材料外延與評測技術(shù)對半導(dǎo)體照明光源的影響

2009-05-30 曾正清 中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所

         以功率型GaN 基藍(lán)光LED 為核心的半導(dǎo)體照明器件制作流程是以材料外延為基礎(chǔ)。為提高LED 器件的流明效率,要改善晶體質(zhì)量,采用ECR 等離子體輔助MOVPE 方法進(jìn)行GaN 材料的外延生長。低溫生長的關(guān)鍵是解決活性氮源并為生長表面提供活化能,以ECR 等離子體提供活化氮源,在GaAs(001)襯底生長出晶質(zhì)好的純立方GaN 單晶膜。減少材料缺陷密度,降低材料的吸收損耗;要改善材料結(jié)構(gòu),減小材料極化效應(yīng),減小非輻射復(fù)合中心,提高電流注入效率和體內(nèi)量子效率;還要提高p 型材料的空穴濃度,以降低器件工作電壓等。

         由于GaN 基材料具有極高的熔點(diǎn)和非常大的氮?dú)怙柡驼魵鈮,難以獲得大面積、高質(zhì)量的GaN 襯底,一般采用存在晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配的異質(zhì)襯底來進(jìn)行外延生長。目前國際上主要采用金屬有機(jī)化合物氣相外延(MOVPE)技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上沿(0001)晶向進(jìn)行異質(zhì)外延。由于采用異質(zhì)外延生長,GaN 晶體缺陷密度較大,往往需要襯底預(yù)處理技術(shù)、AlN 緩沖層技術(shù)、雙束流外延生長技術(shù)、橫向外延技術(shù)、準(zhǔn)同質(zhì)外延襯底等來提高晶體質(zhì)量。

         目前使用的Ⅲ族氮化物L(fēng)ED 大多通過MOVPE 技術(shù)生長外延材料,外延過程是以物質(zhì)從氣相向固相轉(zhuǎn)移為主的過程。含外延膜成分的氣體輸運(yùn)到加熱的襯底上,通過氣體分子熱分解,擴(kuò)散在外延表面上的化學(xué)反應(yīng),就構(gòu)成外延膜的原子沉積在襯底上,按一定晶體結(jié)構(gòu)排列形成外延片。通常NH3 作為氮源,三甲基鎵(TMG)為鎵源,以高純H2 為載體,在高溫(大于1 000 ℃)進(jìn)行外延生長。在襯底和外延面上的化學(xué)反應(yīng)為

GaN(CH33(V)+NH3(V)→GaN(S)+3CH3(V)

式中V 表示氣相,S 表示固相。

         GaN 基材料外延技術(shù)決定了LED 器件的內(nèi)量子效率、光譜性能等指標(biāo),是半導(dǎo)體照明技術(shù)的基礎(chǔ)。圖3給出了LED 的光譜特性。由圖可見:1)隨著注入電流從2 mA 增加至80 mA,LED 發(fā)光峰值波長向短波方向移動(dòng),即發(fā)生藍(lán)移,并且藍(lán)移量達(dá)到5 nm;2)光譜展寬,LED 光譜的半峰全寬(FWHM)從2 mA 下的26 nm,增加到了80 mA 下的35 nm,增加了9 nm。這種藍(lán)移現(xiàn)象和展寬效應(yīng)會(huì)造成實(shí)際應(yīng)用中器件色彩漂移,影響熒光粉的激發(fā)效率,降低流明效率,并使器件偏離白光光譜,影響色溫指標(biāo)。因此,獲得高波長穩(wěn)定性的LED 器件的材料外延中研究的重點(diǎn)。

一般LED 的光譜特性 

圖3 一般LED 的光譜特性

         人們普遍認(rèn)為,藍(lán)光LED 發(fā)光波長隨注入電流的變化主要來自于InGaN/GaN 多量子阱區(qū)強(qiáng)烈的極化效應(yīng)。GaN 基材料體系內(nèi)的極化包括沿(0001)晶向生長的纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN 材料所固有的自發(fā)極化和在有應(yīng)變情況下產(chǎn)生的壓電極化,并且其極化系數(shù)較傳統(tǒng)Ⅲ-Ⅴ族GaN材料要高。在InGaN 材料中,壓電極化居主導(dǎo)地位,極化效應(yīng)會(huì)在InGaN/GaN 多量子阱區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的內(nèi)建電場(約為106 eV/cm),導(dǎo)致顯著的量子限制斯塔克效應(yīng)(QCSE)引起能帶傾斜,使得發(fā)光波長紅移。隨著注入電流的增大,量子阱區(qū)產(chǎn)生大量的自由載流子,在一定程度上屏蔽了內(nèi)建電場,削弱了QCSE 效應(yīng),從而使LED 的峰值波長產(chǎn)生藍(lán)移。通常當(dāng)InGaN/GaN 量子阱的阱寬超過3 nm 時(shí),由于QCSE 效應(yīng)的影響,量子阱中電子空穴波函數(shù)空間分離嚴(yán)重,波函數(shù)重疊積分減小,電子空穴對復(fù)合輻射幾率降低,限制了器件內(nèi)量子效率的提高。而LED 光譜的展寬效應(yīng)主要由材料生長過程中,量子阱界面粗糙、組分和阱寬不均勻、GaN 晶體不完整、總應(yīng)變量(單量子阱應(yīng)變量與量子阱總厚度的乘積)增加等因素引起。

         為提高內(nèi)量子效率,解決LED 的電流注入藍(lán)移效應(yīng)和光譜展寬效應(yīng),保持LED 光譜的穩(wěn)定性,必須控制并降低總應(yīng)變量。為此,可通過優(yōu)化量子阱阱寬、量子阱阱數(shù)等措施改善量子阱結(jié)構(gòu),提高晶體質(zhì)量,降低界面粗糙度,改善器件性能。

         此外,GaN 材料屬于寬禁帶(帶隙能量3.4eV)材料,其典型受主雜質(zhì)Mg 的能級屬于深受主能級,室溫下電離度僅為1%。而且生長中Mg 還容易與H 形成Mg-H 絡(luò)合物而發(fā)生鈍化。基于GaN 材料的生長技術(shù),尚無法獲得高空穴的p 型GaN 材料,其空穴濃度通常為1×1018cm-3。為提高空穴濃度,人們提出了采用表面接觸層p 型InGaN/GaN 超晶格結(jié)構(gòu)、p 型InGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)或超晶格結(jié)構(gòu)等生長方案。還采取了如表面Si 處理/Mg 處理等外延粗糙化技術(shù)、應(yīng)變補(bǔ)償技術(shù)、漸變生長技術(shù)等,以提高光提取效率和內(nèi)量子效率,改善器件的光譜性能。

         需要指出的是由于InGaN 外延層存在較大的應(yīng)變,其晶格的完整性較差,對于量子阱阱寬和阱In 組分的精確評測需要在高分辨率X 射線衍射儀測試基礎(chǔ)上,結(jié)合透射電子顯微鏡盧瑟福背散射等手段加以綜合分析。

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