氮化镓应力相关缺陷的形成和演化研究
氮化镓材料作为第三代直接带隙半导体材料在工业上有着广泛的应用。特别在LED照明领域，氮化镓基蓝光LED具有的高亮度、高能效和高寿命的特点，彰显了其具有替代现有照明设备的潜能。然而受制于现有的生产技术水平，氮化镓内部因生长过程中高内应力导致的高缺陷密度限制了氮化镓基蓝光LED的发光效率，增加了生产成本，严重影响了LED的使用寿命。通过理论和实验上对内应力致使的开裂、位错等内部缺陷的研究有助于指导高能效高寿命GaN基LED的制备，为LED大范围推广应用打下基础。分子动力学模拟能够在合理的负载下预测微观缺陷形核及缺陷的固有微观特性，是晶体缺陷形成和演化研究的重要手段。理论分析和实验研究则能够将微观特性和宏观物理参数结合，为工业生产提供指导。 本文采用分子动力学模拟方法、理论分析和实验研究对GaN薄膜开裂、位错形核、缺陷演化模式和LED生长均匀性开展了系统的研究。模拟结果显示，GaN开裂属于脆性开裂，而小角度晶界的存在有助于初始裂纹的形成。进一步对临界厚度分析，得出裂纹演化具有随生长厚度增加从小角度晶界向{1010}晶面扩展的特性。基于上述结果，提出了无裂纹GaN薄膜生长厚度和内应力之间的关系。模拟结果证实，GaN小岛联合处是错位易成核区域。位错的活化能随着切应力的增加和压应力的增加而减少。基于模拟结果，提出了同时考虑压应力和切应力影响的活化能公式。采用该公式对位错成核极限应力和降温速率的分析结果显示，存在一条压应力和切应力关系曲线来避免位错雪崩式成核；此外，降温速度越快，则越能够抑制位错成核。 通过实验研究，本文分析了LED的生长均匀性，以及GaN生长过程中缺陷在不同衬底和不同温度下的行为模式。总体而言，图形衬底能够有效的减少内部缺陷密度，当温度在1050℃左右能使GaN内部缺陷密度呈现最小值。通过对实际工业生产过程中的GaN基LED外延片进行波长、光强和厚度的一致性分析，发现石墨盘上中心区和中间过渡区有着相对较好的生长一致性，而石墨盘边缘区域生长一致性较差，该区域是炉体结构改进的着重考虑区。
氮化镓薄膜;缺陷分析;分子动力学;生长均匀性;应力分析
华中科技大学
硕士
工程热物理
方海生
2017
中文
TN304.23;TN304.07
90
2018-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）