圖形化襯底上GaN 基高溫緩沖層的研究

吳洪浩 周 瑜 霍麗艷

（江西乾照光電有限公司，江西 南昌330000）

1 概述

20 世紀(jì)90 年代，日本科學(xué)家（中村修二、赤崎勇和天野弘）研制出了GaN 基藍(lán)光LED，自此，全世界爆發(fā)了研究GaN 材料的高潮[1-3]。隨著近些年材料生長和器件制備工藝的不斷發(fā)展，藍(lán)光GaN 基LED 的發(fā)光功率已經(jīng)取得了重大的突破。

由于目前研究中，藍(lán)光LED 作為主流研究內(nèi)容，其可以為白色光源提供基本光源，從而大大降低全球的照明成本，因而諾貝爾獎評審委員會的申明指出：LED 會成為21 世紀(jì)的主要光源[4]。

由于藍(lán)寶石襯底相對簡單易得，使得其成為目前使用最廣泛的襯底，但它與GaN 材料之間因為存在明顯的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配，所以現(xiàn)有GaN 基LED 結(jié)構(gòu)中即使使用了GaN低溫緩沖層，但在異質(zhì)外延的GaN 材料中仍然存在大量的缺陷密度，此現(xiàn)象嚴(yán)重降低了GaN 的晶體質(zhì)量和形成的器件的內(nèi)量子效率。

此外，由于GaN 材料的折射率高于藍(lán)寶石襯底及外部封裝樹脂，使得有源區(qū)產(chǎn)生的光子在GaN 上下界面發(fā)生多次全反射，嚴(yán)重降低了器件的光提取效率。多數(shù)圖形襯底的研究都是專注于減少線缺陷密度以及提高器件性能，對于高溫GaN 緩沖層的影響關(guān)注很少。

圖形襯底上生長的高溫GaN 緩沖層對于后續(xù)生長的GaN晶體質(zhì)量以及LED 器件性能的影響尤為關(guān)鍵。為此，本文研究了基于藍(lán)寶石圖形襯底的不同生長條件的高溫GaN 緩沖層對GaN 晶體質(zhì)量和LED 器件性能的影響。

2 實驗材料與設(shè)備

本研究實驗中所用到的金屬有機(jī)源（MO 源）的配置為：三甲基鎵（TMGa），為生長GaN 材料提供給鎵源，其特點(diǎn)為易分解，生長速率較快，引入C 雜質(zhì)較多，一般用于生長GaN 緩沖層，N 型層等；三乙基鎵（TEGa），C-H 鍵較強(qiáng)，因此生長速率較慢，引入C 雜質(zhì)較少，一般用于對生長質(zhì)量要求較高的發(fā)光層；三甲基銦（TMIn；），用來生長發(fā)光層，通過溫度調(diào)節(jié)In 的含量，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)光波長，影響發(fā)光亮度；二茂鎂（Cp2Mg）：用于p 型摻雜，為發(fā)光提供空穴；硅烷（SiH4）用于n 型摻雜，為發(fā)光提供電子。MO 源的載氣為高純的H2和N2，兩路高壓氣瓶裝液態(tài)NH3，其純度為99.99994%。為GaN 材料提供N 源。

本研究實驗中材料生長采用的設(shè)備是MOCVD（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積），MOCVD 很容易控制鍍膜成分、晶相等品質(zhì)，可在形狀復(fù)雜的襯底上實現(xiàn)鍍膜均勻、結(jié)構(gòu)密致、附著力良好等特點(diǎn)，因此MOCVD 已經(jīng)成為工業(yè)界主要使用的鍍膜技術(shù)。MOCVD 的工作原理大致為：當(dāng)有機(jī)源處于某一恒定溫度時，其飽和蒸汽壓是一定的。

通過流量計控制載氣的流量，便可知載氣流經(jīng)有機(jī)源時攜帶的有機(jī)源的量。多路載氣攜帶不同的源輸運(yùn)到反應(yīng)室入口混合，然后輸送到襯底處，在高溫作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在襯底上外延生長。反應(yīng)副產(chǎn)物經(jīng)尾氣排出。

目前國內(nèi)主要的MOCVD 設(shè)備主要有采用行星反應(yīng)Aixtron、TurboDisc 反應(yīng)室的Veeco、Closed Coupled Showerhead（CCS）反應(yīng)室的Thomas Swan，以及中國的中微，本實驗所用的設(shè)備為Veeco 的K700 機(jī)型。

3 實驗過程

3.1 三維高溫緩沖層的溫度研究

由于GaN 極高的蒸汽壓，因此單晶塊材料幾乎無法獲得，由于藍(lán)寶石襯底（Al2O3）成本比較低，各方面的性能又比Si 優(yōu)秀，因此本實驗采用藍(lán)寶石襯底進(jìn)行外延生長，首先生長低溫緩沖層作為后續(xù)結(jié)晶的成核層，其次生長三維高溫緩沖層，外延結(jié)構(gòu)為GaN 薄膜，本實驗針對三維高溫緩沖層制作三種樣品，樣品a、樣品b、樣品c 的三維高溫緩沖層溫度為1040℃、1070℃、1100℃，并系統(tǒng)研究了三維生長溫度對外延層晶體質(zhì)量和殘余應(yīng)力的影響機(jī)理。利用雙晶X 射線衍射儀（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM）分析，分別對外延層的位錯密度，表面形貌進(jìn)行了分析。

