硅基與藍寶石襯底上的GaN-LEDs性能差異分析

王美玉, 朱友華, 施　敏, 黃　靜, 鄧洪海, 馬青蘭

(南通大學 電子信息學院, 江蘇 南通　226019)

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硅基與藍寶石襯底上的GaN-LEDs性能差異分析

王美玉, 朱友華, 施敏, 黃靜, 鄧洪海, 馬青蘭

(南通大學 電子信息學院, 江蘇 南通226019)

在簡要闡述硅基與藍寶石襯底的GaN研究與發(fā)展基礎上,就此兩種不同襯底上GaN-LEDs性能進行了對比分析,并對這兩種襯底上的LED進行了相應的表征實驗。通過AFM和XRD等分析手段揭示了器件的結構特性,對器件性能(I-V和EL以及I-L測試)進行了相應的評價。通過分析相關實驗數(shù)據(jù)得出:在電學特性與光學性能兩方面,藍寶石襯底上的LED均優(yōu)于硅襯底上的LED。

氮化鎵基發(fā)光二極管； 硅襯底； 藍寶石襯底； 電學特性; 光學特性

近年來,新型寬禁帶化合物半導體材料的發(fā)展迅速,特別是GaN材料。因其具有較好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,在光電子應用領域一直備受關注。由于大尺寸的GaN單晶材料很難獲得,通常都通過異質外延方法獲取高質量的GaN材料。一般襯底的選擇都需遵循一系列的原則,例如晶體結構是否一致、晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)是否匹配等。目前,器件量級的GaN基材料很多是生長在藍寶石襯底上或Si襯底之上的[1-6]。

藍寶石是GaN外延方面使用最早且最普遍的襯底,主要是因為藍寶石同樣具有穩(wěn)定的化學和物理性質。而且,藍寶石還具有光學特性好、成本適中等優(yōu)點,在各個領域均被廣泛地使用[2]。但其也有弱點,如果在藍寶石襯底直接高溫生長GaN,將會導致大量的缺陷,這是因為在GaN外延層和藍寶石襯底之間存在著較大的晶格失配及熱應力失配所致。在工業(yè)界,研究人員通常通過生長數(shù)十納米的低溫GaN或高溫AlN緩沖層,以確保后續(xù)高溫GaN的外延晶體質量。另外,研究人員還研發(fā)了一種沿著側向發(fā)展且合并的生長技術即圖形化襯底技術,因其沒有掩膜和不存在生長的間斷,能得以有效地降低GaN外延層中的位錯密度,在一定程度上也較大地提高了LED發(fā)光的萃取效率[7-8]。

與藍寶石襯底相比, 硅襯底也具有多種優(yōu)點,比如成本低、尺寸大、高質量及優(yōu)異的導電和導熱性能等。使用硅片作為GaN外延層生長的襯底,光電集成也是具有相當魅力且應用潛力廣闊；但在生長技術層面上,Si襯底上生長GaN的難度要比藍寶石襯底更具有挑戰(zhàn)性,因為Si襯底與GaN的晶格失配和熱失配更大,在生長過程中特別是外延片從高溫冷卻至室溫條件下,外延表面更易出現(xiàn)裂紋,進而會導致高密度的位錯[9-10]。在本文中,就材料特性與器件性能兩方面,對比與分析了硅基和藍寶石襯底上的GaN-LEDs,相關實驗數(shù)據(jù)的一致性得了科學的驗證。通過各種實驗表征手段,在系統(tǒng)分析對應的實驗數(shù)據(jù)的基礎上進一步得出兩種不同的襯底對GaN基發(fā)光二極管的外延質量與器件性能的具體影響。

1　實驗

圖1是101.6 mm(4英寸)Si襯底(左側圖)和50.8 mm(2英寸)藍寶石襯底(右側圖)上所生長的LED外延層結構示意圖。生長所用設備是水平腔MOCVD系統(tǒng)(日本酸素SR-2000),而用于n型和p型摻雜的分別是硅烷(SiH4) 和二茂鎂(Cp2Mg)。本文中所分析的GaN-LEDs外延結構主要是基于下述的各步驟得以成功生長：首先在硅基襯底上高溫分別生長20/5 nm的n-AlGaN/n-AlN緩沖層；然后是100對5/20 nm厚的n-AlN/n-GaN超晶格外延層。發(fā)光器件的最核心區(qū)域是活性區(qū),該區(qū)域主要是在1.5 mm 的n-GaN外延層之上,由10個周期的InxGa1-xN量子阱層(4 nm)和InyGa1-yN(8 nm)壘層交替所形成的,并隨后又沉積了本征的GaN蓋層(5 nm)。最后,所形成的是p-Al0.15Ga0.85N(20 nm)和p+-GaN(100 nm)接觸外延層。而在藍寶石襯底之上,除了下面25 nm的低溫GaN和4mm厚的n-GaN外延層,其他的器件外延層結構均一致。

