2）存在的主要问题 Si衬底上外延GaN，其晶格失配为17% Si衬底和GaN之间56%的热膨胀系数差 异导致较大的热失配，从而产生微裂。 Si扩散及SiNx形成问题
3）采用的研究方案
采用高温AlN缓冲层技术，抑制Si扩散，缓解晶 格失配。 采用插入层技术，解决由于热失配导致的GaN层 微裂问题。 可协变衬底技术，解决晶格失配和热失配问题。
GaN grown by the two-step method
2 m
3）自行设计组装了MOCVD设备在位监测 系统，对GaN基材料的生长规律和过程有 了更深刻的理解，进一步优化了N型GaN 、P型GaN和AlGaN的生长参数，材料质量 得到了进一步的提高
B
40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
4000
3000
PL Intensity (a.u.)
2000
1000
0
3000
3500
4000
4500
5000
5500
6000
6500
Wavelength (Angstrom)
3 氮化镓基激光器
1）通过计算机模拟计算和分析确定了分 别限制异质结结构的激光器结构的 各层 基本参数；
P-electrode
Si衬底GaN基 LED及LD等器件便于集成。 低成本、高质量和大面积的Si衬底。
Si基GaN器件制作较SiC和Al2O3衬底器件简 单，成本低。
Si衬底生长GaN基材料取向为： GaN(0001)[2-1-10]//Si(111)[02-2], 因此，Si衬底生长的GaN基外延片易解理 ，更适合大批量生产。 Si衬底优越的散热性能，在大面积集成 、显示方面的应用将显示出更多的优越 性
样品：S716A01，生长厚度2.3m, FWHM(ω)=490 arcsec
GaN/AlN/Si(111) (0002) scan
12000
10000
8000
intensity
6000
4000
2000
0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0

典型样品PL谱半高宽为43 Å
此项目顺利通过验收，标志着我 国具有了自主规模化生产氮化镓蓝绿 光LED的能力，我们所也成为在国内 同类项目中率先实现产业化技术转移 的研究单位。
积累了产业化的经验，提升了科 研能力。 今后将继续为深圳方大的氮化镓基 蓝绿光LED生产线提供技术支持和服务。
2 Si衬底上氮化镓基LED
1)研究意义
0
r (deg.)
r (deg.)
新型横向生长工艺的GaN双晶X射线衍射w扫描曲线。（a）掩模条垂直 衍射平面；（b）掩模条平行衍射平面
a. u.£© Intensity£¨
4000
4000
表面腐蚀坑密度的观察
－－采用新型横向外延工艺同样可以大幅度降低TD密度
Mask region
Window region
“氮化镓基半导体材料与器件”
年度研究工作进展
氮化镓基半导体材料与器件课题组
一
课题组本年度的在研课题及任务
1 国家“863”计划课题“氮化镓基激光器” 3 国家“863”计划课题“Si上氮化镓基LED研 究” 4 国家军事预研项目“氮化镓基紫外探测器材 料生长”
2 国家“863”计划课题“氮化镓基紫外探测器”
SEM表面形貌像
－－解决了相邻GaN条合并时的困难，可获得平整的表面
传统横向外延工艺
新型横向外延工艺
Tilt的DC-XRD观察
－－消除了晶面倾斜的产生
6000
()
10000
(b)
5000
8000
4000
Intensity( a. u.)
6000
3000
4000
2000
2000
1000
0 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2
0
(deg.)
(deg.)
常规横向生长GaN的双晶X射线衍射w扫描曲线。（a）掩模条 垂直衍射平面；（b）掩模条平行衍射平面
Intensity( a. u.)
6000
6000
(a)
(b)
5000
a. u.£© Intensity£¨
3000
2000
2000
1000
0 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2
reflectivity(a.u)
G row th tim e(s)
GaN生长过程中的反射率监测曲线
4）开展了AlInGaN及AlGaN/GaN量子阱研 究工作,取得了比较有意义的结果，初步 掌握了用AlInGaN控制带宽和晶格匹配的 材料生长工艺和设计方法，为量子阱激 光器的设计和生长设计和制作打下了基 础;
P-GaN
P-AlGaN
InGaNMQW n-AlGaN n-AlInGaN SiO2 n-electrode
GaN
Al2O3 substrate
2） 利用现有的MOCVD设备研究了 GaN侧向外延技术，基本上掌握了侧 向外延中生长参数对材料特性影响的 一般性规律，侧向外延掩膜区的缺陷 密度大幅度降低，目前已经达到 107/cm2量级, 在侧向外延技术方面我 们还申请了一项国家发明专利，该专 利解决了侧向外延技术中的晶向倾斜 问题和常规外延外延生长中相邻GaN条 合并的困难，可获得平整表面的GaN样 品
4）取得的研究成果
优化高温AlN最佳生长条件，实现无微裂 MOCVD生长GaN的临界厚度大于 500 nm，和低温AlN缓冲层方法相当。当AlN 缓冲层厚度在30nm左右时，既有效的抑 制Si扩散，又使厚层GaN微裂密度最低， 质量最好，并且RMS小于1nm
采用插入层技术实现1.3µ m以上无微裂 GaN层生长并研究了其应力释放机理，室 温PL谱FWHM小于3nm。 插入SiN层技术，进一步减少位错密度，实 现X光扫描FWHM小于720s（GaN厚度为 850 nm）。 目前我们的材料研究水平处于世界前列。
5 中科院创新项目“氮化镓基紫外探测器列阵”
6 军事预研项目“高温大功率电子器件用 碳化硅材料的研究” 7 国家自然科学基金“氮化镓基半导体激 光器的材料生长与器件工艺研究”
8 国家杰出青年基金“半导体材料与器件 之间关系研究” 9 “氮化镓基蓝绿光LED产业化”技术转让
二 本年度研究工作进展
1 与深圳方大集团的技术和工作人员的紧密 合作,经过组内人员一年多的共同努力 “氮 化镓基蓝、绿光LED产业化”技术转让项目 于2002年6月顺利通过了双方领导和专家组 织的验收, 目前生产线运转正常，产品批量 上市。