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硅衬底GaN基发光二极管设计与外延生长
硅衬底GaN基发光二极管设计与外延生长论文
摘要：
本文研究了硅衬底GaN基发光二极管设计与外延生长技术，综述了GaN基发光二极管的原理和研究现状，分析了硅衬底在GaN基发光二极管中的应用优势，介绍了硅衬底GaN基发光二极管的外延生长方法和工艺流程，并对其器件性能进行了分析和测试。结果表明，采用硅衬底可有效降低GaN基发光二极管的发光功率退化和电学压降，提高了其性能稳定性和寿命，为其在实际应用中提供了良好的应用前景。
关键词：GaN基发光二极管、硅衬底、外延生长、设计、性能分析
一、引言
GaN基发光二极管是一种新型半导体发光器件，具有高亮度、高效率、长寿命等优势，已成为照明、显示、信息通讯等领域的重要研究热点。然而，GaN基发光二极管的制备技术相对复杂，尤其是在外延生长和器件设计方面存在许多难题，制约了其进一步发展和应用。本文基于硅衬底GaN基发光二极管设计与外延生长技术，旨在研究和探讨其制备过程、性能测试及应用前景等方面。
二、GaN基发光二极管原理和研究现状
GaN基发光二极管是基于氮化物半导体材料Ga1-xNx的发光器件，其工作原理为电子注入到p-n结区域，与空穴复合产生夹带能量释放的光子而发光。GaN基发光二极管具有短波长、高亮度、高功率等特点，被广泛应用于绿色、蓝色和白色光源、显示器、激光器等方面。
目前，GaN基发光二极管的研究主要集中在提高其电学、光学特性和器件可靠性等方面。其中，研究硅衬底GaN基发光二极管是一种行之有效的途径。其具有以下有点：一是硅衬底具有良好的导热性和热稳定性，能有效减少器件温度升高对光学性能的影响；二是硅衬底具有较好的晶体结构和表面平整度，有助于提高生长质量和器件稳定性；三是硅衬底成本低廉，能大大降低制备成本。
三、硅衬底GaN基发光二极管的设计
硅衬底GaN基发光二极管的设计是一个复杂而严谨的过程。其基本原理为：p型GaN层和n型GaN层之间通过p-n结区域形成电子和空穴的注入，电子和空穴向中性区域移动，在中性区域相遇并发生复合过程，能量被释放为光子而发光。其中，p型GaN层可以采用Mg掺杂，以提供空穴注入和抑制漏电流；n型GaN层采用Si掺杂，以提供电子注入和抑制漏电流；p-GaN和n-GaN之间的p-n结是产生发光的关键部分。
针对硅衬底GaN基发光二极管的设计，主要有以下几个方面：
1.分析p型掺杂剂的选择和含量。Mg是常用的p型掺杂剂，但其具有导致薄层光衰的缺陷，因此需要调整其含量和掺杂方式。
2.研究n型掺杂剂的选择和含量。Si是常用的n型掺杂剂，但其反应过慢，在生长期间易与GaN反应，因此需要调整其含量和掺杂方式。
3.设计p-n结的电学性质。如优化p-n结的结构、厚度、掺杂浓度和电场分布等参数，以最大限度减少器件的漏电流和电学压降，并提高其光学性能和稳定性。
4.优化器件结构和尺寸。如优化电极结构、缓冲层材料、器件尺寸、结合性能测试等方法，以优化器件的性能，提高其发光效率和稳定性。
四、硅衬底GaN基发光二极管的外延生长
硅衬底GaN基发光二极管外延生长是制备该器件的重要环节，其优化生长条件和工艺流程对最终器件性能具有重要影响。硅衬底GaN基发光二极管的外延生长方法主要有两种：一是HVPE（化学气相外延）法，另一种是MOCVD（金属有机化学气相外延）法。
在HVPE生长过程中，需要选择合适的反应气体体系和反应条件，以控制GaN在硅基片上的生长速率和质量。如典型反应气体组成为氨气和三氯化镓，压强为100kPa-200kPa，反应温度为1000℃-1200℃。此外，还需要对衬底进行前处理，如去污、去氧等步骤，以保证生长质量。
在MOCVD生长过程中，需要选择合适的反应气体、金属有机试剂和反应条件，以控制GaN在硅基片上的生长速率和质量。典型反应气体组成为氨气、氩气、SiH4、DEZn，反应温度为1050℃-1150℃，压强为100kPa-200kPa。此外，还需对衬底进行表面处理、去氧、成核等步骤，以提高生长效率和质量。
五、硅衬底GaN基发光二极管的性能测试和分析
硅衬底GaN基发光二极管的性能测试主要包括光电特性、电气特性和热特性等方面的测试。其中，光电特性测试包括发光强度、波长、辐射转换效率等参数；电气特性测试包括正向和反向电压、漏电流、开路电压等参数；热特性测试包括器件温度、热扩散系数等参数。
分析测试结果，可发现硅衬底GaN基发光二极管具有以下优势：
1.硅衬底可以有效降低器件电学压降，提高其正向电流和光输出功率。
2.硅衬底具有优异的导热性能，可以降低器件温升，提高其发光效率和稳定性。
3.硅衬底表面平坦度高，能够提高生长质量和器件寿命。
4.硅衬底具有低成本的优势，有助于提高GaN基发光二极管的成本竞争力和应用前景。
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