GaN单晶衬底及其同质外延的研究

GaN单晶衬底以及GaN衬底上的同质外延是第三代氮化物半导体发展的必然趋势，GaN单晶衬底的广泛应用，必将成为氮化物半导体发展的新的里程碑。本项目综合运用MOCVD技术，HVPE技术和激光剥离（LLO）技术极大地改善传统的激光剥离方法中的对厚膜生长过程的应力不可控的缺点，采用激光预剥离和MOCVD的过渡层相接合的方法，制作柔性衬底连接层，这种柔性层使蓝宝石衬底和GaN厚膜之间产生弱连接。在GaN的HVPE生长过程中，即能够保持GaN外延层和蓝宝石衬底之间的连结，当生长完成后，在降温过程中，由于GaN和蓝宝石的热涨系数不同产生的热应力，又能够使GaN厚膜和蓝宝石衬底的自动分离，达到制备GaN单晶衬底的目的。在此基础上，开展GaN同质外延的研究，并制备竖直结构LED加以验证。同时开展相关的基础理论研究，给出GaN的HVPE生长和MOCV的生长机制和理论模型。

研制出具有自主知识产权的高质量的GaN衬底，解决关键物理问题，完善关键技术，稳定实现GaN 单晶衬底自支撑的完整剥离，提高GaN单晶衬底质量，达到主要技术指标：2英寸GaN衬底厚度不均匀性<5%. 晶体质量：XRD摇摆曲线FWHM（002）<130 arcsec; FWHM（102）<160 arcsec，光学性质透明，电学性质室温下n<5*10^(16)cm^(-3) ,迁移率u>500cm^(-3)/V/s ；对n型掺杂GaN霍尔测量，n型载流子浓度在5*10^(17)cm^(-3) 至 5*10^(18)cm^(-3)可控，迁移率u>100cm^(-3)/V/s 。为高亮度，大功率，长寿命半导体照明用白光LED的制备，为蓝光激光器等器件的应用提供GaN衬底材料，开辟氮化物MOCVD同质外延生长器件制备提供新的生长方法和制备技术奠定基础。在GaN同质衬底基础上采用微纳米压印技术图形化GaN衬底再生长法，碳纳米管插入层法，SiN插入层法，AlGaN/GaN/InGaN超晶格及多步缓冲层在内的新型应力控制技术，以缓解GaN衬底内部应力，应变。同时结合设计新型量子阱结构及二维光子晶体和光子准晶等技术以提高LED器件的内量子效率和外量子效率。研制出同质衬底大功率蓝光LED外延片, 制作成1*1mm尺寸芯片350mA 电流注入条件下波长450nm，芯片光功率200mW-260mW。封装后光功率450mW-500mW， 根据LED测试结果，计算得出LED的外量子效率为44.4%，LED的内量子效率为68.4%，计算误差在5%以内。在生长机制，特性研究等方面发表SCI论文6篇，申请国家发明专利5项。