襯底彎曲度對GaN基LED芯片性能的影響

楊德超，梁紅偉，邱 宇，宋世巍，申人升，柳 陽，夏曉川，俞振南，杜國同，*

(1.吉林大學電子科學與工程學院，吉林長春 130023; 2.大連理工大學物理與光電工程學院，遼寧大連 116024;3.浙江水晶光電科技股份有限公司，浙江臺州 318015;4.信息功能材料國家重點實驗室中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海 200050)

1 引 言

Ⅲ族氮化物材料具有能帶帶隙寬、電子飽和漂移速度高、耐高溫、大功率容量等優良特性[1]。其中 GaN(Eg=3.4 eV)、AlN(Eg=6.2 eV)和InN(Eg=0.7 eV)3種氮化物按照不同組分混合在一起可制成合金，其發射和吸收波長覆蓋近紅外光到紫外光(1 770 ～200 nm)[2]，因而被廣泛用來制作成各種光電器件[3]和大功率電子器件[4]，如高亮度發光二極管、紫外探測器和激光二極管等，在微電子和光電子領域扮演著極為重要的角色。GaN材料有極高的飽和蒸汽壓，因而很難形成單晶GaN襯底[5]，所以目前的GaN器件多采用異質外延，將GaN薄膜材料生長在其他襯底材料上，如藍寶石(sapphire)、硅(silicon)、砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)等。其中，藍寶石襯底由于具有相對較低的成本和較好的透光性而成為生長GaN薄膜常用的襯底。但是由于藍寶石和GaN之間存在較大的晶格失配度(～16.1%)和熱膨脹系數差異( ～25.5%)[6]，導致在藍寶石襯底上生長的GaN外延層中存在較大的殘余應力[7-8]。這些應力的弛豫過程會在外延層中引入大量的位錯和缺陷，甚至造成外延層的龜裂，嚴重影響外延層質量，導致更顯著的量子限制斯托克效應(QCSE)，也使得器件的發光效率大幅下降。其中，由于藍寶石襯底的熱膨脹系數大于GaN材料的熱膨脹系數，導致在外延生長完成后，外延層中水平方向存在較大的壓應力，而沿著[0001](c軸)方向將受到較大的張應力，使得外延層和整個外延結構發生凸向應變。

本文在具有不同初始彎曲度的藍寶石襯底上生長了LED外延結構并制作成芯片，測試了芯片的主要性能參數，結合理論計算，研究了不同彎曲度值對外延層中殘余應力及芯片各項性能的影響。

2 實 驗

實驗中采用3片彎曲度值不同的5.08 cm(2英寸)c面藍寶石襯底，相應的樣品分別記為樣品A，樣品B，樣品C。相應襯底的初始彎曲度值分別為 HA: －2.02 μm ，HB: －6.77 μm，HC: －9.21 μm(負號表示襯底沿著c軸的負方向彎曲)。外延層生長過程在AIXTRON公司生產的低壓MOCVD系統中進行，使用的Ga源、N源和In源分別是三甲基鎵(TMGa)、氨氣(NH3)和三甲基銦(TMIn)，載氣為高純氫氣(H2)和氮氣(N2)。3個樣品使用相同的生長條件，在同一個生長過程中生長完成。首先在藍寶石襯底上低溫淀積約25 nm的GaN緩沖層，然后生長約3 μm的Si摻雜n型GaN層;隨后在其上生長12個周期In-GaN/GaN多量子阱，阱區和壘區的厚度分別為2 nm和16 nm;最后生長約20 nm的p型AlGaN和300 nm的p型GaN層。將生長完的LED外延結構制作成芯片，并進行了主要性能參數的測試。

3 結果與討論

3.1 計算過程

我們計算了3片樣品的主要參數的數值，并得出了各個參數與彎曲度值的關系，在此基礎上進行了一系列分析和討論。在計算過程中，進行了一些假設與近似:

