[发明专利]生长非极性面GaN薄膜材料的方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种用金属有机物化学汽相外延(MOCVD)生长技术通过衬底晶面选择方法控制生长非极性GaN的方法，尤其是利用MOCVD技术在R面蓝宝石衬底材料上生长非极性面GaN薄膜材料的方法。该方法生长的非极性GaN薄膜材料可用于发光二极管、激光器、太阳能电池等领域。在其上依据不同的器件应用生长不同的外延结构，如发光二极管、激光器、太阳能电池等。本发明可有效地控制非极性a面GaN材料的生长，可提高器件的量子效率及发光效率。

背景技术

尽管氮化镓基发光器件已经取得了很大的成功，但是它们的发光效率，尤其在紫外和绿光波段，还不尽如人意。^[1]影响其发光效率的一个重要原因在于氮化镓沿传统生长方向(即[0001]方向)存在自发极化，如果在这个平面内存在切变应力，那么在[0001]方向上也存在压电极化效应。^[2]氮化镓六角纤锌矿结构及坐标选择如图1所示。极化场使得氮化镓材料内部产生强大的内建电场，并导致了界面高密度的二维电子气。尽管这种效应可以被用于某些电子器件，例如高电子迁移率晶体管(HEMT)，然而其对半导体发光器件的性能而言则是不利的。^[3，4，5]由于通常的发光二级管是以多量子井结构为有源层，如图2(a)和(b)所示。因此生长方向的极化效应至少带来两个不利影响。首先内建电场削弱了电子空穴空间波函数的重叠程度，^[6]使得电子空穴复合时间变长，^[7]由此引起低量子效率；其次极化电场导致能带弯曲，多量子井的有效禁带宽度变小，因此发光波段发生红移，这也就是所谓的量子限制斯塔克效应。

另外，极化电场还带来一个严重的问题：随着注入电流的增大，二级管的发光峰位也会发生较大的蓝移。^[8]

解决的方案之一是生长立方结构氮化物异质结。^[9，10]但是由于缺乏合适的衬底以及立方晶格结构自身热力学的亚稳态性质，因此虽然经过长时间努力，但效果甚微。^[11，12]另一方面，理论研究表明，纤锌矿氮化镓在垂直[0001]对称轴方向(例如[1 100]，[1120]方向)是不存在自发极化的。同时如果在生长平面内不存在切变应力，那么在这些方向上的压电极化效应也将不存在，如图3所示。

由于量子井结构的能带为平带，因此，内建电场的影响将不复存在，对于我们制造高效LED有着极大的优势。Walterei等人采用MBE首次在LiAlO₂(100)衬底上外延得到m面GaN/AlGaN多量子阱结构，并验证了沿[1100]方向量子阱的量子效率有明显的提高。^[13]最近，Aran Chakraborty等人首次在m面GaN自支撑衬底上实现了非极性InGaN/GaN LED。与此同时，C.Q.Chen等人在r面蓝宝石上实现了基于InGaN/GaNMQW的可见光和基于GaN/AlGaN MQW紫外光a面非极性LED。^[14，15]本申请人课题组也成功地获得了LiAlO₂(100)衬底上生长a面、M面GaN薄膜材料以及GaN/InGaN LED器件。^[16，17]目前，关于非极性III族氮化物的材料和器件的研究和尚处于起步阶段，其性能与在c面α-Al₂O₃及SiC衬底上制备的器件相比尚有一定的差距。由于技术的发展必然使得外延材料的生长条件不同于在传统衬底的生长，半导体材料晶体质量尚需要进一步的提高，研究工作有待进一步深入开展。

参考文献

[1]T.Deguchi，K.Sekiguchi，A.Nakamura，T.Sota，R.Matsuol，S.Chichibu，and S.Nakamura，Jpn.J.Appl.Phys.，Part 2 38，L914(1999)

[2]F.Bernardini，V.Fiorentini，and D.Vanderbilt，Phys.Rev.B 56，10024(R)(1997)

[3]A.Bykhovski，B.Gelmont，and M.Shur，J.Appl.Phys.74，6734(1993).