硅襯底上GaN基LED的研制進展

　　Ⅲ 族氮化物半導體材料廣泛用于紫、藍、綠和白光發(fā)光二極管，高密度光學存儲用的紫光激光器，紫外光探測器，以及高功率高頻電子器件。然而由于缺乏合適的襯底，目前高質(zhì)量的GaN膜通常都生長在藍寶石或SiC襯底上，但是這兩種襯底部都比較昂貴，尤其是碳化硅，而且尺寸都比較小。藍寶石還有硬度極高和不導電的缺點。為克服上述缺點，人們在用硅作襯底生長GaN方面一直不斷地進行探索。由于GaN材料的電熒光對晶體缺陷并不敏感，因此人們預期在Si襯底上異質(zhì)外延生長Ⅲ族氮化物發(fā)光器件在降低成本方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

　　人們還期待使用Si襯底今后還有可能將光發(fā)射器與硅電子學集成起來，將加速和擴大氮化鎵在光電子和微電子方面的應用。

　　一、用硅作GaN LED襯底的優(yōu)缺點

用硅作GaN發(fā)光二極管（LED）襯底的優(yōu)點主要在于LED的制造成本將大大降低。這是不僅因為Si襯底本身的價格比目前使用的藍寶石和SiC襯底便宜很多，而且可以使用比藍寶石和SiC襯底的尺寸更大的襯底（例如使用4英寸的Si片襯底）以提高MOCVD的利用率，從而提高管芯產(chǎn)率。Si和SiC襯底一樣，也是導電襯底，電極可以從管芯的兩側(cè)引出，而不必象不導電的藍寶石那樣必須都從一側(cè)引出，這樣不但可以減少管芯面積還可以省去對GaN外延層的干法腐蝕步驟。同時由于硅的硬度比藍寶石和SiC低，因此使用LSI加工中使用的通用切割設(shè)備就可以切出LED芯片，節(jié)省了管芯生產(chǎn)成本。此外，由于目前 CaAs工業(yè)正從4英寸過渡到6英寸，淘汰下來的4英寸工藝線，正好可以用在硅襯底的GaNLED生產(chǎn)上。據(jù)日本Sanken電氣公司的估計使用硅襯底制作藍光GaNLED的制造成本將比藍寶石襯底和SiC襯底低90%，預期在需要低功率發(fā)射器方面將獲得應用。

　　然而與藍寶石和SiC相比，在Si襯底上生長GaN更為困難。因為這兩者之間的熱失配和晶格失配更大。硅與GaN的熱膨脹系數(shù)差別將導致GaN膜出現(xiàn)龜裂，晶格常數(shù)差會在 GaN外延層中造成高的位錯密度。GaNLED還可以因為Si與GaN之間有0.5V的異質(zhì)勢壘而使開啟電壓升高以及晶體完整性差造成P-型摻雜效率低，導致串聯(lián)電阻增大。使用Si襯底的另一不利之處是，硅吸收可見光會降低LED的外量子效率。盡管如此自1998年以來在硅上氮化鎵LED方面已經(jīng)取得了不少令人興奮的結(jié)果。

　　二、緩沖層技術(shù)

　　為了在Si上制造出性能好的GaN LED，首先要解決的是如何在Si上生長出高質(zhì)量的無龜裂的GaN外延層?，F(xiàn)在主要的生長方法是MOCVD或MBE。無論采用那種生長方法在Si上生長GaN外延層，均需要使用緩沖層技術(shù)。已經(jīng)報道了多種緩沖層技術(shù)。其中包括：AIN，3C-SiC（淀積的或轉(zhuǎn)化的SiC膜），GaAs，AlAs，ZnO，LiGaO2，g-Al2O3和Si3N4，或復合緩沖層；如AlN/3C-SiC，AlN/GaN/AlN等等。AlN緩沖層是目前較為普遍使用的緩沖層技術(shù)之一。Liaw等人報道了采用轉(zhuǎn)化的 SiC膜加氮化鋁復合緩沖層（AlN/3C-SiC）技術(shù)已經(jīng)可以在4英寸的Si(111)襯底上生長出1.5mm厚的無龜裂的GaN的外延層。

　　日本三墾（Sanken）電氣公司與名古屋工業(yè)大學聯(lián)合開發(fā)出用AlN/GaN緩沖層緩解因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的熱應力，進而控制了龜裂的發(fā)生。值得指出的是三墾電氣在生長緩沖層前，首先對硅襯底進行處理，使硅表面上覆以氫（H），這樣就得到了不含氧（O）的、適于"低溫緩沖層"生長所需要的清潔平坦的硅表面，并且使發(fā)光層內(nèi)的晶體缺陷密度減少到109個/cm2。

