Si（111）襯底切偏角對(duì)GaN基LED外延膜的影響

武 芹，全知覺*，王 立，2，劉 文，張建立，江風(fēng)益

（1.南昌大學(xué)國家硅基LED工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330047；2.南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西南昌 330031）

文章編號(hào)：1000-7032（2015）04-0466-06

Si（111）襯底切偏角對(duì)GaN基LED外延膜的影響

武 芹1，全知覺1*，王 立1，2，劉 文1，張建立1，江風(fēng)益1

（1.南昌大學(xué)國家硅基LED工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330047；2.南昌大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西南昌 330031）

利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法在具有偏角（0°～0.9°）的Si（111）襯底上生長了GaN薄膜。采用高分辨X射線衍射（HRXRD）對(duì)Si襯底的偏角進(jìn)行了精確的測(cè)量，利用HRXRD、原子力顯微鏡（AFM）以及光致發(fā)光（PL）對(duì)外延薄膜的晶體質(zhì)量、量子阱中In組分、表面形貌及光學(xué)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，Si（111）襯底偏角對(duì)量子阱中的In組分、GaN外延膜的表面形貌、晶體質(zhì)量以及光學(xué)性能具有重大影響。為了獲得高質(zhì)量的GaN外延薄膜，襯底偏角必須控制在小于0.5°的范圍內(nèi)。超出該范圍，GaN薄膜的晶體質(zhì)量、表面形貌及光學(xué)性能都明顯下降。

Si襯底；偏角；GaN；MOCVD

1 引 言

GaN基材料因其優(yōu)異的性能在光電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與GaN常用的異質(zhì)外延襯底藍(lán)寶石和SiC相比，Si襯底具有價(jià)格低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、尺寸大、易于光電集成及后續(xù)加工等優(yōu)點(diǎn)［1-4］。然而，Si與GaN之間巨大的晶格失配和熱失配嚴(yán)重影響著GaN外延膜質(zhì)量，如何進(jìn)一步提高Si襯底GaN外延膜質(zhì)量仍是一項(xiàng)重要而困難的工作。目前已有許多方法用來提高Si襯底上GaN外延層的質(zhì)量，例如在GaN外延層與襯底之間插入緩沖層、低溫形核層等［5］。偏角襯底被廣泛應(yīng)用在外延生長中，以提高外延層質(zhì)量。Yamada等［6］報(bào)道了GaN襯底偏角會(huì)影響GaN表面形貌以及量子阱中In的組分。Ishibashi等［7］報(bào)道了在襯底偏角為3.5°的6H-SiC上生長的InGaN/GaN單量子阱，位錯(cuò)密度更低，PL半峰寬更窄。Shen等［8］報(bào)道了藍(lán)寶石襯底偏角對(duì)GaN外延膜中的位錯(cuò)密度的影響。Bae等［9］報(bào)道了藍(lán)寶石襯底偏角不僅影響GaN表面形貌和晶體質(zhì)量，而且影響LED的光輸出功率。然而到目前為止，有關(guān)Si（111）襯底偏角對(duì)GaN外延層及LED器件結(jié)構(gòu)性能影響的研究還很少［10］，比如Si（111）襯底偏角如何影響In組分，而In組分又如何影響GaN外延層及LED器件性能，這些問題還有待深入研究。

本文采用MOCVD方法在不同切偏角（0°～1°）Si襯底上生長了GaN外延薄膜，研究了Si襯底切偏角對(duì)GaN外延膜表面形貌、晶體質(zhì)量、量子阱中In組分及光學(xué)特性的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

