在蓝宝石图形衬底上外延高性能LED

乔 良，杨海艳，张诗娟，陆 羽

(1.华北科技学院计算机学院，河北 三河 065201；2.东莞南方半导体科技有限公司，广东 东莞 523000；3.安徽工业大学数理科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002)

引言

氮化镓(GaN)作为第三代半导体材料的代表，具有化学性质稳定，禁带宽度较宽，耐高温等优点。其禁带宽度在0.7～6.2eV范围内连续可调，覆盖了从紫外到红外的整个波段，已经大量应用于全色彩显示及固态照明领域[1-3]。迄今为止，在GaN基发光二极管的制备中，蓝宝石仍然是最为广泛使用的商业化衬底材料。

但是，选择蓝宝石作为生长GaN基LEDs的衬底材料也存在着以下几点问题。首先，蓝宝石与GaN之间存在着较大的晶格失配和热失配。较大的晶格失配导致了在蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜材料会有较高的位错密度(109～1010cm-2)。位错会把缺陷能级引入到GaN的带隙中，从而引起非辐射复合，最终会降低LED的内量子效率[4，5]。较大的热失配会使得处于生长过程中的GaN薄膜在降温时受到比较大的双轴压应力，当生长的GaN薄膜超过一定的厚度时，外延层会发生翘曲和龟裂[6]，严重影响LEDs器件的性能。

为了减小外延片翘曲的程度，提高量子阱晶体质量，得到波长均匀的LEDs外延，前人尝试了多种方法，如使用氮化铝插入层和AlGaN层等[7，8]，通过减小应力来降低外延层的翘曲，提高LEDs的内量子效率。本文通过实验，提出了一种优化非故意掺杂的氮化镓(u-GaN)层生长的方案，即降低生长时反应室内压力，同时提高反应室内温度，调整u-GaN所受应力，从而提高多量子阱层的晶体质量，并使得翘曲情况有所改善，LEDs发光波长更为均匀，进一步改善了LEDs的光电性能。

1 实验过程

本实验在4英寸蓝宝石图形衬底(PSS)c面(0001)上外延生长蓝光LEDs，样品制备所使用的材料主要有生长u-GaN所用的三甲基镓(TMGa)、生长量子阱时采用三乙基镓(TEGa)和三甲基铟(TMIn)，n型掺杂用的硅烷(SiH4)，p型掺杂用的二茂镁(Cp2Mg)和反应气体为高纯度的NH3，载气主要是N2和H2。

制备的具体过程如下，首先将衬底置于1050 ℃的氢气氛围中进行脱附。然后将反应室降温至530 ℃，生长约30 nm厚的成核层，随后升温至1050 ℃，生长厚度约为3.6 μm的u-GaN，反应室压力为200 torr，接下来通过Si掺杂生长约2 μm厚的n型GaN层，接着生长9个周期的InGaN/GaN多量子阱结构，最后，通过Mg掺杂生长80 nm厚的p型GaN层，这样生长出的样品标记为LED A。

为了进行对比，改变u-GaN层的生长条件，生长压力从200 torr下降到150 torr，生长温度提升10 ℃，至1060 ℃，生长速率提高了10%，其余生长参数保持一致，标记为LED B。

为了研究不同的u-GaN层生长条件对LED外延质量的影响，对得到的两个样品进行了高分辨率X射线衍射(HRXRD)测试，光致发光(PL)测试以及曲率测量。

2 结果与讨论

两个样品的PL-mapping测试结果如图1所示。可以明显看出，B样品整片的PL-mapping的波长更加均匀，光谱范围更加集中。

为了定量地说明外延片波长的均匀性，统计计算出两个样品各点PL波长的标准差，LED A为2.61，LED B为1.46。数值结果表明，优化生长条件后的4英寸LED外延片发光波长均匀性有明显提升。PL亮度LED A 为266，LED B为297，提升幅度约为11.6%。PL测试半高宽(FWHM)LED A为17.08，LED B为16.29，这表明通过优化的生长方式，外延片的晶体质量，特别是多量子阱(MQWs)层的质量提升明显，LED的内量子效率得到提高。

图1 LED A和LED B的PL-mapping测试图Fig.1 PL-mapping results of LED A and LED B

用HRXRD对两个样品进行检测，LED A和LED B的(0002)晶面ω-2θ曲线如图2所示。可以看出，与A样品的曲线相比，B样品的ω-2θ曲线0级卫星峰更加清晰，各级卫星峰的半峰宽更小。可推断出，通过优化生长过程，LED B的MQWs层晶体质量更好，阱和垒层界面更加清晰。

图2 LED A 和LED B的ω-2θ拟合曲线Fig.2 HRXRD curves for the (0002) reflection of the two samples

为了验证两个样品翘曲程度的变化，对两个样品进行了曲率测量。测量结果如表1所示。BowingX和BowingY分别代表X方向和Y方向的曲率。

表1 LEDA 与LED B的外延片曲率

LED A在X和Y方向的曲率值分别为(79.67,80)，LED B在X和Y方向的曲率为(63.12, 65.5)。结果表明，4英寸衬底上外延片的翘曲现象有了很大改善。翘曲程度降低，对于随后光刻工艺将产生很大的帮助。

综合以上分析，在PSS上生长LEDs的过程中， 需要考虑纵向生长和横向生长两种模式，这两种模式对应力以及缺陷密度都有紧密的关联。而系统反应腔压力和温度是两个重要的影响因素。降低生长压力，会使得纵向生长速度的提高，有利于生长的三维模式向二维模式过渡。但是进一步降低反应腔压力，会抑制水平方向的生长速度，反而不利于晶体质量的提高。因此优化的反应腔压力，是提高晶体质量的重要因素之一。优化反应腔温度，有助于提高反应速度，从而缩短时间，降低了LED的制备成本，同时使得4英寸外延整片的峰值波长均匀性进一步提高。

3 结论

在4英寸PSS上生长蓝光LED外延，通过优化u-GaN层的生长条件，调节了外延层生长过程中所受的应力，翘曲的情况得到改善，同时使得整片LED的发光波长更加均匀，MQWs层的晶体质量得到改善，提升了LED的内量子效率。