　　為了降低外延層中的位錯密度，選擇外延生長工藝也被應用到在Si生長GaN中來，包括橫向選擇外延和懸重外延生長（PENDEOPITAXY）。

　　三、LED器件

　　1998 年Guha等人最早采用MBE方法生長了UV和紫光GaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)（DH）LED。襯底是摻砷的晶向為（111）低阻n型Si。緩沖層為 AlN。DH-LED結(jié)構(gòu)為：Si（111）/8nm AlN/n-AlGaN：Si/6nm GaN/p-AlxGa1-xN：Mg/15nm p-GaN。他們發(fā)現(xiàn)襯底與外延層之間的晶向關(guān)系為：Si（111）/GaN（0001）和Si＜011＞//GaN＜21-10＞。TEM觀測表明 8nm AlN已經(jīng)在Si上形成了厚度均勻的連續(xù)薄膜，估計其穿透位錯密度高達5×1010cm-2。在P側(cè)使用Ni/Au電極；n電極則從Si襯底面引出。對于 300×300mm的管芯，在4.5-6.5V正向電壓下開始發(fā)光。他們認為較高的工作電壓是因為MBE生長的p型摻雜濃度低以及p接觸不良所致，而不是由于AlN的絕緣特性造成的。絕緣的AlN中的大量位錯可能起了短路電流通道的作用，使載流子從Si側(cè)"漏"過去注入到GaN中。發(fā)光波長為360nm （摻Si-GaN有源層）和來自深能級的420nm峰（未摻錄像機GaN有源層）。

　　近期的工作大部分都采用InGaN/GaN多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)，生長方法包括MOCVD和MBE以及兩者的結(jié)合，主要采用MOCVD。發(fā)射波長已擴展到藍、綠光。Yang等人先用MBE方法在（111）n+Si襯底上生長AlN緩沖層，然后轉(zhuǎn)移到MOCVD反應室中生長0.2mm厚摻硅n+GaN。接著在Si/（AlN/GaN）上淀積 0.2mm厚SiQ2層，用光刻法開出300×300μm的選擇外延生長的窗口。然后，再將樣品放入MOCVD反應室中連續(xù)生長0.5nm-GaN： Si，InGaN/GaN MQW和15nm的p-GaN。在選擇外延生長的MQW-LED結(jié)構(gòu)上面采用Pd/Au形成透明電極。n極（Ti/Al/Ti/Au）則從Si襯底面引出。

器件的發(fā)光波長為465nm，半高寬為40nm，與MQW的室溫PL譜一致。正向開啟電壓為+3.2V，估計包括來自Si/（AlN/GaN）異質(zhì)結(jié)勢壘的0.5V貢獻。正向微分電阻是250Ω左右，比他們在藍寶石上的LED大約大4倍。p型摻雜濃度低，p接觸不良以及AlN/Si界面微分電阻和來自 SiO2的Si反向摻雜可能是電阻增加的原因。Dalmasso等報道了首次用MOCVD方法在（111）Si上生長的綠光（508nm）的LED。其結(jié)構(gòu)為0.5μm-GaN/0.1μmGaN/InGaN/20nmGaN/7nmp-Al0.15Ga0.85N/0.2μmp-GaN。其輸出功率當為 20mA時是6mW。

　　德國Magdeburg大學的Armin Dadgar在研制LED時，為了解決龜裂問題采用了兩種方法：

　　1、在圖形襯底上生長臺面結(jié)構(gòu)，接著生長AlGaN/GaN超晶格以控制龜裂的形成和/或位置。對臺面結(jié)構(gòu)的LED來說，先在Si（111）上腐蝕出槽，接著淀積AlN緩沖層、15個周期的AlGaN/GaN超昌格和摻Si-GaN層。有源區(qū)為3個周期的InGaN/GaN量子阱，其上為p-AlGaN和p-GaN層。

2、在平面襯底上，淀積AlN緩沖層和n-GaN層后，使用低溫AlN應力襯償層加上氮化硅薄掩膜層。其上再生長n-GaN、3個周期的InGaN/GaN量子阱有源區(qū)和p-AlGaN和p-GaN層。這兩種方法制備的LED在20mA正向電流下都可以輸出150mW的藍光，這些結(jié)果對于Si襯底來說是令人鼓舞的。雖然比在藍寶石和碳化硅襯底上制造的商品LED 低，但已經(jīng)可以滿足一些低功率應用要求。預期隨著生長條件和器件個各層的優(yōu)化，亮度還會提高，然而更大的挑戰(zhàn)是進一步解決Si襯底對光的吸收問題。

日本三墾電氣公司與名古屋工業(yè)大學聯(lián)合開發(fā)的藍色及綠色GaNLED，雖然現(xiàn)在還處于試制階段，其光輸出功率已經(jīng)達到了手機背照燈等使用的高亮度量產(chǎn)品的 1/5。也就是說已經(jīng)獲得了手機來電提示等用途所使用的通用LED同樣的光輸出功率，在通信和顯示用的低功率光發(fā)射器方面的應用引人關(guān)注。今后，通過對發(fā)光層的改進，量子效率還可以提高到目前的2倍左右。隨著技術(shù)的改進，可望將開啟電壓從現(xiàn)在的+4.1V降到+3.5V，并增加功率效率。

四、結(jié)語

與目前使用的藍寶石襯底和SiC襯底的GaN二極管（LED）相比，使用硅襯底后GaN LED的制造有成本將大大降低。盡管現(xiàn)在還處于試制階段，并且在硅上生長GaN難度高，硅還有吸收可見光的缺點，但是Si上生長的GaN LED在低功率應用方面的動向已經(jīng)引起人們關(guān)注。實際上，Si上生長GaN提供了一個更廣泛的技術(shù)平臺，由于硅的高導電和導熱特性，除了在光電器件方面的應用外，在微波和功率電子器件方面也有廣闊的應用前景，而且提供將光發(fā)射器與硅電子學集成起來的可能性。