本文研究的GaN薄膜樣品是在偏角分別為0.1°、0.2°、0.5°和0.9°的Si襯底上生長的。襯底偏角的精確測(cè)量采用了Doucette等［11］提出的測(cè)量方法，其中Si襯底的偏角方向?yàn)椋?11］偏向于［110］不同角度。實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的MOCVD進(jìn)行GaN外延膜的生長，生長過程中分別以TMAl、TMGa、TMIn為Al源、Ga源和In源，NH3為N源，SiH4和CP2Mg分別為n型和p型摻雜劑。把襯底放入MOCVD中先進(jìn)行高溫表面處理，在1 100℃的條件下灼燒10 min，然后生長100 nm的AlN緩沖層，接下來生長2.6 μm厚摻Si的n-GaN、9個(gè)周期的GaN/InGaN多量子阱有源層和120 nm厚摻Mg的p-GaN。

采用Panalytical X'pert PRO高分辨X射線雙晶衍射儀對(duì)GaN晶體質(zhì)量進(jìn)行分析，利用Bruker Edge Dimension原子力顯微鏡對(duì)樣品的表面形貌進(jìn)行表征，采用光致發(fā)光對(duì)樣品進(jìn)行光學(xué)特性測(cè)試，利用Jordan Valley RADS軟件擬合XRD數(shù)據(jù)分析量子阱中的In含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面形貌

襯底偏角可以在襯底表面引入原子級(jí)別的臺(tái)階，大的襯底偏角可以引入較大密度的原子臺(tái)階。在化學(xué)氣相沉積過程中，吸附的原子傾向于在臺(tái)階處形核生長，從而影響外延表面形貌［12-13］。圖1給出了不同Si（111）襯底偏角上生長的GaN外延片的AFM表面形貌圖，掃描范圍是10 μm×10 μm。從圖中可以看到，當(dāng)襯底偏角小于0.5°時(shí)，表面粗糙度變化不大；當(dāng)襯底偏角大于0.5°時(shí)，表面粗糙度迅速增加。隨著偏角變化，臺(tái)階形貌也發(fā)生了明顯的變化。當(dāng)偏角為0.1°和0.2°時(shí)，觀察到了螺旋型的原位生長小丘，一般認(rèn)為這種螺旋小丘是由螺位錯(cuò)引起的［14］。當(dāng)襯底偏角達(dá)到0.5°時(shí)，從形貌圖中可以看到梯田狀的原子層臺(tái)階，同時(shí)還可以看到原子臺(tái)階發(fā)生了聚并現(xiàn)象形成的大的臺(tái)階。當(dāng)襯底偏角達(dá)到0.9°時(shí)，臺(tái)階聚并現(xiàn)象更為嚴(yán)重。我們用AFM自帶的分析軟件對(duì)圖1（a）、（b）、（c）、（d）分別進(jìn)行了剖面分析（分析位置如圖中橫線所示），4組樣品對(duì)應(yīng)的剖面分析曲線如圖1（e）～（h）所示，其中（g）和（h）中的插圖為（c）和（d）中的大臺(tái)階流剖面分析曲線。

圖1（a）和（b）的剖面分析曲線中只出現(xiàn)了高度為0.2～0.3 nm左右的小臺(tái)階，容易判斷這些都是GaN外延層的雙原子臺(tái)階（c/2=0.26 nm）。而圖1（c）的剖面分析曲線則出現(xiàn)了一些高度＞1 nm的大臺(tái)階，顯然該樣品已經(jīng)發(fā)生了臺(tái)階聚并。圖1（d）的剖面分析曲線中出現(xiàn)了密度更高的大臺(tái)階，且部分臺(tái)階高度達(dá)到了3～5 nm。不同襯底偏角樣品大臺(tái)階和小臺(tái)階密度見表1。

表1 襯底偏角與臺(tái)階密度的關(guān)系Table 1 Step density of GaN films as a function of substrate miscut angle

圖1 不同偏角Si（111）襯底上生長的GaN外延膜的AFM表面形貌圖（a）～（d）和剖面分析曲線（e）～（h）。（a）和（e）0.1°，RMS為0.589 nm；（b）和（f）0.2°，RMS為0.414 nm；（c）和（g）0.5°，RMS為0.525 nm；（d）和（h）0.9°，RMS為1.35 nm。

