AlGaN外延过程中组分pulling效应研究

摘要

AlGaN材料的带隙从3.4-6.1eV连续可调,覆盖200-365nm的紫外波段,因而AlGaN及其低维量子结构是制备深紫外发光二极管(UV-LEDs)和探测器(PDs)的理想材料体系.本文主要针对AlGaN外延过程中应变带来的组分牵引效应(compositional pulling effect CPE)进行了研究。设计了两个系列的对比样品:A系列样品没有采用超晶格结构，用于维持较强的压应变;B系列样品采用AlN/GaN超晶格结构产生预置裂纹，极大程度地释放张应力，可近似作为无应变对比样品。保证两组样品的AlGaN的生长条件相同，通过改变TMAl/(TMAl+TMGa)比获得五组样品。实验发现失配应力会导致AlGaN外延层沿生长方向形成两个具有独特组分演化行为的区域，甚至可以使AlN/GaN超晶格形成渐变超晶格结构。高空间分辨率TEM EDS mapping显示AlGaN在生长初期的薄层内组分快速变化(过渡区)而在生长后期组分保持均匀(均匀区)，对于生长条件相同的而弛豫度相差80.5%的A,B样品，其均匀区Al组分差异甚至高达22%。TEM进一步研究表明过渡区的形成是由于失配应力在AlGaN/模板界面处的快速释放造成的，而均匀区中残余应变的大小决定着均匀区中Al组分的高低。以上研究表明组分pulling效应在AlGaN异质外延体系中十分明显，失配应力的控制是组分精确控制及器件可重复性的保证。