王霄湖南湘能華磊光電股份有限公司 423038
不同規(guī)格襯底在不同MOCVD的外延生長方法
王霄
湖南湘能華磊光電股份有限公司 423038
使用不同規(guī)格的襯底在不同MOCVD進(jìn)行外延生長,研究分析外延底部的生長方法。
在藍(lán)光GaN外延產(chǎn)業(yè)中,國內(nèi)主要使用的襯底是藍(lán)寶石(Al2O3),選擇生長的晶體方向為C面(0001);且為提高外延片的出光效率,均會將藍(lán)寶石襯底的表面進(jìn)行圖形化,即制作成PSS襯底。當(dāng)前,國內(nèi)襯底廠家越來越多,可共外延廠進(jìn)行選擇的也就變多了。這的確有利于實現(xiàn)國產(chǎn)化替代,降本增效,但同時也讓外延廠面臨難以抉擇的現(xiàn)狀,應(yīng)該選擇什么規(guī)格的襯底。本文利用不同MOCVD,研究了不同規(guī)格的藍(lán)寶石PSS襯底上生長緩沖層、成核層以及u型GaN的方法,并用金相顯微鏡觀察外延片的表面形貌,用XRD、光致發(fā)光儀、測量了GaN的結(jié)晶性能及光學(xué)性能,并送至芯片廠制成芯片測試光電性能。
進(jìn)行使用下表不同規(guī)格襯底分別在CriusⅠ(31片/37片)、CriusⅡ(55片)以及K465i/C4 MOCVD(54片)不同MOCVD進(jìn)行生長。通過工藝調(diào)整,分析找到最適合的生長方法,穩(wěn)定各項光電參數(shù)。
2類比1類的底徑要寬,高度要高,島與島間隔要小,如圖所示。成核層時,2類在間隔處GaN晶粒數(shù)量要少。2類高度高,斜面長度較長,成核層時在斜面處的GaN晶粒數(shù)量要多。即間隔減小、高度增加,長uGaN層要填充的體積增大。
3.1 CriusⅠ(31片/37片)生長,在EpiTT原位監(jiān)控中,可以看到:
基于上述差異,2類轉(zhuǎn)1類時,需進(jìn)行加厚緩沖層,加溫成核層的工藝調(diào)整;如此可以有效改善外觀和波長STD,促進(jìn)ESD穩(wěn)定。但在實際生產(chǎn)中,CriusⅠ切換襯底時,還需要多爐少片穩(wěn)定生長。因為CriusⅠ底部工藝窗口很窄,即品質(zhì)波動大,ESD變差。
3.2 CriusⅠ(31片/37片)生長,統(tǒng)計A廠和B廠襯底,發(fā)現(xiàn)A廠生長的外延片表面外觀降級率(X品率)偏高,如下圖。A廠高達(dá)20%,而B廠較穩(wěn)定。
利用金相顯微鏡對表面進(jìn)行外觀分析,發(fā)現(xiàn)A廠生長的外延片表面粗化不平。
對比襯底規(guī)格,標(biāo)記平面晶向有差異,A廠0.03°,B廠0.1°??梢源_定A廠和B廠襯底在切割方向上有差異,最終導(dǎo)致外延片生長結(jié)果迥異。
鑒于上述結(jié)果,工藝改善時,需要對緩沖層、成核層和uGaN進(jìn)行綜合調(diào)整。
3.3 CriusⅡ(55片)生長,EpiTT原位監(jiān)控中,溫度相差不大,生長曲線見下圖。紅色是B廠2類,簡稱B2,藍(lán)色是B1。B2緩沖層反射率高,起振時間長,約1200S,而B1約800s。B1生長uGaN很快到振幅高點,B2兩周期后才到高點,反射率也低。
下表是制成芯片后的數(shù)據(jù),B2亮度低10.5mW,VRD低1V,IR較小,ESD偏差。
實際生產(chǎn)結(jié)果表明,CriusⅡ底部工藝窗口也很窄,光電參數(shù)變化較大。B2圖形高度高,間隔小,緩沖層會偏厚長平,故反射率較高。而再結(jié)晶成核時,會生成較大晶粒,應(yīng)力變大無法釋放;在晶粒合并時將以更多的缺陷形式釋放,所以起振時間長,不能較快到振幅高點。由此造成B2底部缺陷多,光電參數(shù)波動大。
所以不同襯底切換,主要解決緩沖層厚度過大或過小,控制橫向與縱向生長速率。對于B1轉(zhuǎn)B2,可以將緩沖層長速變慢,或者時間減少。
3.4 K465i/C4 MOCVD(54片)生長,實際生產(chǎn)結(jié)果表明,K465i/ C4底部工藝窗口較寬,襯底切換比較容易。不過在亮度和波長STD上,有明顯區(qū)別,需要調(diào)整。
同工藝下,B2比B1亮度高。如下圖,光致發(fā)光儀測試的PIn值(亮度峰值強(qiáng)度),所激的發(fā)光經(jīng)GaN層輻射到空氣,很容易形成全反射現(xiàn)象。而被反射回的光,經(jīng)過襯底時,改變了發(fā)射角度,增加了輻射幾率。而B2規(guī)格更利于增加輻射幾率。
同工藝下,B1和B2波長Std分布也有差異。
B2波長分布有同心圓,中心偏短,邊緣偏長。這是溫度過高、升降溫過快,導(dǎo)致襯底表面溫度分布不均勻產(chǎn)生應(yīng)力,從而發(fā)生翹曲;使襯底在生長過程中呈現(xiàn)碗狀,進(jìn)一步使后面量子阱的溫度也不均勻,形成波長同心圓現(xiàn)象,造成std偏大。
亮度的差異只有改變襯底規(guī)格。降低波長Std的根本措施是釋放應(yīng)力,降低翹曲,使襯底表面溫度分布均勻。有效方法是減薄或加厚緩沖層,減小或加大成核層和uGaN溫差。
對于CriusⅠ(31片/37片)MOCVD,在1類轉(zhuǎn)2類時,工藝調(diào)整:加厚緩沖層,升溫成核層;2類轉(zhuǎn)1類,反之即可。另需要多爐少片進(jìn)行穩(wěn)定品質(zhì)的工藝調(diào)整。A廠和B廠襯底在切割方向上有差異,工藝調(diào)整:綜合調(diào)整緩沖層、成核層和uGaN進(jìn)行。
對于CriusⅡ(55片)MOCVD,襯底切換時,主要控制好緩沖層厚度過大或者過小,并控制好橫向生長與縱向生長速率。
對于K465i/C4(54片)MOCVD,亮度的差異源于襯底規(guī)格;波長Std的工藝調(diào)整方法是減薄或加厚緩沖層,減小或加大成核層和uGaN溫差。