3.2 晶體質(zhì)量

為了了解樣品的晶體學(xué)特性，我們采用HRXRD測(cè)量了樣品（002）和（102）面的ω?fù)u擺曲線。（002）和（102）面的ω?fù)u擺曲線半高寬可以分別反映出GaN薄膜的螺位錯(cuò)密度和刃位錯(cuò)密度［15-16］。圖2給出了樣品（002）和（102）面搖擺曲線的半高寬隨襯底偏角的變化關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)偏角小于0.5°時(shí)，（002）面和（102）面的半高寬變化不大；當(dāng)偏角大于0.5°時(shí)，（002）面和（102）面的半高寬迅速增大，表明樣品晶體質(zhì)量變差。結(jié)合圖1可知，這可能是當(dāng)襯底偏角小于0.5°時(shí)，能提供更平整有序的臺(tái)階，獲得穩(wěn)定的臺(tái)階流生長，使結(jié)晶質(zhì)量更好；當(dāng)襯底偏角大于0.5°時(shí)，由于臺(tái)階聚并形貌變得粗糙，臺(tái)階流生長模式受到了更多的擾動(dòng)，所以結(jié)晶質(zhì)量變差。

3.3 發(fā)光性能

為了研究襯底偏角對(duì)GaN外延層光學(xué)性質(zhì)的影響，我們測(cè)量了樣品的室溫PL譜，4個(gè)不同偏角樣品中心區(qū)域的PL發(fā)光峰數(shù)據(jù)列于表2中?？梢钥闯?，隨著襯底偏角增大，GaN基LED的發(fā)光波長逐漸變短，同時(shí)半峰寬逐漸增大，尤其是當(dāng)偏角大于0.5°后顯著增大?？紤]到4個(gè)樣品承受的應(yīng)力狀態(tài)相似，則引起發(fā)光峰波長和半峰寬變化的可能因素應(yīng)該是In組分和量子阱寬度的差異。也就是說，襯底的偏角有可能引起In摻入效率的變化或者量子阱生長速率的變化。

為了區(qū)分這兩種可能的效應(yīng)，我們對(duì)樣品進(jìn)行了高分辨率XRD分析。圖3是4個(gè)樣品（002）面XRD ω-2θ掃描圖譜，圖中GaN（002）面峰左側(cè)的峰為多量子阱的衛(wèi)星峰，各樣品的峰位在表3中列出。從圖3中可以看出，隨著偏角的增大，不同樣品衛(wèi)星峰之間的間距基本上不變，但衛(wèi)星峰位置有向GaN主峰逐漸靠近的趨勢(shì)。

圖2 樣品XRD（002）（a）和（102）（b）搖擺曲線的半高寬隨襯底偏角的變化

表2 不同偏角Si（111）襯底上GaN基LED的峰值波長、半峰寬、In組分和阱寬Table 2 Peak wavelength，F(xiàn)WHM，In content and well thickness of GaN films as a function of substrate miscut angle

圖3 不同偏角樣品（002）面的XRD ω-2θ掃描圖譜的比較

我們用Jordan Valley RADS軟件對(duì)這4個(gè)樣品的衍射曲線進(jìn)行擬合分析，得到了各樣品量子阱的阱壘層厚度和平均In組分，列于表2中。從表中數(shù)據(jù)可知，4個(gè)樣品的量子阱厚度并沒有顯著差異，而In組分隨著襯底偏角增大逐漸下降。當(dāng)偏角小于0.5°時(shí)，In組分下降趨勢(shì)不明顯；然而當(dāng)偏角超過0.5°后，In組分迅速下降。圖4繪出了In組分隨襯底偏角增大而變化的趨勢(shì)。

