不同规格衬底在不同MOCVD的外延生长方法

王霄湖南湘能华磊光电股份有限公司 423038

不同规格衬底在不同MOCVD的外延生长方法

王霄
湖南湘能华磊光电股份有限公司 423038

使用不同规格的衬底在不同MOCVD进行外延生长，研究分析外延底部的生长方法。

1、引言

在蓝光GaN外延产业中，国内主要使用的衬底是蓝宝石（Al2O3），选择生长的晶体方向为C面（0001）；且为提高外延片的出光效率，均会将蓝宝石衬底的表面进行图形化，即制作成PSS衬底。当前，国内衬底厂家越来越多，可共外延厂进行选择的也就变多了。这的确有利于实现国产化替代，降本增效，但同时也让外延厂面临难以抉择的现状，应该选择什么规格的衬底。本文利用不同MOCVD，研究了不同规格的蓝宝石PSS衬底上生长缓冲层、成核层以及u型GaN的方法，并用金相显微镜观察外延片的表面形貌，用XRD、光致发光仪、测量了GaN的结晶性能及光学性能，并送至芯片厂制成芯片测试光电性能。

2、试验

进行使用下表不同规格衬底分别在CriusⅠ（31片/37片）、CriusⅡ（55片）以及K465i/C4 MOCVD（54片）不同MOCVD进行生长。通过工艺调整，分析找到最适合的生长方法，稳定各项光电参数。

3、结果与分析

2类比1类的底径要宽，高度要高，岛与岛间隔要小，如图所示。成核层时，2类在间隔处GaN晶粒数量要少。2类高度高，斜面长度较长，成核层时在斜面处的GaN晶粒数量要多。即间隔减小、高度增加，长uGaN层要填充的体积增大。

3.1 CriusⅠ（31片/37片）生长，在EpiTT原位监控中，可以看到：

基于上述差异，2类转1类时，需进行加厚缓冲层，加温成核层的工艺调整；如此可以有效改善外观和波长STD，促进ESD稳定。但在实际生产中，CriusⅠ切换衬底时，还需要多炉少片稳定生长。因为CriusⅠ底部工艺窗口很窄，即品质波动大，ESD变差。

3.2 CriusⅠ（31片/37片）生长，统计A厂和B厂衬底，发现A厂生长的外延片表面外观降级率（X品率）偏高，如下图。A厂高达20％，而B厂较稳定。

利用金相显微镜对表面进行外观分析，发现A厂生长的外延片表面粗化不平。

对比衬底规格，标记平面晶向有差异，A厂0.03°，B厂0.1°。可以确定A厂和B厂衬底在切割方向上有差异，最终导致外延片生长结果迥异。

鉴于上述结果，工艺改善时，需要对缓冲层、成核层和uGaN进行综合调整。

3.3 CriusⅡ（55片）生长，EpiTT原位监控中，温度相差不大，生长曲线见下图。红色是B厂2类，简称B2，蓝色是B1。B2缓冲层反射率高，起振时间长，约1200S，而B1约800s。B1生长uGaN很快到振幅高点，B2两周期后才到高点，反射率也低。

下表是制成芯片后的数据，B2亮度低10.5mW，VRD低1V，IR较小，ESD偏差。

实际生产结果表明，CriusⅡ底部工艺窗口也很窄，光电参数变化较大。B2图形高度高，间隔小，缓冲层会偏厚长平，故反射率较高。而再结晶成核时，会生成较大晶粒，应力变大无法释放；在晶粒合并时将以更多的缺陷形式释放，所以起振时间长，不能较快到振幅高点。由此造成B2底部缺陷多，光电参数波动大。

所以不同衬底切换，主要解决缓冲层厚度过大或过小，控制横向与纵向生长速率。对于B1转B2，可以将缓冲层长速变慢，或者时间减少。

3.4 K465i/C4 MOCVD（54片）生长，实际生产结果表明，K465i/ C4底部工艺窗口较宽，衬底切换比较容易。不过在亮度和波长STD上，有明显区别，需要调整。

同工艺下，B2比B1亮度高。如下图，光致发光仪测试的PIn值（亮度峰值强度），所激的发光经GaN层辐射到空气，很容易形成全反射现象。而被反射回的光，经过衬底时，改变了发射角度，增加了辐射几率。而B2规格更利于增加辐射几率。

同工艺下，B1和B2波长Std分布也有差异。

B2波长分布有同心圆，中心偏短，边缘偏长。这是温度过高、升降温过快，导致衬底表面温度分布不均匀产生应力，从而发生翘曲；使衬底在生长过程中呈现碗状，进一步使后面量子阱的温度也不均匀，形成波长同心圆现象，造成std偏大。

亮度的差异只有改变衬底规格。降低波长Std的根本措施是释放应力，降低翘曲，使衬底表面温度分布均匀。有效方法是减薄或加厚缓冲层，减小或加大成核层和uGaN温差。

4、结论

对于CriusⅠ（31片/37片）MOCVD，在1类转2类时，工艺调整：加厚缓冲层，升温成核层；2类转1类，反之即可。另需要多炉少片进行稳定品质的工艺调整。A厂和B厂衬底在切割方向上有差异，工艺调整：综合调整缓冲层、成核层和uGaN进行。

对于CriusⅡ（55片）MOCVD，衬底切换时，主要控制好缓冲层厚度过大或者过小，并控制好横向生长与纵向生长速率。

对于K465i/C4（54片）MOCVD，亮度的差异源于衬底规格；波长Std的工艺调整方法是减薄或加厚缓冲层，减小或加大成核层和uGaN温差。