為了評價外延層的晶體質量,通過原子力顯微鏡(AFM)和X射線衍射(XRD)對這2個樣品進行了測試與數(shù)據(jù)分析。在對LED(500 μm×500 μm)器件工藝制作過程中,使用了多種常規(guī)的與半導體工藝相關的微納加工,比如:光刻和刻蝕以及電極蒸鍍等。藍寶石LED的具體工藝流程如下:首先通過反應性離子刻蝕(RIE)使n-GaN一側形成器件臺階結構,Mg受主的活性化退火是在800 ℃、N2氛圍中,進行25 min爐內退火；使用傳統(tǒng)的電子束(EB)蒸鍍沉積出Ti /Al/Ni/Au(15/60/12/60 nm)的n電極;接著在氮氣氛圍中進行了850 ℃、30 s的快速退火(RTA);然后在最上面的p+-GaN蓋層上,通過同樣的EB法沉積出Ni / Au(6/12 nm)p型歐姆電極,并在空氣氛圍中于600 ℃ 退火3 min，形成半透明電極;最后在p型電極之上再沉積Ni / Au(5 /60 nm)的p接觸電極。而對于硅基LED,因襯底具有導電特性,所以不需要RIE的刻蝕工藝,可以直接在襯底背面加工形成AuSb/Au(20 /100 nm)的n-電極。其他相關的具體器件生長參數(shù)和工藝加工以及表征手段的信息也可以參考先前所發(fā)表的論文[11-12]。

圖1　LED的外延層結構示意圖

2　結果與討論

2.1原子力顯微鏡

圖2為生長在Si襯底上的LED的AFM形貌圖。

圖2　生長在Si襯底上 LED的AFM形貌圖

從這些形貌圖中可以清楚地看出,Si襯底上 LED的表面相當光滑(顯示出了原子層臺階的效果)。在不同掃描區(qū)域相應的RMS值(表面粗糙度)分別為2.338、0.665、0.238 nm。圖3顯示的是生長在藍寶石襯底上的LED的AFM形貌圖。相應的RMS值分別為0.694、0.267、0.114 nm。結果表明,在藍寶石襯底上生長的LED的表面形貌更加平整。初步可以得出結論:在藍寶石襯底上生長的GaN質量要比Si基上生長的更好。

圖3　生長在藍寶石襯底上的LED的AFM形貌圖

2.2X射線衍射

圖4主要展現(xiàn)了兩種樣品的(0002)和(10-12)GaN晶面ω掃描的搖擺曲線,對比兩個樣品的搖擺曲線半高寬,可以非常明顯看出藍寶石襯底的半高寬值要比硅基的窄。這進一步說明在藍寶石襯底上生長的GaN質量要比Si基上生長的更好,此結果與上述原子力顯微鏡的實驗結果是一致的。

圖4　兩種樣品的(0002)和(10-12)GaN晶面ω掃描的搖擺曲線

2.3電學特性(I-V)

I-V特性越好串聯(lián)電阻就越小,通電時器件產(chǎn)生的熱能就越小。根據(jù)能量守恒定律,當通入一定的電流,即一定的電能,熱能越小,轉化后的光能也就越大。從圖5的I-V特性曲線可以清楚地觀察到藍寶石上的LED的電學性能比硅基好,其結果與上述結果的晶體表征結果也是一致的。

圖5　兩種樣品的I-V特性

2.4光學特性(EL與I-L)

EL(電致發(fā)光譜)的亮度的變化是由電極間所加的電流或電壓以及頻率所決定的,是隨著他們的變化而改變的。在一般情況下電壓和頻率有所增加時,亮度也會隨之增強[5]。

其實襯底上的LED質量越好,位錯等缺陷就越少。如果LED的質量不好,在注入電子時,電子就會被位錯等缺陷捕獲,就會形成非輻射復合,因而參加輻射復合的電子將變少,隨之發(fā)光亮度也相應減小[13]。

從圖6可以清楚地觀察到藍寶石襯底上LED電致發(fā)光譜(EL)曲線更光滑,且半峰高更小。比較這些數(shù)據(jù),藍寶石襯底上的LED在光學性能要比硅基好,這與上述的各種實驗結果相符合。

圖6　兩種樣品的電致發(fā)光譜(EL)

此外,基于圖7所示的I-L(L為發(fā)光功率)的實驗數(shù)據(jù),可以得出以下結論,在藍寶石襯底上的LED的發(fā)光功率高于在Si襯底的LED的發(fā)光功率,如:在20 mA、40 mA等輸入電流之下,藍寶石上的發(fā)光功率接近硅基上的4倍左右。該結論也與上述的器件結構特性和電學特性等是吻合的。

