（光学工程专业论文）si衬底gan基led器件结构设计及有源区内电流分布的研究.pdf

中山大学博士研究生学位论文 论文题目：s i 衬底g a n 基l e d 器件结构设计及有源区内电流分布的研 究 专业：光学工程 博士生：卫静婷 指导教师：王钢教授 摘要 g a _ n 基材料及器件近年来逐渐成为人们的研究热点，尤其是g a n 基l e d 。由于大 尺寸g a n 基体材料难以制备，因此g a n 材料只能通过异质外延来获得。目前，商业化的 g a n 基l e d 所采用外延层衬底主要是蓝宝石衬底和s i c 衬底。但是蓝宝石衬底的绝缘性 以及其弱的导热性，s i c 衬底的高昂价格，都限制了g a n 基l e d 的进一步发展。与这两 种衬底材料相比，s i 衬底具有低价格、生长工艺成熟、良好的导热导电性能等优点，而 且成熟的s i 电子器件集成工艺也促使其成为在同一芯片上实现光电集成的焦点。因此 s i 衬底g a n 基l e d 的研究具有重要的学术意义和产业价值。 大功率l e d 芯片的性能一直面临着电流堆积效应产生的影响，电流局部堆积导致 芯片开启电压过高、出光不均匀、芯片内部发热不均匀、有源层内非辐射复合增加、内 量子效应下降。 本论文就是在这种背景下开始展开，围绕s i 衬底g a n 基l e d 器件结构设计和电流 在有源区内的扩展，主要完成了以下几方面的工作： 1 、针对长久以来s i 衬底g a n 基l e d 居高不下的工作电压和串联电阻，我们提出了 一种通孔型s i 衬底g a n 基l e d 器件结构。通孔的制作工艺过程为：利用i c p 刻蚀出n - g a n 层，然后再将裸露出的n g a n 部分刻蚀至s i 衬底，在通孔内沉积金属连接n g a n 层和 s i 衬底，短路缓冲层a 1 n 和s i 衬底之间存在的带阶。通过这一技术，有效降低了s i 衬底g a n 基l e d 垂直结构的工作电压和串联电阻。实验结果表明，与传统s i 衬底垂直 结构g a n 基l e d 相比，尺寸为3 0 0 岬x 3 0 0i t m 的l e d 芯片的工作电压( 2 0m a ) 和 串联电阻分别由4 4v 、2 6q 降至4 0v 、2 2 5q 。尺寸为lm m x lm m 的l e d 芯片的 s i 衬底g a n 基l e d 器件结构设计及有源区内电流分布的研究 工作电压( 3 5 0m a ) 的串联电阻也分别由6 7 4v 、1 0 1q 降至5 8 3v 、8 0q 。相应 的，输出光的相对强度也得到了提高。 2 、通过优化电极几何形状来改善l e d 器件的i v 性能，实验结果表明，对于不同 的l e d 器件结构，达到最佳性能所采用的电极形状不同。无论通孔型还是传统型l e d 芯 片，对于采用同侧电极的l e d 来讲，电极形状为插指结构的l e d 芯片的i - v 性能较好， 且插指数目越多，其工作电压和串联电阻越低。而对于采用垂直电极的l e d 来讲，电极 形状为“米 字形的传统l e d 芯片的i - v 性能最好，电极形状为插指状的通孔型l e d 芯 片的i - v 性能最好。 3 、结合文献已报道的分析电流在绝缘衬底或金属衬底g a n 基l e d 有源区内分布 情况的2 d 电路模型，建立3 d 电路模型，分析不同电极形状对蓝宝石衬底g a n 基l e d 有源区内的电流分布的影响，并且分析了电流扩展均匀性与l e d 的光输出饱和速率之 间的关系。 4 、提出了一种新的3 d 电路模型，用于分析硅衬底g a n 基l e d 有源区内的电流分 布情况。利用此模型，本文分析了在通孔型垂直结构s i 衬底l e d 和传统垂直结构s i 衬底l e d 内注入不同电流值时，电流在其有源区内的分布情况。同时，还分析了不同 电极形状对电流分布的影响。理论与实验进行对比，两者具有高度一致性。 关键词：s i 衬底；g a 8 基l e d ；电流分布 中山大学博士研究生学位论文 t i t l e ：s t u d yo nd e v i c ed e s i g no fg a n b a s e dl i g h t - e m i t t i n gd i o d e sa n d c u r r e n ts p r e a d i n gi na c t i v el a y e r m a jo r ：o p t i c a le n g i n e e r n a m e ：j i n g t i n gw e i s u p e r v i s o r ：p r o f g a n gw a n g a b s t r a c t g a nm a t e r i a lh a sb e e ne x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e df o re l e c t r o n i ca n do p t o e l e c t r o n i c a p p l i c a t i o n , e s p e c i a l l yf o rg a nl i g h te m i t t i n gd i o d e s ( l e d ) i ti su s u a l l yo b t a i n e db y h e t e r o e p i t a x ys i n c et h eg r o w t ho fb u l l ( g a ns i n g l ec r y s t a lw i t hl a r g es c a l ei sd i f f i c u l tt o r e a l i z e t h et w oc o m m o ns u b s t r a t eu s e df o re p i t a x i a lg r o w t ho fc o m m e r c i a lg a n b a s e dl e d a r es a p p l l i r ea n ds i c h o w e v e r ，t h ef a c tt h a ts a p p h i r es u b s t r a t ew i t hb a dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y i si n s u l a t i n ga n ds i ci se x p e n s i v eh i n d e r st h ep r o m o t i n