(1)由于其它層結構相對較薄，對計算結果影響很小，所以在芯片彎曲度值的計算過程中，將整個外延結構假設為單一的GaN層，并忽略緩沖層的影響;

(2)與襯底半徑和曲率半徑相比，彎曲度值與薄膜厚度非常小，故而在芯片曲率半徑的計算過程中，進行了一些長度值的近似處理;

(3)在整個研究過程中，由晶格失配引起的應力幾乎不變，而我們主要考慮由熱膨脹系數引起的殘余應力的作用，所以在整個實驗研究中忽略由晶格失配引起的應力的影響;

(4)計算過程中，假設襯底是均勻彎曲的。

由彎曲度H公式[9]:

可算得生長后整個外延結構的彎曲度值。其中L為襯底的直徑，取值為50.8 mm;αs和αf分別為襯底與外延層的熱膨脹系數;ΔT為外延層生長溫度與室溫的差值，取值為1 020 K;Ef和Es為外延層與襯底的楊氏模量;vf和vs為外延層與襯底的泊松比;hf和hs為外延層與襯底的厚度。各參數的具體數值見表1。

將表1中的相應數值代入式(1)，算得普通襯底(初始彎曲度值為0)生長完成后整個外延片的彎曲度值為43.1 μm，則生長完成后 A、B、C 3 片樣品的彎曲度值分別為 HA=41.08 μm ，HB=36.33 μm，HC=33.89 μm。

表1 襯底與外延層的各項參數Table 1 Various parameters of the substrate and epilayer

利用得到的彎曲度值來計算外延層的曲率半徑R，進而求得外延層中的殘余應力值。R的計算示意圖如圖1所示。

圖1 曲率半徑的計算示意圖Fig.1 Schematic diagram of the calculation of curvature radius

再根據外延層中殘余應力與曲率半徑的關系，即可算出外延層中殘余應力的值。外延層中殘余應力與曲率半徑的關系[10-11]如下:

其中Ms為襯底的雙軸模量，取值為602 GPa[10]。外延層生長后的相關參數的數值見表2。

表2 外延層生長后樣品的各項參數值Table 2 Parametervaluesofdifferentsamplesafter epilayer growth

通過表2中的計算結果，我們發現外延層中的殘余應力隨著襯底初始彎曲度值的增加而逐漸減小。

我們將生長的LED外延片制作成芯片，并且對3個芯片進行了電學和光學參數的測試。在3個芯片表面的相同位置選取5個具有代表性的點，取5個點測得的參數平均值進行對比觀察。

表3 樣品的電學和光學參數Table 3 Electrical and optical parameters of the samples

表3列出了測得的3個芯片的各項參數的數值。從中可以看出:隨著襯底彎曲度值的不斷增加，芯片的正向電壓和泄漏電流依次減小，光功率持續增大，主波長逐漸藍移。

3.2 分析及討論

由于藍寶石和GaN 2種材料的晶格常數和熱膨脹系數差異較大，故而在高溫生長過程及后續降溫過程中，外延層中都存在較大的雙軸應力。為了弛豫應力，達到外延層的平衡穩定，外延層中會產生大量位錯，使得晶格質量下降。同時，位錯等缺陷通常是非輻射復合中心[12]，位錯密度過大會大量消耗用于輻射復合的電子空穴對，使器件的發光效率大大下降。此外，晶格質量下降使得芯片的其它電學特性也將受到很大影響。在有負彎曲度的藍寶石襯底上生長的GaN外延層，其生長時的平均溫度低于在普通襯底上生長時的平均溫度，因而由熱失配引起的張應變小，外延層受到的張應力也小。彎曲度越大，平均溫度就越低，相應的張應變也越小。所以在3片彎曲度不同的襯底上生長的外延層中，受到張應力的排列順序為:樣品A＞樣品B＞樣品C。降溫過程中，外延層受到來自襯底的壓應力作用，造成整個結構產生凸起狀彎曲。高溫生長過程中，外延層中存在的張應變越小，在降溫過程中壓應力對整個結構的作用力越小，造成芯片的凸向彎曲度越小，從而外延層中的殘余應力值也越小。這與我們實驗中計算和測試的結果一致:隨著3片襯底的彎曲度值依次增大，外延層中的殘余應力依次變小，外延層中產生的位錯等缺陷的密度也逐漸變小，使得在A、B、C 3個襯底上生長的外延層的晶格質量逐漸得到改善，從而芯片的主要電學和光學參數均依次變好。另外，在測試的結果中，我們發現3個芯片的主波長依次發生藍移，關于發光波長藍移我們考慮有溫度以及應力兩方面影響因素。