Leszczynski等［17］曾報(bào)道，在GaN襯底上生長InGaN薄膜時(shí)，襯底偏角會(huì)影響生長臺(tái)階的流動(dòng)速度，從而影響InGaN中In的組分。在小偏角情況下，臺(tái)階的數(shù)量較少，其移動(dòng)速率較快，吸附在臺(tái)階表面的In原子還來不及逃離就很快被Ga原子包圍；隨著襯底偏角的增大，臺(tái)階流密度變大，臺(tái)階流動(dòng)速度變慢，使得臺(tái)階上吸附的In原子更容易逃離表面。我們的數(shù)據(jù)同樣顯示，Si（111）襯底偏角越大，臺(tái)階流密度越大，In組分越低，發(fā)光波長逐漸藍(lán)移。表3中還顯示，樣品的PL半峰寬隨襯底切偏角增大的趨勢(shì)，這可能是由于臺(tái)階聚并引起的In不均勻分布導(dǎo)致的。由于大偏角襯底上生長的GaN外延層出現(xiàn)臺(tái)階聚并現(xiàn)象，而In在不同寬度的臺(tái)階面上被吸附的機(jī)會(huì)不一樣，從而導(dǎo)致In組分分布不均勻［18］。

表3 不同偏角樣品（002）面XRD ω-2θ掃描圖譜的峰位Table 3 Peak position of XRD ω-2θ scans of GaN films grown on Si substrate with miscut angle of 0.1°，0.2°，0.5°and 0.9°

圖4 外延片量子阱中的In組分隨襯底偏角的變化關(guān)系

4 結(jié) 論

研究了Si［111］偏［110］方向（0°～0.9°）襯底對(duì)MOCVD生長的GaN外延薄膜表面形貌、晶體質(zhì)量及光學(xué)特性的影響。結(jié)果表明，Si（111）襯底的切偏角對(duì)GaN晶體質(zhì)量、表面形貌、量子阱中的In組分含量具有重大影響。Si（111）襯底偏角須控制在小于0.5°，GaN外延膜才能獲得良好的晶體質(zhì)量、良好的表面形貌和高的In摻入效率。

［1］Xiong Y J，Zhang M，Xiong C B，et al.Investigation of strain of GaN light-emitting diode films transferred to metal substrate from Si（111）［J］.Chin.J.Lumin.（發(fā)光學(xué)報(bào)），2010，31（4）：531-537（in Chinese）.

［2］Tao X X，Wang L，Liu Y S，et al.Effects of the thickness of p-type GaN on light extraction of GaN based vertical light emitting diodes on silicon substrate［J］.Chin.J.Lumin.（發(fā)光學(xué)報(bào)），2011，32（10）：1069-1073（in Chinese）.

［3］Liu W H，Li Y Q，F(xiàn)ang W Q，et al.The junction temperature characteristic of GaN light emitting diodes on Si substrate［J］.Chin.J.Lumin.（發(fā)光學(xué)報(bào)），2006，27（2）：211-214（in Chinese）.

［4］Xiao Y P，Mo C L，Qiu C，et al.The aging characteristics of GaN-based blue LED on Si substrate［J］.Chin.J.Lumin.（發(fā)光學(xué)報(bào)），2010，31（3）：364-368（in Chinese）.

［5］Nakamura S.GaN growth using GaN buffer layer［J］.Jpn.J.Appl.Phys.，1991，30（10A）：1705-1707.

［6］Yamada H，Iso K，Saito M，et al.Impact of substrate miscut on the characteristic of m-plane InGaN/GaN light emitting diodes［J］.Jpn.J.Appl.Phys.，2007，46（12L）：1117-1119.

［7］Ishibashi A，Takeishi H，Uemura N，et al.Metalorganic vapor phase epitaxy growth of a high-quality GaN/InGaN single quantum well structure using a misoriented SiC substrate［J］.Jpn.J.Appl.Phys.，1997，36（3S）：1961-1965.

［8］Shen X Q，Matsuhata H，Okumura H.Reduction of the threading dislocation density in GaN films grown on vicinal sapphire（0001）substrates［J］.Appl.Phys.Lett.，2005，86（2）：021912-1-3.