SEM 照片顯示當(dāng)三維生長溫度分別為1100℃，1070℃和1040℃時，外延層位錯密度逐漸降低，位錯尺寸逐漸增大。SEM照片顯示，三維生長溫度可以調(diào)節(jié)位錯的尺寸和密度。同時雙晶X 射線衍射（002）和（102）面的搖擺曲線掃描，三樣品的102半高寬（FWHM）分別為202arcsec、160arcsec、142 arcsec，逐漸變低。002 半 高 寬（FWHM） 分 別 為108arcsec、103arcsec、110 arcsec，變化不大。

雙晶X 射線衍射結(jié)果表明，三維高溫緩沖層的晶體質(zhì)量和溫度相關(guān)，隨著溫度的增高，缺陷密度逐漸增多，可以通過此層的溫度控制缺陷的密度。OM顯微鏡表面的結(jié)果顯示a 樣品的表面出現(xiàn)六角臺柱突起缺陷，由于溫度過高導(dǎo)致，b 樣品的表面較平整，c 樣品的表面出現(xiàn)V 型坑缺陷，這是由于溫度過低導(dǎo)致的。

3.2 三維高溫緩沖層的生長壓力的研究

本實驗采用藍(lán)寶石襯底進(jìn)行外延生長，首先生長低溫緩沖層作為成核層，其次生長三維高溫緩沖層，外延結(jié)構(gòu)為GaN 薄膜，本實驗針對三維高溫緩沖層制作三種樣品，樣品a、樣品b、樣品c 的三維高溫緩沖層的生長壓力分別為150torr、300torr、400torr，并系統(tǒng)研究了三維高溫緩沖層的生長壓力對外延層晶體質(zhì)量和殘余應(yīng)力的影響機(jī)理.利用雙晶X 射線衍射儀（XRD），光致熒光譜（PL），分別對外延層的晶體質(zhì)量，應(yīng)力情況進(jìn)行了分析。

當(dāng)三維生長壓力分別為150torr、300torr、400torr，雙晶X 射線衍射（002）和（102）面的搖擺曲線掃描，三樣品的102 半高寬（FWHM）分別為195arcsec、178arcsec、164 arcsec，102 數(shù)據(jù)表明，隨著三維高溫緩沖層生長壓力的提高，刃位錯密度逐漸較少；002 半高寬（FWHM）分別為118arcsec、109arcsec、101arcsec，002數(shù)據(jù)表明隨著三維生長壓力的提高，螺位錯密度逐漸較少，但變化沒有刃位錯明顯。

光致熒光譜（PL）結(jié)果表明，a 樣品的凹凸值為-2.1nm，b 樣品的凹凸值為-0.8nm，c 樣品的凹凸值為2.5nm，即隨著三維高溫緩沖層生長壓力的提高外延翹曲逐漸變凸。三維高溫緩沖層生長壓力可以影響外延的應(yīng)力情況。

3.3 三維高溫緩沖層的厚度的研究

本實驗采用藍(lán)寶石襯底進(jìn)行外延生長，首先生長低溫緩沖層作為成核層，其次生長三維高溫緩沖層，外延結(jié)構(gòu)為GaN 薄膜，本實驗針對三維高溫緩沖層的厚度制作三種樣品，樣品a、樣品b、樣品c 的三維高溫緩沖層的厚度分別為1.2μm、1.8μm、2.2μm 并系統(tǒng)研究了三維高溫緩沖層的厚度對外延層晶體質(zhì)量和光性能的影響機(jī)理.利用雙晶X 射線衍射儀（XRD），分別表征外延層的晶體質(zhì)量，以及通過封裝，對燈泡的亮度進(jìn)行了測量。

表1 為不同樣品的相關(guān)測試參數(shù)，三維高溫緩沖層的厚度分別為1.2μm、1.8μm、2.2μm，雙晶X 射線衍射（002）和（102）面的搖擺曲線掃描三樣品的102 半高寬（FWHM） 分別為210arcsec、182arcsec、175 arcsec，102 數(shù)據(jù)表明隨著三維高溫緩沖層厚度的增加，刃位錯密度逐漸較少，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界厚度后刃位錯密度不再降低。

對三種樣品進(jìn)行芯片加工，測試裸晶芯粒亮度（COT_LOP），三種樣品的亮度差異性不大，對三種樣品進(jìn)行封裝，測試包燈K 值（包燈亮度/ COTLOP），結(jié)果顯示a 樣品的包燈K 值為0.98，b 樣品的包燈K 值為1.00，c 樣品的包燈K 值為1.02，即在一定厚度范圍內(nèi)，隨著三維高溫緩沖層厚度的增加，發(fā)光立體角內(nèi)的亮度越高。

表1 不同樣品實驗數(shù)據(jù)

4 實驗結(jié)論

藍(lán)寶石圖形化襯底上的異質(zhì)外延過程包括表面成核、島間融合、以及表面再造的過程，因此三維高溫緩沖層的生長條件對薄膜生長的方式以及位錯密度的影響很大，直接影響整個外延的晶體質(zhì)量，進(jìn)而影響LED 的光電性能。

本文主要針對三維高溫緩沖層的生長溫度、壓力、厚度的研究，得出如下結(jié)論。

首先，三維高溫緩沖層的晶體質(zhì)量和溫度相關(guān)，隨著溫度的增高，刃位錯缺陷密度逐漸變多，螺位錯影響不大，可以通過此層的溫度控制缺陷的密度。

其次，隨著三維高溫緩沖層的生長壓力的提高，位錯密度逐漸較少，外延翹曲逐漸變凸。

最后，隨著三維高溫緩沖層厚度的增加，刃位錯密度逐漸較少，當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界厚度后刃位錯密度不再降低，其形成的器件在發(fā)光立體角內(nèi)的亮度越高。