首先考慮溫度的影響。由于3片襯底的彎曲度不同，在外延層和有源層的高溫生長過程中，A、B、C 3片外延片相同位置的實際溫度并不相同。我們之前的實驗也證明過這一點，襯底彎曲度的值越大，外延層生長過程中的表面溫度就越低，這主要是由于彎曲度值變大造成樣品邊緣與下方石墨盤接觸面積變小，導致傳熱效果不好造成的;再加上我們的垂直反應腔體的氣流是自上而下流動，也會對具有一定彎曲度的外延片的實際溫度分布造成影響，使得向上翹起的邊緣部分的溫度低于中心部分的溫度。所以，A、B、C 3片樣品生長時的表面平均溫度是逐漸降低的，即TA＞TB＞TC，通過溫度實時監控曲線也可以觀察到這個現象。

圖2 后5個周期量子阱生長的溫度實時監控圖Fig.2 Temperature real-time monitoring diagram of quantum-well growth for the last five periods

為了得到清晰的觀察結果，我們給出了量子阱生長最后5個周期的局部放大圖。圖2中(a)、(b)、(c)3 條曲線分別代表在 A、B、C 3 個襯底上生長外延結構的實際溫度監控曲線。從中可以看出，在量子阱生長的過程中，3個樣品的量子阱生長溫度依次降低。眾所周知，在InGaN量子阱生長過程中，生長溫度的降低會使有源層中In組分升高[13]，進而造成InGaN材料能帶變窄，使得發光波長發生紅移。這與我們的測試數據中出現的3個樣品波長依次藍移的現象是相反的，所以我們認為樣品發光波長的藍移主要來自于下層GaN外延層的應力影響。

在InGaN/GaN多量子阱區存在強的極化效應，極化效應會在多量子阱區產生很強的內建電場(約為106eV/cm)，此內建電場導致的QCSE會引起量子阱發光波長的紅移。在A、B、C 3個樣品中，由于晶格常數和熱膨脹系數的差異(GaN的晶格常數小于InGaN，而熱膨脹系數大于InGaN)，有源層的InGaN材料會受到來自下層GaN外延層的壓應力作用。隨著外延層中的殘余應力逐漸變小，有源層InGaN材料受到的壓應力作用也逐漸變小，造成QCSE的影響減小，所以波長發生紅移的幅度也依次減小，直觀表現為3個樣品的發光波長依次發生藍移。而由應力作用引起的藍移效果比由溫度影響造成的紅移效果更加顯著，故而3個樣品表現出依次藍移的特點。

4 結 論

在具有不同彎曲度值的藍寶石襯底上生長了LED外延結構并制作芯片，研究了不同的襯底彎曲度值對GaN基LED芯片的主要電學和光學參數的影響，并對產生影響的不同因素進行了分析和討論。實驗結果表明:存在彎曲度的襯底起到了預先弛豫外延層中的部分應力的作用，使外延層的質量得到了改善。隨著襯底彎曲度值的逐漸增加，外延層中的殘余應力不斷變小，位錯等缺陷也逐漸減少，外延層的晶格質量得到了改善，從而使LED芯片的主要參數逐漸變好。另外，襯底彎曲度值的增大使有源層中的InGaN材料受到的來自下層GaN的壓應力作用逐漸變小，導致LED芯片的主波長發生依次藍移。

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