［9］Bae S Y，Lee D S，Kong B H，et al.Electroluminescence enhancement of semipolar GaN light-emitting diodes grown on miscut m-plane sapphire substrates［J］.Curr.Appl.Phys.，2011，11（3）：954-958.

［10］Wang L，Cui Z Y，Huang F S，et al.Influence of miscut angle of Si（111）substrates on the performance of InGaN LEDs［J］.Appl.Phys.Express，2014，7（1）：012102-1-3.

［11］Doucette L D，Da Pereira C M，Lad R J.Precise orientation of single crystals by a simple X-ray diffraction rocking curve method［J］.Rev.Sci.Instrum.，2005，76（3）：036106-1-4.

［12］Kong H S，Glass J T，Davis R F.Chemical vapor deposition and characterization of 6H-SiC thin films on off-axis 6H-SiC substrates［J］.J.Appl.Phys.，1988，64（5）：2672-2679.

［13］Kimoto T，Nishino H，Yoo W S，et al.Growth mechanism of 6H-SiC in step controlled epitaxy［J］.J.Appl.Phys.，1993，73（2）：726-732.

［14］Heying B，Tarsa E J，Elsass C R，et al.Dislocation mediated surface morphology of GaN［J］.J.Appl.Phys.，1999，85（9）：6470-6476.

［15］Heinke H，Kirchner V，Einfeldt S，et al.X-ray diffraction analysis of the defect structure in epitaxial GaN［J］.Appl. Phys.Lett.，2000，77（14）：2145-2147.

［16］Ning X J，Chien F R，Pirouz P，et al.Growth defects in GaN films on sapphire：The probable origin of threading dislocations［J］.J.Mater.Res.，1996，11（3）：580-592.

［17］Leszczynski M，Czernecki R，Krukowski S，et al.Indium incorporation into InGaN and InAlN layers grown by metalorganic vapor phase epitaxy［J］.J.Cryst.Growth，2011，318（1）：496-499.

［18］Krs'ko M，F(xiàn)ranssen G，Suski T，et al.Correlation between luminescence and compositional striations in InGaN layers grown on miscut GaN substrates［J］.Appl.Phys.Lett.，2007，91（21）：211904-1-3.

武芹（1988-），女，湖南邵陽人，碩士研究生，2012年于南昌大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體光電子材料和器件的研究。

E-mail：celerywq@163.com

全知覺（1977-），男，江西臨川人，助理研究員，2007年于中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體光電子材料和器件的研究。

E-mail：quanzhijue@ncu.edu.cn

Influence of Substrate Miscut on Properties of GaN-based LED Films Grown on Si（111）

WU Qin1，QUAN Zhi-jue1*，WANG Li1，2，LIU Wen1，ZHANG Jian-li1，JIANG Feng-yi1

（1.National Engineering Research Center for LED on Si Substrate，Nanchang University，Nanchang 330047，China；2.Material Science and Engineering College，Nanchang University，Nanchang 330031，China）
*Corresponding Author，E-mail：quanzhijue@ncu.edu.cn

GaN-based LED films were grown on Si（111）substrate with different miscut angle from 0°to 0.9°by MOCVD.The miscut angles of Si（111）substrates were precisely measured by high resolution X-ray diffraction（HRXRD）.The morphologies of the samples were characterized by atomic force microscopy（AFM）.The GaN crystal quality and indium content of MQWs were analyzed by HRXRD.The optical properties of the samples were investigated by photoluminescence（PL）.The results reveal that the miscut of Si（111）substrate has significant influence on the crystal quality，surface morphology and optical properties of GaN film.The optimal miscut angle of Si（111）substrate is within 0.5°.Beyond this range，the crystal quality，surface morphology and optical properties of GaN film will deteriorate drastically.

Si substrate；miscut；GaN；MOCVD

O482.31；O484.4

A DOI：10.3788/fgxb20153604.0466

2015-02-05；

2015-03-01

國家自然科學(xué)基金（11364034）；江西省科技支撐計(jì)劃（20141BBE50035）資助項(xiàng)目