基于碳纳米管图形衬底的GaN材料生长及LED器件研究-微电子学与固体电子学专业论文.docx

万方数据 万方数据 摘 要 近年来，GaN基LED得到了迅猛发展，被广泛用于显示、照明、医疗、科研等等 领域。然而，与远景目标相比，GaN基LED的发光效率仍然需要大幅提高。与平面衬 底和微米图形衬底相比，新型纳米图形衬底具有更优越的光提取增强和位错抑制能 力，可实现更高的内量子效率和光提取效率。但是常规纳米图形衬底的制备工艺复 杂，成本高，成为其实用化的瓶颈。本文基于低成本的碳纳米管图形衬底研究了GaN 基LED的外延生长工艺和器件制备技术，并对材料及器件性能进行了深入的表征和 分析。 我们研究的主要内容包括，优化基于碳纳米管图形衬底的GaN生长的外延技术， 研究其成核机理，分析基于碳纳米管图形衬底的不同外延工艺的GaN生长、材料表征 及LED器件的光电特性以及基于不同碳纳米管层数的碳纳米管图形衬底的材料表征 及LED器件的光电特性。并通过退火去除碳纳米管验证碳纳米管吸光性质及其对 LED器件性能的影响程度。获得的主要研究成果有： 1、研究了基于碳纳米管图形衬底的有无粗化层的两种GaN外延技术并分析了其 成核机理，确定了不包含粗化层的外延过程是更适合碳纳米管图形衬底生长GaN的 外延工艺，通过优化后的外延工艺生长得到了平整的、晶体质量较好的外延层薄膜和 光电特性更优异的LED器件； 2、研究了不同碳纳米管层数的碳纳米管图形衬底，通过比较相应外延片的晶体 质量和光电特性以及不同碳纳米管层数的碳纳米管图形衬底的透射率得出，随着碳 纳米管层数的增加，外延片晶体质量提高，发光更集中，但是碳纳米管的吸光现象也 更明显； 3、通过分析基于碳纳米管图形衬底的GaN基LED的光功率数据和PL数据测量值 说明，碳纳米管图形衬底增加发光功率的主要原因是由于位错密度降低提高晶体质 量引起的； 4、通过FDTD模拟进一步验证了嵌入碳纳米管的图形衬底对光的汇聚作用以及 吸光现象； 5、根据不同退火时间去除碳纳米管图形衬底上碳纳米管的程度以及通过对应退 火时间的LED器件的透射率和COW点测数据，验证了退火能够消除部分碳纳米管通 I 过对样品的退火处理，其光输出功率提高了11％。 关键词：氮化镓；发光二极管；碳纳米管；图形衬底 II Abstract Recently, Gallium Nitride (GaN) based light emitting diodes (LEDs) have been developed rapidly, and been widely used in display devices, lighting, medical, scientific and etc. However, the light output power of GaN-based LED still need to be greatly improved. Compared with the conventional sapphire substrate and micropatterned sapphire substrate, nanopatterned sapphire substrate (NPSS) having superior ability of light extraction enhancement and suppression of dislocations, can achieve greater light extraction efficiency and higher internal quantum efficiency. But due to low throughput and high cost of approaches applied to produce NPSS, NPSS is rarely used in commercial applications. We study the epitaxial growth and device fabrication process technology of GaN-based LED growing on low cost of carbon nanotubes patterned sapphire substrate (CNPSS), and analyze materials and device performance characterization. In this paper, we focus on optimizing the epitaxial growth techniques of GaN-based LED growing on CNPSS, studying the mechanism of nucleation and a