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90 年代，日本科學家（中村修二、赤崎勇和天野弘）研制出了GaN 基藍光LED，自此，全世界爆發了研究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展，藍光GaN 基LED 的發光功率已經取得了重大的突破。

由于目前研究中，藍光LED 作為主流研究內容，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 世紀的主要光源[4]。

由于藍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失配，所以現有GaN 基LED 結構中即使使用了GaN低溫緩沖層，但在異質外延的GaN 材料中仍然存在大量的缺陷密度，此現象嚴重降低了GaN 的晶體質量和形成的器件的內量子效率。

此外，由于GaN 材料的折射率高于藍寶石襯底及外部封裝樹脂，使得有源區產生的光子在GaN 上下界面發生多次全反射，嚴重降低了器件的光提取效率。多數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 緩沖層的影響關注很少。

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

2 實驗材料與設備

本研究實驗中所用到的金屬有機源（MO 源）的配置為：三甲基鎵（TMGa），為生長GaN 材料提供給鎵源，其特點為易分解，生長速率較快，引入C 雜質較多，一般用于生長GaN 緩沖層，N 型層等；三乙基鎵（TEGa），C-H 鍵較強，因此生長速率較慢，引入C 雜質較少，一般用于對生長質量要求較高的發光層；三甲基銦（TMIn；），用來生長發光層，通過溫度調節In 的含量，進而調節發光波長，影響發光亮度；二茂鎂（Cp2Mg）：用于p 型摻雜，為發光提供空穴；硅烷（SiH4）用于n 型摻雜，為發光提供電子。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備是MOCVD（金屬有機化學氣相沉積），MOCVD 很容易控制鍍膜成分、晶相等品質，可在形狀復雜的襯底上實現鍍膜均勻、結構密致、附著力良好等特點，因此MOCVD 已經成為工業界主要使用的鍍膜技術。MOCVD 的工作原理大致為：當有機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，便可知載氣流經有機源時攜帶的有機源的量。多路載氣攜帶不同的源輸運到反應室入口混合，然后輸送到襯底處，在高溫作用下發生化學反應，在襯底上外延生長。反應副產物經尾氣排出。

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

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，由于藍寶石襯底（Al2O3）成本比較低，各方面的性能又比Si 優秀，因此本實驗采用藍寶石襯底進行外延生長，首先生長低溫緩沖層作為后續結晶的成核層，其次生長三維高溫緩沖層，外延結構為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℃，并系統研究了三維生長溫度對外延層晶體質量和殘余應力的影響機理。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，表面形貌進行了分析。

SEM 照片顯示當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節位錯的尺寸和密度。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 射線衍射結果表明，三維高溫緩沖層的晶體質量和溫度相關，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顯微鏡表面的結果顯示a 樣品的表面出現六角臺柱突起缺陷，由于溫度過高導致，b 樣品的表面較平整，c 樣品的表面出現V 型坑缺陷，這是由于溫度過低導致的。

3.2 三維高溫緩沖層的生長壓力的研究

本實驗采用藍寶石襯底進行外延生長，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，外延結構為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，并系統研究了三維高溫緩沖層的生長壓力對外延層晶體質量和殘余應力的影響機理.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量，應力情況進行了分析。

當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 數據表明，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數據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力情況。

3.3 三維高溫緩沖層的厚度的研究

本實驗采用藍寶石襯底進行外延生長，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，外延結構為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 并系統研究了三維高溫緩沖層的厚度對外延層晶體質量和光性能的影響機理.利用雙晶X 射線衍射儀（XRD），分別表征外延層的晶體質量，以及通過封裝，對燈泡的亮度進行了測量。

表1 為不同樣品的相關測試參數，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 數據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，當到達臨界厚度后刃位錯密度不再降低。

對三種樣品進行芯片加工，測試裸晶芯粒亮度（COT_LOP），三種樣品的亮度差異性不大，對三種樣品進行封裝，測試包燈K 值（包燈亮度/ COTLOP），結果顯示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，隨著三維高溫緩沖層厚度的增加，發光立體角內的亮度越高。

表1 不同樣品實驗數據

4 實驗結論

藍寶石圖形化襯底上的異質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量，進而影響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，得出如下結論。

首先，三維高溫緩沖層的晶體質量和溫度相關，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，當到達臨界厚度后刃位錯密度不再降低，其形成的器件在發光立體角內的亮度越高。