gd e v e l o p m e n to fg a n - b a s e dl e d c o m p a r e dw i t ha f o r e s a i dt w os u b s t r a t e s ，s i l i c o na st h es u b s t r a t ef o rg a n b a s e dl e dg r o w t h h a sa t t r a c t e dm a n yr e s e a r c hg r o u p sf o ri t sl o wc o s t ，l a r g es i z e ，i n t e g r a t i o np o t e n t i a lw i t h e l e c t r o n i cd e v i c e s a n db e t t e rt h e r m a la n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y t 1 1 ep e r f o r m a n c eo fh i 曲p o w e rl e d c h i pi ss e r i o u s l ya f f e c t e db yc u r r e n tc r o w i n gw h i c h c a nr e s u l ti nh i g hw o r k i n gv o l t a g e ，n o n u n i f o r ml i g h td i s t r i b u t i o n , n o n u n i f o r mh e a tg e n e r a t i o n , i n c r e a s eo f n o n r a d i a t i v er e c o m b i n a t i o i la n dd e c r e a s eo fi n t e m a lq u a n t u me m c i e n c y u n d e rt h eb a c k g r o u n da b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o np a y sa t t e n t i o nt ot h es t u d yo nd e v i c e d e s i g no fg a n b a s e dl e d o ns is u b s t r a t ea n dc u r r e n ts p r e a d i n gi nt h ea c t i v el a y e r t l 硷m a i n c o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w i n g s 1 i no r d e rt os o l v et h el o n g - s t a n d i n g p r o b l e mo fh i g ho p e r a t i n gv o l t a g ea n ds e r i e sr e s i s t a n c e o ft h ev e r t i c a lc o n d u c t i n gg a n b a s e dl e do ns i l i c o ns u b s t r a t e an o v e lv e r t i c a l g a n - b a s e dl e ds t r u c t u r eo ns is u b s t r a t ew i t ht h r o u g h - h o l ei sp r o p o s e d i nt h es t r u c t u r e t h et h r o u g h - h o l ei sf o r m e db yd r ye t c h i n g 疳o mt h ee x p o s e dn - g a nt os is u b s t r a t e m e t a l s c o n n e c t i n gn - g a nl a y e ra n ds is u b s t r a t ea r ef i l l e d i nt h eh o l e st os h o r t e nt h es e r i e s r e s i s t a n c ei n d u c e db yt h el a r g eb a n do f f s e tb e t w e e na 1 na n ds i c o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a lv e r t i c a lc o n d u c t i n gl e ds t r u c t u r e ，t h es e r i e sr e s i s t a n c ea n dt h eo p e r a t i n g v o l t a g eo fl e dc h i pw i t hd i m e n s i o no f3 0 0i u m x 3 0 0l a ma t2 0m a a r er e d u c e df r o m2 6q t o2 2 5qa n d4 4vt o4 0v ，r e s p e c t i v e l y t h es e r i e sr e s i s t a n c ea n do p e r a t i n gv o l t a g eo f l e d c h i pw i t hd i m e n s i o no fl m m l m m a t3 5 0m aa r er e d u c e d1 0 1qt 08 oq a n d6 7 4 vt 05 8 3v ，n l el i g h to u t p u ti n t e n s i t yi sa l s oi m p r o v e d i i i si 衬底g a n 基l e d 器件结构设计及有源区内电流分布的研究 2 t h e p e r f o r m a n c eo f g a n b a s e dl e di si m p r o v e db yo p t i m i z i n gt h ee l e c t r o d ep a t t e r n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n te l e c