MOCVD生長GaN基藍光LED外延片的研究

一 引言
Ⅲ-V族氮化合物InN、GaN、AIN及其合金材料，其帶隙寬度從1.9eV至6.2eV，覆蓋了可見光及紫外光光譜的范圍。GaN材料系列是一種理想的短波長發(fā)光器件材料，對GaN材料的研究與應用是當今全球半導體研究的前沿和熱點，市場上的藍光及紫光LED都是采用GaN基材料生產(chǎn)出來的。GaN是極穩(wěn)定的化合物和堅硬的高熔點材料，也是直接躍遷的寬帶隙半導體料，不僅具有良好的物理和化學性質(zhì)，而且具有電子飽和速率高、熱導率好、禁帶寬度大和介電常數(shù)小等特點和強的抗輻照 能力，可用來制備穩(wěn)定性能好、壽命長、耐腐蝕和耐高溫的大功率器件，目前廣泛應用于光電子、藍光LED、紫光探測器、高溫大功率器件和高頻微波器件等光電器件。

制備高質(zhì)量的GaN基材料和薄膜單晶材料，是研制和開發(fā)發(fā)光外延材料及器件性能的前提條件。目前市場上還沒有哪家公司能生產(chǎn)兩寸的高質(zhì)量的GaN單晶襯底，即使有GaN單晶襯底，價格也相當?shù)陌嘿F。現(xiàn)在大多數(shù)公司使用的襯底材料都是蘭寶石（Al2O3），雖然它與GaN晶格失配達13.8%，在蘭寶石襯底上生長的GaN薄膜材料會有非常高的位錯密度，但成本低、價格低廉，工藝也比較成熟，在高溫下有良好的穩(wěn)定性。

本文的目的就是研究不同條件下低溫生長GaN緩沖層對外延片性能（正向電壓、光強、反向漏電流、波長均勻性、FWHM等）、芯片和器件的影響。

二、實驗
本文所用的是Thomas Swan公司生產(chǎn)的立式CCS-MOCVD系統(tǒng)。
本實驗是在低壓（100Torr）下生長GaN，所用的襯底材料是Al2O3（0001）面，三甲基鎵（TMG）、三甲基銦（TMIn）和藍氨（NH3）分別作為Ga源、In源和N源，硅烷（SiH4）和Cp2Mg分別為n、p型摻雜劑，載氣為高純度的H2和N2。生長過程如下：首先，將襯底在H2的氣氛下加熱到10500C，烘烤5分鐘，再降溫到5300C。樣品A用2500ml/m的氨氣氮化120秒鐘后再生長緩沖層，NH3和TMG的流量分別是1300ml/min和15μmol/min；樣品B用5000ml/m的氨氣氮化60秒鐘后再生長緩沖層，NH3和TMG的流量分別是5000ml/min和30μmol/min；兩樣品都生長厚度為25nm的GaN緩沖層，升溫使緩沖層重新結(jié)晶，分別生長非摻雜的GaN單晶層和Si摻雜的n-GaN單晶層，5個周期的InGaN/GaN MQW，Mg摻雜的p-AlGaN/GaN單晶層。

三、測試和分析
從生長振蕩曲線來看，有非常大的區(qū)別。
從外延層的表面形貌來看，樣品A的表面形貌明顯沒有樣品B的好。樣品A表面有非常多的小突起、針孔和六角晶體，而樣品B表面非常細膩，光澤度、平整度都很好。
對兩外延片樣品進行了一個快速測試，用兩個探針直接接觸外延片，樣品A發(fā)現(xiàn)外延片發(fā)出的光不穩(wěn)定，漏電流很大，而樣品B的結(jié)果比較理想。兩片樣品的峰值光致發(fā)光峰值波長分別是473.5nm和468.7nm，F(xiàn)WHM分別為32.9nm和21.3nm，且外延片波長均勻性樣品B比樣品A要好。把兩樣品做成管芯后測試，發(fā)現(xiàn)樣品A（在20mA條件下）的正向電壓在3.5V左右，反向漏電流很大，反向電壓5V時達到0.4μA，光強在20mcd至35mcd之間；而樣品B（在20mA條件下）的正向電壓在3.3V左右，反向電壓（在10μA條件下）在12V以上，光強在35mcd至50mcd之間。本文造成樣品A晶體表面質(zhì)量差、漏電流大等的原因歸結(jié)為在生長GaN緩沖層時由于鎵流量與氨氣流量沒有達到良好的化學計量比及氨化的時間不同所引起的。

四、結(jié)果及討論
利用CCS-MOCVD系統(tǒng)生長了InGaN/GaN MQW藍光LED外延片。通過本實驗，對兩片樣品外延片進行了分析和測試，發(fā)現(xiàn)襯底氨化時間的長短和生長GaN緩沖層鎵量與氨量的化學計量比是引起InGaN/GaN MQW LED外延片性能的主要因素。如果處理好，對生長的外延片的性能包括晶體品質(zhì)、正向電壓、光強、反向漏電流、波長均勻性、FWHM等和芯片、器件的性能都非常大的改善和提高。