1.1.2 渐变AlGaN缓冲层

除了前面提到的图形化衬底减少裂纹、MMELOG技术降低位错密度的方法之外，还有一种常规的办法，即在Si衬底和GaN外延层之间引入渐变AlGaN缓冲层或渐变AlN缓冲层。

在Si衬底上生长GaN的过程中，采用渐变AlGaN/AlN多层缓冲层可以获得表面平整无裂纹、位错密度较低的GaN。但是，相比在蓝宝石衬底上生长的GaN，位错密度仍然较大。据观察，在AlGaN/AlN材料系统中，晶格失配压应变越大， TD 拐弯越严重[30-31]。在上述引入渐变 AlGaN/AlN 缓冲层的小组[32]和其他小组[33-34]的报告中，通常是一系列高Al组分AlGaN层（与下面的AlN层具有有限的晶格失配度）先在AlN/Si上沉积，但是对TD拐弯和压应变积累的减少几乎没有贡献。例如，AlN和Al0.80Ga0.20N之间只有约0.48%的晶格失配度，这使得TD只倾斜了很小的角度，大部分TD 仍然可以穿透到上一层，使得X射线摇摆曲线（X-Ray Rocking Curve,XRC）衍射的FWHM仍然较宽。

基于对晶格失配、位错减少和应变弛豫的理解，Sun等[35]简化了用在Si衬底上生长无裂纹高质量 GaN 的 AlGaN/AlN 多层缓冲层的结构设计。Sun 等采用Al0.35Ga0.65N作为与Si上AlN直接接触的第一层AlGaN。AlN和Al0.35Ga0.65N之间晶格失配度变大使得压应变增大，TD拐弯更严重，从而位错之间发生反应引起位错湮灭。随着TDD的大大降低，在随后Al0.17Ga0.83N/GaN生长过程中产生更多的压应变来补偿在降温过程中由热膨胀系数引起的拉应力，从而在Si衬底上获得无裂纹高质量的GaN薄膜。

通过双曲X射线摇摆曲线（Double-Crystal XRC,DCXRC）测量，在Si衬底上采用Al0.17Ga0.83N/Al0.35Ga0.65N/AlN作为缓冲层生长的厚度为3.6 μm的N型（Si掺杂为5.8×1018cm-3）GaN，其晶体质量很好，图1-8（a）和图1-8（b）分别所示为在Si衬底上生长的高质量GaN的DCXRC和从相对于3.6 μm厚的N型GaN的（0001）平面获得的DCXRC的FWHM，表明刃位错密度较低[36,37]。

值得注意的是，与螺位错和混合位错相比，作为非辐射复合中心（Non-Radiative Recombination Center,NRC）的刃位错更不利于内量子效率（Internal Quantum Efficiency,IQE）[38]。根据全色阴极荧光（Cathodoluminescence,CL）图像中的黑点密度统计，在Si衬底上生长的高质量GaN薄膜的TDD约为5.8×108cm-2 （如图1-8（c）所示），为后续的InGaN/GaN多量子阱（Multiple Quantum Well, MQW）有源区的生长提供了高质量的材料平台（如图1-8（d）所示）。

图1-8 Si衬底GaN材料性能表征