t r o d ep a t t e r ni ss u i t a b l ef o rd i f f e r e n tl e d s t r u c t u r et oa c h i e v et h eh e s tp e r f o r m a n c e n om a t t e rt h r o u g h - h o l eo rc o n v e n t i o n a ll e d s t m c t u r e l e dc h i pw i t hi n t e r d i g i t a t e de l e c t r o d ep a t t e r ns h o w st h eb e t t e ri v c h a r a c t e r i s t i ct h a nt h o s ew i t ho t h e re l e c t r o d ep a t t e r nw h e nt e s t e dl a t e r a l l y h o w e v e r ， c o n v e n t i o n a ll e dc h i pw i t hp i n w h e e le l e c t r o d ep a t t e r ns h o w st h eb e t t e ri vc h a r a c t e r i s t i c t h a nt h o s ew i t ho t h e re l e c t r o d ep a t t e r nw h e nt e s t e dv e r t i c a l l y , w h i l et h r o u g h - h o l el e d c h i pw i t hi n t e r d i g i t a t e de l e c t r o d ep a t t e r ns h o w st h eb e t t e ri vc h a r a c t e r i s t i c 3 c o m b i n i n gt h e2 dc i r c u i tm o d e lr e p o r t e db yl i t e r a t u r e st oi n v e s t i g a t ec u r r e n ts p r e a d i n gi n t h ea c t i v el a y e ro fg a n b a s e dl e do ni n s u l a t i n go rm e t a l l i cs u b s t r a t e ，a3 dc i r c u i ti s d e v e l o p e dt oa n a l y z et h ee f r e c to ft h ee l e c t r o d ep a t t e r no nt h ec u r r e n ts p r e a d i n gi nt h e a c t i v el a y e ro fg a n - b a s e dl e dg r o w no ns a p p h i r es u b s t r a t e m o r e o v e r ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nc u r r e n t s p r e a d i n gu n i f o r m i t y a n dl i g h t o u t p u t s a t u r a t i o nv e l o c i t yi sa l s o r e s e a r c h e d 4 as p e c i a l3 dc i r c u i tm o d e li sp r o p o s e dt oa n a l y z ec u r r e n ts p r e a d i n gi nt h ea c t i v el a y e ro f g a n - b a s e dl e dg r o w no ns is u b s t r a t e b yn s m gt h i sm o d e l , c u r r e n ts p r e a d i n g d i s t r i b u t i o na td i f f e r e n ti n j e c t i o nc u r r e n ti nt h et h r o u g h - h o l el e da n dc o n v e n t i o n a ll e d o ns is u b s t r a t ei sr e s e a r c h m o r e o v e r ，t h ee f f e c to fe l e c t r o d ep a t t e r no nt h ec u r r e n t s p r e a d i n gi nt h ea c t i v el a y e ro fg a n b a s e dl e dg r o w no ns is u b s t r a t ei ss t u d i e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wag o o da g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t s k e yw o r d s ：s is u b s t r a t e ；g a n b a s e dl i g h t - e m i t t i n gd i o d e s ；c u r r e n ts p r e a d i n g i v 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：卫替咕 日期：加尸年莎月8 日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。 