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生长和结构控制条件对InGaN合金良好性的影响

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：另外，GaN衬底尺寸无法超过1cm2。GaN和InN间的晶格失配为11%。对于GaN LED量子阱，当In含量小于25%时，InGaN层的厚度通常小于3nm。在以上条件下，可认为结构是假晶的。因此，InGaN合金在GaN上的生长应在远离热力学平衡的状态下进行，从而获得符合光电子器件要求的良好的材料品质。实际中，温度与标准的GaN生长温度相比降低了几百度。例如，在MOVPE工艺中，温度从GaN生长的1000～1100℃降至InGaN生长的700～800℃。

除了GaN自身，不存在与GaN晶格匹配的衬底，但GaN的制造非常关键且昂贵。另外，GaN衬底尺寸无法超过1cm²。尽管蓝宝石衬底与GaN的晶格参数非常不匹配（无外延关系时为-33%，有外延关系时为16%），但它还是成为LED制造中使用最广泛的衬底，原因在于它有着与GaN非常接近的热膨胀系数和较低的成本。

然而，在蓝宝石上的GaN异质外延产生的张力将导致位错的形成，位错在GaN层中蔓延。对于MBE生长，位错密度约为5×10⁹/cm²。在MOVPE生长中，由于生长过程不同（如外延横向生长），位错密度可低至10⁷/cm²。对于采用HVPE生长的厚层，位错密度可达10⁶/cm²甚至更低。

表3-1给出了常用六方晶系氮化物的晶格参数。因为有源区通常由（Ga，In）N/GaN多级量子阱构成，所以本书将特别关注In_xGa_1-x N在GaN上的生长。GaN和InN间的晶格失配为11%。

此外我们将发现这一重要的取值将在In引入GaN基质时引发一些问题。

表3-1 晶格参数（a）和GaN与AlN、InN和蓝宝石的晶格失配

GaN和InN间的晶格失配由下式确定：

Δ_a/a=（a_InN-a_GaN）/a_GaN （3-4）

式中，a_InN和a_GaN分别为InN和GaN的晶格参数。可用以下维加德定律（Veg-ard’s Law）直接计算In_xGa_1-xN合金的晶格参数：

a_InGaN=xa_InN+（1-x）a_GaN （3-5）

如果InGaN合金含有20%的In，则其与GaN的晶格失配为2.2%。因此，InGaN层在GaN上方承受很强的张力，位错将出现于某一临界厚度（t_c）上。t_c的取值显然随着In含量的改变而变化。对于GaN LED量子阱，当In含量小于25%时，InGaN层的厚度通常小于3nm。在以上条件下，可认为结构是假晶的。

热力学平衡时，因为In和N之间的结合能很低，而且GaN和InN的晶格失配较严重，所以In在GaN中的混溶程度较低。因此，InGaN合金在GaN上的生长应在远离热力学平衡的状态下进行，从而获得符合光电子器件要求的良好的材料品质。实际中，温度与标准的GaN生长温度相比降低了几百度。例如，在MOVPE工艺中，温度从GaN生长的1000～1100℃降至InGaN生长的700～800℃。In的最大含量在20%～25%间最为合适，此时可确保获得适合于高亮度LED的足够好的晶体品质。读者可从本章后续部分了解到InGaN合金成分的限制实际上是制造高效率绿光LED的技术障碍。

通常可以在（Ga，In）N/GaN、尤其是用MOVPE生长的量子阱中观察到InGaN的相间隔离。这种成分的变化被认为是激子局域化的起因，鉴于GaN的高缺陷特性，激子局域化使氮化物LED具备了非同寻常的效率。其他课题组报道的量子阱具备各种不同的特点，如富铟相、成分不均匀、agregats、甚至类似于InN纯量子点的纳米体。然而需谨慎对待以上结果，因为它们依赖于透射电子显微镜法（TEM）实验。事实上，最近研究表明用于观测的电子束会导致铟的聚类。本章的结尾部分将介绍In成分的变化对基于Ⅲ族氮化物半导体LED出色辐射效率的影响。