MOCVD生長(zhǎng)GaN基藍(lán)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(jiàn)光及紫外光光譜的范圍。GaN材料系列是一種理想的短波長(zhǎng)發(fā)光器件材料，對(duì)GaN材料的研究與應(yīng)用是當(dāng)今全球半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)，市場(chǎng)上的藍(lán)光及紫光LED都是采用GaN基材料生產(chǎn)出來(lái)的。GaN是極穩(wěn)定的化合物和堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，也是直接躍遷的寬帶隙半導(dǎo)體料，不僅具有良好的物理和化學(xué)性質(zhì)，而且具有電子飽和速率高、熱導(dǎo)率好、禁帶寬度大和介電常數(shù)小等特點(diǎn)和強(qiáng)的抗輻照 能力，可用來(lái)制備穩(wěn)定性能好、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕和耐高溫的大功率器件，目前廣泛應(yīng)用于光電子、藍(lán)光LED、紫光探測(cè)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(kāi)發(fā)發(fā)光外延材料及器件性能的前提條件。目前市場(chǎng)上還沒(méi)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(jià)格也相當(dāng)?shù)陌嘿F?，F(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(dá)13.8%，在蘭寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN薄膜材料會(huì)有非常高的位錯(cuò)密度，但成本低、價(jià)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(zhǎng)GaN緩沖層對(duì)外延片性能（正向電壓、光強(qiáng)、反向漏電流、波長(zhǎng)均勻性、FWHM等）、芯片和器件的影響。

二、實(shí)驗(yàn)
本文所用的是Thomas Swan公司生產(chǎn)的立式CCS-MOCVD系統(tǒng)。
本實(shí)驗(yàn)是在低壓（100Torr）下生長(zhǎng)GaN，所用的襯底材料是Al2O3（0001）面，三甲基鎵（TMG）、三甲基銦（TMIn）和藍(lán)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(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)緩沖層，NH3和TMG的流量分別是5000ml/min和30μmol/min；兩樣品都生長(zhǎng)厚度為25nm的GaN緩沖層，升溫使緩沖層重新結(jié)晶，分別生長(zhǎng)非摻雜的GaN單晶層和Si摻雜的n-GaN單晶層，5個(gè)周期的InGaN/GaN MQW，Mg摻雜的p-AlGaN/GaN單晶層。

三、測(cè)試和分析
從生長(zhǎng)振蕩曲線來(lái)看，有非常大的區(qū)別。
從外延層的表面形貌來(lái)看，樣品A的表面形貌明顯沒(méi)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(xì)膩，光澤度、平整度都很好。
對(duì)兩外延片樣品進(jìn)行了一個(gè)快速測(cè)試，用兩個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)均勻性樣品B比樣品A要好。把兩樣品做成管芯后測(cè)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(shí)達(dá)到0.4μA，光強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)GaN緩沖層時(shí)由于鎵流量與氨氣流量沒(méi)有達(dá)到良好的化學(xué)計(jì)量比及氨化的時(shí)間不同所引起的。

四、結(jié)果及討論
利用CCS-MOCVD系統(tǒng)生長(zhǎng)了InGaN/GaN MQW藍(lán)光LED外延片。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩片樣品外延片進(jìn)行了分析和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)襯底氨化時(shí)間的長(zhǎng)短和生長(zhǎng)GaN緩沖層鎵量與氨量的化學(xué)計(jì)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(duì)生長(zhǎng)的外延片的性能包括晶體品質(zhì)、正向電壓、光強(qiáng)、反向漏電流、波長(zhǎng)均勻性、FWHM等和芯片、器件的性能都非常大的改善和提高。