圖7　兩種樣品的I-L特性

3　結語

本論文中采用AFM和XRD等分析手段對LED進行了各種特性表征,也對器件的電學與光學性能進行了對應的測試。在上理論課及實驗操作時,實驗及分析使得學生掌握了某些具有代表性的半導體科學表征技術,同時也提高了科學分析實驗數(shù)據(jù)的能力,即通過對硅基與藍寶石襯底上的GaN-LEDs實驗數(shù)據(jù)的分析與器件性能差異的對比,對這兩種不同襯底上的LED的差異有了充分的認識與深刻的理解。

References)

[1] 路大成, 段樹坤. 金屬有機化合物氣相外延基礎及應用[M]. 北京: 科學出版社, 2008: 57-58.

[2] Nakamura S, Mukai T, Senoh M. Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes[J]. Appl Phys Lett,1994,64:1687-1689.

[3] Egawa T, Zhang B, Ishikawa H. High Performance of InGaN LEDs on (111) Silicon Substrates Grown by MOCVD[J]. IEEE Electron Device Lett,2005,26(3):169-171.

[4] Zhang B, Egawa T, Ishikawa H,et al. High-Bright InGaN Multiple-Quantum-Well Blue Light-Emitting Diodes on Si (111) Using AlN/GaN Multilayers with a Thin AlN/AlGaN Buffer Layer[J]. Jpn J Appl Phys,2003,42 (Part2)3A:L226-L228.

[5] Ishikawa H, Zhao G Y, Nakada N, et al. GaN on Si Substrate with AlGaN/AlN Intermediate Layer[J]. Jpn J Appl Phys,1999,38(Part2)5A:L492-L494.

[6] Dadgar A, Poschenrieder M, sing J Bla, et al. Thick, crack-free blue light-emitting diodes on Si(111) using low temperature AlN interlayers and in situ SixNy masking[J]. Appl Phys Lett,2002,80:3670-3672.

[7] Sun Y J, Trieu S, Yu T J, et al. GaN-based LEDs with a high light extraction composite surface structure fabricated by a modified YAG laser lift-off technology and the patterned sapphire substrates[J]. Semiconductor Science and Technology, 2011,26(8):085008-085012.

[8] 孫永健, 陳志忠, 齊勝利. 激光剝離轉移襯底的薄膜GaN基LED器件特性分析[J]. 半導體技術, 2008,33(增刊):219-223.

[9] Egawa T, Zhang B, Ishikawa H. High performance of InGaN LEDs on (111) silicon substrates grown by MOCVD[J]. IEEE Electron Device Lett,2005,26:169-171.

[10] Zhu Y H, Zhang J C, Chen Z T, et al. Demonstration on GaN-based light-emitting diodes grown on 3C-SiC/Si(111)[J]. J Appl Phys， 2009,106:124506-1-4.

[11] Wang M, Zhang G, Zhang Z, et al. Study on GaN-based light emitting diodes grown on 4-in. Si (111) substrate[J]. Optics Communications,2014,326:20-23.

[12] Zhu Y, Wang M, Shi M, et al. Correlation on GaN epilayer quality and strain in GaN-based LEDs grown on 4-in. Si(111) substrate[J]. Superlattices and Microstructures, 2015,85:798-805.

[13] Schubert E F. Light-Emitting Diodes[M]. Cambridge University Press,2006:44-45.

Discussion on difference of performance in GaN-LEDs on silicon and sapphire substrate

Wang Meiyu, Zhu Youhua, Shi Min, Huang Jing,Deng Honghai, Ma Qinglan

(School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, China)

Basied on the research and development of gallium nitride using silicon and sapphire substrates, different device performances of GaN-LEDs grown on these two substrates have been compared and discussed. The corresponding experimental characterizations have been carried out. Firstly, the structural characteristics of device are revealed by means of XRD and AFM, and the performance of device was evaluated by I-V, EL, and I-L measurements. Finally, through the experimental data analyses, both the electrical and optical properties of the LEDs grown on the sapphire are superior to ones grown on the silicon substrate.

GaN-LEDs； silicon substrate； sapphire substrate； electrical property; optical property

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.017

2015- 08- 30修改日期:2015- 10- 10

國家自然科學基金面上項目(61475178)；江蘇省“六大人才高峰”基金項目(2013-XCL-013)；江蘇省高校品牌建設工程一期項目(PPZY2015B135)；南通大學引進人才科研基金項目(03080666)；南通大學校級自然科學基金項目(14Z003,14ZY003) ；南通大學課程項目(JP14022,2014B44,2014B43)

王美玉(1973—),女,江蘇南通,碩士,實驗師,研究方向為微電子學及固體電子學、生物電子學.

E-mail:wmy123@ntu.edu.cn

TN364

A

1002-4956(2016)3- 0062- 04