PVD—AlN 薄膜對LED特性之提升

劉春煜+江佩蕓+許廣元+鄧順達+張忠勛

摘 要：本實驗用物理氣象沉積法（PVD）于藍寶石襯底上鍍氮化鋁薄膜，取代傳統(tǒng)MOCVD法生長的低溫氮化鎵緩沖層。隨氮化鋁越厚n值也越大， wafer受到的壓縮應(yīng)力越大。從XRD得知，氮化鋁薄膜越?。?02）半高寬明顯越小且（002）半高寬間變得比較大，因為（002）面產(chǎn)生的缺陷決定于材料間晶格的差異，則（102） 半高寬的變化來自于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放，薄的氮化鋁薄膜就可有效釋放當(dāng)中的應(yīng)力。最后用氮化鋁緩沖層量之亮度比低溫氮化鎵緩沖層會增加1%，亮度30.5mW。

關(guān)鍵詞：PVD-AlN； LED；亮度；緩沖層

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A

0.引言

三族氮化物與常見基板的基本性質(zhì)參數(shù)包含晶格常數(shù)、與氮化鎵之晶格不匹配程度、熱膨脹系數(shù)等差異。緩解異質(zhì)材料間的差異不同緩沖層材料被研究使用ZrN、ScN、TiN、HfN、SiC。關(guān)鍵步驟是在于氮化鎵材料外延制程上，傳統(tǒng)兩步生氮化鎵緩沖層之工藝。氮化鋁材料擁有：寬能帶、熱導(dǎo)、高電阻等特點，被視為最具潛力的緩沖層材料。Weijun Luo[3]和Deok Kyu Kim團隊等人之研究為使用MOCVD方式直接生長AlN緩沖層于襯底上，并改變AlN緩沖層的不同條件，但在表面皆會出現(xiàn)表面裂痕現(xiàn)象，W. C. Lai等人是用于UV-LED上，PVD-AlN非成核層可提升其LED出光亮度，其發(fā)光層GaN/AlGaN對缺陷非常敏感，可有效降低缺陷來提高UV-LED的亮度，所以運用了圖形化襯底與PVD-AlN的結(jié)合有效降低材料間的缺陷密度，所以本文著重于研究用PVD所鍍的氮化鋁薄膜與傳統(tǒng)氮化鎵緩沖層對整體LED之影響。

1.實驗方法與步驟

將氮化鋁薄膜沉積于4吋圖形化藍寶石襯底表面上，濺鍍氮化鋁材料的為北方維電子公司磁化濺鍍設(shè)備。實驗中Sample A、Sample B分別沉積35nm、28nm的氮化鋁薄膜厚度，橢偏儀則可用于精確測量薄膜的厚度和光學(xué)常數(shù)（n值，折射率），使用J.A. Woollam 公司的橢偏儀量測薄膜參數(shù)，并與Sample C作為對造組的低溫氮化鎵緩沖層做比較，實驗中探討不同氮化鋁薄膜的薄膜參數(shù)。

沉積完氮化鋁薄膜于4吋圖形化藍寶石襯底表面上后，再使用有機金屬化學(xué)氣相沉積法生長氮化鎵的完整LED結(jié)構(gòu)，使用VEECO公司的設(shè)備。X射線衍射使用Jordon Valley公司的設(shè)備做，量測LED晶格（102）及（002）的繞射半高寬比較。再制作成26mil*52mil大小的芯片，驅(qū)動電流為20mA做點側(cè)測試，比較不同氮化鋁薄膜厚度與低溫緩沖層的LED發(fā)光強度

2.結(jié)果與討論

PSS襯底上無法偵測到其薄膜參數(shù)，襯底上的圖型會產(chǎn)生破壞性干涉而無法得知氮化鋁薄膜參數(shù)，故需使用平片當(dāng)作監(jiān)控片?？仄L的薄膜厚度會與PSS襯底c-plane的厚度一樣，我們所關(guān)注的也只有c-plane的厚度。表1中橢偏儀所量測之不同厚度下n值的變化，隨著氮化鋁薄膜越薄n值也會越小，而n值代表著薄膜結(jié)晶質(zhì)量，由量測數(shù)據(jù)可以知道不同氮化鋁薄膜厚度下其薄膜質(zhì)量會不同。

