人，博士后3人。