在藍寶石圖形襯底上外延高性能LED

喬 良，楊海艷，張詩娟，陸 羽

(1.華北科技學院計算機學院，河北 三河 065201；2.東莞南方半導體科技有限公司，廣東 東莞 523000；3.安徽工業(yè)大學數(shù)理科學與工程學院，安徽 馬鞍山 243002)

引言

氮化鎵(GaN)作為第三代半導體材料的代表，具有化學性質(zhì)穩(wěn)定，禁帶寬度較寬，耐高溫等優(yōu)點。其禁帶寬度在0.7～6.2eV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，覆蓋了從紫外到紅外的整個波段，已經(jīng)大量應(yīng)用于全色彩顯示及固態(tài)照明領(lǐng)域[1-3]。迄今為止，在GaN基發(fā)光二極管的制備中，藍寶石仍然是最為廣泛使用的商業(yè)化襯底材料。

但是，選擇藍寶石作為生長GaN基LEDs的襯底材料也存在著以下幾點問題。首先，藍寶石與GaN之間存在著較大的晶格失配和熱失配。較大的晶格失配導致了在藍寶石襯底上生長的GaN薄膜材料會有較高的位錯密度(109～1010cm-2)。位錯會把缺陷能級引入到GaN的帶隙中，從而引起非輻射復合，最終會降低LED的內(nèi)量子效率[4，5]。較大的熱失配會使得處于生長過程中的GaN薄膜在降溫時受到比較大的雙軸壓應(yīng)力，當生長的GaN薄膜超過一定的厚度時，外延層會發(fā)生翹曲和龜裂[6]，嚴重影響LEDs器件的性能。

為了減小外延片翹曲的程度，提高量子阱晶體質(zhì)量，得到波長均勻的LEDs外延，前人嘗試了多種方法，如使用氮化鋁插入層和AlGaN層等[7，8]，通過減小應(yīng)力來降低外延層的翹曲，提高LEDs的內(nèi)量子效率。本文通過實驗，提出了一種優(yōu)化非故意摻雜的氮化鎵(u-GaN)層生長的方案，即降低生長時反應(yīng)室內(nèi)壓力，同時提高反應(yīng)室內(nèi)溫度，調(diào)整u-GaN所受應(yīng)力，從而提高多量子阱層的晶體質(zhì)量，并使得翹曲情況有所改善，LEDs發(fā)光波長更為均勻，進一步改善了LEDs的光電性能。

1 實驗過程

本實驗在4英寸藍寶石圖形襯底(PSS)c面(0001)上外延生長藍光LEDs，樣品制備所使用的材料主要有生長u-GaN所用的三甲基鎵(TMGa)、生長量子阱時采用三乙基鎵(TEGa)和三甲基銦(TMIn)，n型摻雜用的硅烷(SiH4)，p型摻雜用的二茂鎂(Cp2Mg)和反應(yīng)氣體為高純度的NH3，載氣主要是N2和H2。

制備的具體過程如下，首先將襯底置于1050 ℃的氫氣氛圍中進行脫附。然后將反應(yīng)室降溫至530 ℃，生長約30 nm厚的成核層，隨后升溫至1050 ℃，生長厚度約為3.6 μm的u-GaN，反應(yīng)室壓力為200 torr，接下來通過Si摻雜生長約2 μm厚的n型GaN層，接著生長9個周期的InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，最后，通過Mg摻雜生長80 nm厚的p型GaN層，這樣生長出的樣品標記為LED A。

為了進行對比，改變u-GaN層的生長條件，生長壓力從200 torr下降到150 torr，生長溫度提升10 ℃，至1060 ℃，生長速率提高了10%，其余生長參數(shù)保持一致，標記為LED B。

為了研究不同的u-GaN層生長條件對LED外延質(zhì)量的影響，對得到的兩個樣品進行了高分辨率X射線衍射(HRXRD)測試，光致發(fā)光(PL)測試以及曲率測量。

2 結(jié)果與討論

兩個樣品的PL-mapping測試結(jié)果如圖1所示?？梢悦黠@看出，B樣品整片的PL-mapping的波長更加均勻，光譜范圍更加集中。

為了定量地說明外延片波長的均勻性，統(tǒng)計計算出兩個樣品各點PL波長的標準差，LED A為2.61，LED B為1.46。數(shù)值結(jié)果表明，優(yōu)化生長條件后的4英寸LED外延片發(fā)光波長均勻性有明顯提升。PL亮度LED A 為266，LED B為297，提升幅度約為11.6%。PL測試半高寬(FWHM)LED A為17.08，LED B為16.29，這表明通過優(yōu)化的生長方式，外延片的晶體質(zhì)量，特別是多量子阱(MQWs)層的質(zhì)量提升明顯，LED的內(nèi)量子效率得到提高。

圖1 LED A和LED B的PL-mapping測試圖Fig.1 PL-mapping results of LED A and LED B

用HRXRD對兩個樣品進行檢測，LED A和LED B的(0002)晶面ω-2θ曲線如圖2所示。可以看出，與A樣品的曲線相比，B樣品的ω-2θ曲線0級衛(wèi)星峰更加清晰，各級衛(wèi)星峰的半峰寬更小?？赏茢喑?，通過優(yōu)化生長過程，LED B的MQWs層晶體質(zhì)量更好，阱和壘層界面更加清晰。

圖2 LED A 和LED B的ω-2θ擬合曲線Fig.2 HRXRD curves for the (0002) reflection of the two samples

為了驗證兩個樣品翹曲程度的變化，對兩個樣品進行了曲率測量。測量結(jié)果如表1所示。BowingX和BowingY分別代表X方向和Y方向的曲率。

表1 LEDA 與LED B的外延片曲率

LED A在X和Y方向的曲率值分別為(79.67,80)，LED B在X和Y方向的曲率為(63.12, 65.5)。結(jié)果表明，4英寸襯底上外延片的翹曲現(xiàn)象有了很大改善。翹曲程度降低，對于隨后光刻工藝將產(chǎn)生很大的幫助。

綜合以上分析，在PSS上生長LEDs的過程中， 需要考慮縱向生長和橫向生長兩種模式，這兩種模式對應(yīng)力以及缺陷密度都有緊密的關(guān)聯(lián)。而系統(tǒng)反應(yīng)腔壓力和溫度是兩個重要的影響因素。降低生長壓力，會使得縱向生長速度的提高，有利于生長的三維模式向二維模式過渡。但是進一步降低反應(yīng)腔壓力，會抑制水平方向的生長速度，反而不利于晶體質(zhì)量的提高。因此優(yōu)化的反應(yīng)腔壓力，是提高晶體質(zhì)量的重要因素之一。優(yōu)化反應(yīng)腔溫度，有助于提高反應(yīng)速度，從而縮短時間，降低了LED的制備成本，同時使得4英寸外延整片的峰值波長均勻性進一步提高。

3 結(jié)論

在4英寸PSS上生長藍光LED外延，通過優(yōu)化u-GaN層的生長條件，調(diào)節(jié)了外延層生長過程中所受的應(yīng)力，翹曲的情況得到改善，同時使得整片LED的發(fā)光波長更加均勻，MQWs層的晶體質(zhì)量得到改善，提升了LED的內(nèi)量子效率。