氮化鎵在氧化鋁襯底上面會呈現(xiàn)舒張應(yīng)力狀態(tài)，會因應(yīng)力作用而wafer成碗狀的中心凹，因此使用氮化鎵緩沖層會出現(xiàn)wafer中心點波長藍移。但氮化鋁薄膜上去氧化鋁襯底后則呈現(xiàn)壓縮應(yīng)力狀態(tài)， wafer中心波長紅移，氮化鋁薄膜厚度的遞減Sample A到Sample B下的紅移嚴重程度變小，故n值越大整體wafer受到的壓縮應(yīng)力越大。

氮化鎵緩沖層被氮化鋁薄膜取代后，使用XRD量測出LED結(jié)構(gòu)中不同晶格平面的結(jié)果，不同厚度的氮化鋁薄膜（102）半高寬及（002）半高寬分別見表1，可看出最低的（102） 半高寬為239的Sample B氮化鋁厚度，但是在螺旋差排的趨勢卻是相反，這與Wei-Ching Huang的論文結(jié)果一致，（002）面雖隨著氮化鋁薄膜越薄越大但變化不大，因為（002）面產(chǎn)生的缺陷主要來自于氧化鋁和氮化鋁材料間晶格的差異，所以變化氮化鋁厚度對刃差排影響不大，則（102） 半高寬的變化主因是整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放，僅需較薄的氮化鋁薄膜就可有效釋放當(dāng)中的應(yīng)力。

襯底經(jīng)過MOCVD外延磊晶過后要將4吋的外延片做制程處理對LED芯片做點側(cè)測試，驅(qū)動電流為20mA，則本實驗所感興趣的是使用PVD鍍的氮化鋁對點測的亮度影響。不同波長對亮度有一定的影響，故在相同波長下做亮度比較，隨著氮化鋁薄膜厚度的遞減可以看到亮度會增加，最高的亮度為Sample B的氮化鋁厚度亮度為30.55mW，和未用氮化鋁薄膜Sample C的低溫氮化鎵緩沖層相比提升1%的出光量，此結(jié)果和前面探討XRD量出來的（102） 半高寬有相同的趨勢，所鍍的氮化鋁薄膜厚度越低擁有較低的（102） 半高寬，且其亮度也會相對比較高，因為低溫氮化鎵等緩沖層屬于非晶系結(jié)構(gòu)，會吸光而降低PSS襯底的作用。

結(jié)語

氮化鋁鍍在氧化鋁襯底上會自然呈現(xiàn)壓縮應(yīng)力狀態(tài)，如此作法在氧化鋁/氮化鋁薄膜/氮化鎵材料間最后相互抵消彼此的應(yīng)力，氮化鋁越厚n值也越大，整體wafer受到的壓縮應(yīng)力越大。XRD所量測LED缺陷結(jié)果，氮化鋁薄膜越薄（102）半高寬明顯越小（002）半高寬間變得比較大，因為（002）面產(chǎn)生的缺陷決定于材料間晶格的差異，故氮化鋁厚度對刃差排影響不大，則（102） 半高寬的變化來自于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力釋放，僅需較薄的氮化鋁薄膜就可有效釋放當(dāng)中的應(yīng)力。

氮化鋁緩沖層量測出來之亮度會比低溫氮化鎵緩沖層增加，最高是最薄膜厚的Sample B，會提高1%的亮度至30.5mW ，故使用PVD成長均勻的氮化鎵會比MOCVD長的低溫氮化鎵為較好的緩沖層選擇。另一方面為緩沖層為非晶系結(jié)構(gòu)，會有吸光的疑慮，此會讓PSS襯底的功能無法完全呈現(xiàn)，讓光從發(fā)光層發(fā)射至n-type端的光無法有效跑出LED結(jié)構(gòu)外，所以緩沖層越薄越好。

參考文獻

[1]WU X H，et al.[J].Applied Physics Letters， 1998， 72（6）： 692.

[2]Shuji Nakamura，et al.[J].Appl. Phys. Lett. 62， 2390 （1993）； doi： 10.1063/1.109374.

[3]Weijun Luo，et al.[J].Microelectronics Journal ，39 （2008） 1710–1713.

[4]Deok Kyu Kim.[J].Solid- State Electronics ， 51 （2007） 1005–1008.

[5]W.C.Lai，et al.[J].Journal of display technology， （2013）， VOL. 9， NO. 11.