xiv
Contents
3.4 Test and Analysis of the Properties of Group III Nitride
Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.1 Structural and Morphological Analysis . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.2 Surface and Film Composition Analysis . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.3 Other Photoelectric Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Epitaxial of III-Nitride LED Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1 Basic Models of Epitaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1 3-D Growth Mode (Volmer-Weber Mode) . . . . . . . . . . . . 34
4.1.2 2-D Growth Mode (Frank-Vander Merwe Mode) . . . . . . 34
4.1.3 2-D and 3-D Mixed Growth Mode
(Stranski-Krastanob Mode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Substrate for Epitaxial Growth of III-Nitride LEDs
(Sapphire/Si/SiC/LiAlO 2 /GaN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3 Group III Nitride LED Epitaxial Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.1 LPE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.2 MBE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.3 MOCVD Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.4 HVPE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 Two-Step Growth Method for MOCVD Grown Nitride
Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4.1 Surface Dynamics for Film Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4.2 Two-Step Growth Program for GaN/Sapphire
by MOCVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5 Influence of Growth Conditions on Epitaxial Layer Quality
of Group III Nitride Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.1 Effect of Buffer Layer Growth Conditions
on Material Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.2 Effect of Rough Layer Growth Conditions . . . . . . . . . . . . 63
4.6 Epitaxial Technology of High Quality GaN on SiC Substrate . . . 64
4.6.1 Basic Properties of SiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.6.2 Nucleation and Growth of GaN on SiC Substrate . . . . . . 66
4.6.3 Roots of GaN Stress on SiC Substrates . . . . . . . . . . . . . . . 70
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 InGaN/GaN Multiple Quantum Wells Materials as Well
as Blue and Green LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1 Introduction to InGaN Material System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2 Polarization Effects in InGaN/GaN Multiple Quantum
Wells Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.1 Polarity of GaN-Based Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2 Spontaneous Polarization and Piezoelectric
Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Contents
3.4 Test and Analysis of the Properties of Group III Nitride
Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.1 Structural and Morphological Analysis . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4.2 Surface and Film Composition Analysis . . . . . . . . . . . . . . 28
3.4.3 Other Photoelectric Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Epitaxial of III-Nitride LED Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1 Basic Models of Epitaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1 3-D Growth Mode (Volmer-Weber Mode) . . . . . . . . . . . . 34
4.1.2 2-D Growth Mode (Frank-Vander Merwe Mode) . . . . . . 34
4.1.3 2-D and 3-D Mixed Growth Mode
(Stranski-Krastanob Mode) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Substrate for Epitaxial Growth of III-Nitride LEDs
(Sapphire/Si/SiC/LiAlO 2 /GaN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3 Group III Nitride LED Epitaxial Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.1 LPE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.3.2 MBE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.3 MOCVD Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.4 HVPE Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 Two-Step Growth Method for MOCVD Grown Nitride
Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4.1 Surface Dynamics for Film Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.4.2 Two-Step Growth Program for GaN/Sapphire
by MOCVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.5 Influence of Growth Conditions on Epitaxial Layer Quality
of Group III Nitride Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.5.1 Effect of Buffer Layer Growth Conditions
on Material Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.2 Effect of Rough Layer Growth Conditions . . . . . . . . . . . . 63
4.6 Epitaxial Technology of High Quality GaN on SiC Substrate . . . 64
4.6.1 Basic Properties of SiC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.6.2 Nucleation and Growth of GaN on SiC Substrate . . . . . . 66
4.6.3 Roots of GaN Stress on SiC Substrates . . . . . . . . . . . . . . . 70
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5 InGaN/GaN Multiple Quantum Wells Materials as Well
as Blue and Green LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.1 Introduction to InGaN Material System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2 Polarization Effects in InGaN/GaN Multiple Quantum
Wells Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.1 Polarity of GaN-Based Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2 Spontaneous Polarization and Piezoelectric
Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78