学位论文作者签名：卫诹亏导师签名： 日期：沙f 口年6 月3 日 日期：z o p 年莎月g 日 中山大学博士研究生学位论文 中山大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“中山大学硕士、博士( 硕士) 学位论文版权 使用规定”，同意中山大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文酶复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中山大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名：磁 丝坐 一年月日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指 导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院， 受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表 论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面 许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承 担。 学位论文作者签名：卫看蚕畸 日期：加如年占月譬日 中山大学博士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 在各个学科的发展史中，材料自始至终都起着决定性的作用，半导体材料亦是如此。 上世纪四十年代末，以s i 、g e 为代表的第一代半导体材料的诞生，促进了半导体晶体 管的发明及硅基集成电路的研制成功，引发了电子工业革命。紧随其后，上世纪6 0 年 代，以g a a s 、i n p 、i n a s 及其固溶体等为代表的第二代半导体材料开始进入人们的研究 视野，随后的三十年中，高速、高频、大功率以及发光电子器件逐渐迅猛发展，且被广 泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信等领域。但是，由于s i 是间接带隙的半导体材 料，g a a s 的禁带宽度窄等缺陷的存在，这些一、二代半导体材料并未能涉入全光显色 的短波长发光器件、高密度信息存储器、高温高频晶体管等的领域。以g a n 、s i c 等宽 禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料的出现弥补了这一憾事。与第一代和第二代 半导体材料相比，第三代半导体材料的禁带宽度大，介电常数小，耐高温、导热性能好、 电子漂移饱和速率高。这些优良特性使他们非常适合被用于制作高频、抗辐射、大功率 和高密度集成的电子器件。而且以g a n 为代表的i i i 族氮化物的能带结构为直接带隙。 g a n 材料的禁带宽度为3 4e v ，可以和i n n ( 禁带宽度为0 7e v ) 、a 1 n ( 禁带宽度为 6 2e v ) 组成三元或者四元固溶体合金体系，其对应的直接带隙波长覆盖了从红光到紫 外的区域，可被用于制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。g a n 材料也因此 受到了国内外众多学者的青睐，尤其是进入上世纪九十年代后，g a n 材料及其器件得到 了突破性发展。在发光器件方面，1 9 9 1 年，n i c h i a 公司的n a k a m u r a 等人，研制成功了 掺m g 的同质结g a n 蓝光l e d ；1 9 9 3 年，该公司率先研制成功了发光亮度超过1c d 的高亮度g a l n n a i g a n 异质结蓝光l e d ，注入电流为2 0m a 时的光输出功率达到1 - 5 m w ，外量子效率高达2 7 髓1 ，该产品被成功用于商业化；同年，该小组又将蓝光l e d 的发光亮度提高到2c d 。1 9 9 5 年，该小组又成功研制出亮度为1 2c d 的单量子阱g a n 绿光l e d ，光输出功率达到3m w ，峰值波长为5 2 0n l t l 口1 ；1 9 9 6 年，该小组第一次成功 研制出了i n g a n 多量子阱蓝紫光激光二极管h 1 ；1 9 9 9 年，该小组所在的r i c h i a 公司开 始商业化生产i n g a n 紫光激光器，其在室温下的工作寿命长达1 0 ，0 0 0 小时。在紫外探 测器方面，1 9 9 8 年，a p a 光学公司第一个推出了商品化的g a n 基紫外探测器嵋1 ，同传 s i 衬底g a n 基l e d 器件结构设计及有源区内电流分布的研究 统的s i 探测器相比较，g a n 基探测器在可见光范围内的工作效率更高，且耐高温，可 在3 0 0 的环境下中作。在电子器件方面，1 9 9 3 年，k h a n 等人成功研制出了金属半 导体场效应晶体管( m e s f e f t ) 阻1 ；1 9 9 5 年，该小组又制作出了g a n a i g a n 异质结场效 应晶体管( f e t ) 。这些电子器件的成功研制对汽车电子、开关电源等领域有重要的应用 价值。 第三代半导体材料所具有的独特的物理性质和化学性质，使其在光电子学和微电子 学领域内具有广泛的应用前景，尤其是在半导体照明方面，已经引起各国的重视。如美 国“国家半导体照明计划 、日本的“2 l 世纪光计划”、欧盟的“彩虹计划 等。我国 政府在2 0 0 3 年6 月也启动了国家半导体照明工程，半导体照明产业化技术开发作为国 家“十五 科技攻关重大项目正式立项，加强了对关键技术攻关，应用技术开发和推进 产业化方面的支持。因此，对g a n 基l e d 的继续深入研究仍是众多科研工作者面临的 一项长期而又艰巨的任务。 1 2g a n 材料的基本性质 1 2 1g a n 材料的基本结构和物理化学性质 g a n 是直接带隙半导体材料，其在常温下不溶于水，耐酸碱，在热碱性溶液中可被 缓慢腐蚀，质量较差的g a n 材料能够较快得被n a o h 、h 3 p 0 4 、h 2 s 0 4 等腐蚀，用这些 腐蚀液腐蚀质量差的g a n 材料可以有效地分析g a n 薄膜中的缺陷及缺陷密度。g a n 材 料有三种晶体结构：六方对称的纤锌矿结构( q 相) 、立方对称的闪锌矿结构( b 相) 、以 及n a c l 结构，如图1 1 所示。通常情况下，我们只能观察到纤锌矿和闪锌矿这两种结 构。而这两种结构的主要区别在于其原子的堆积顺序不同，纤锌矿沿c 轴方向的原子堆 积方式为a b a b a b ，闪锌矿结构沿 方向的原子堆积方式为a b c a b c t 。7 1 。即：纤锌 矿结构由两套六方密堆积结构沿c 轴方向平移5 c 8 套构而成，而闪锌矿则有两套面心 立方结构沿对角线方向平移1 4 对角线长度套构而成。这两种结构大体相同，两者最近 邻原子相同，仅次近邻原子不同而已。因此，这两种结构同中存异，其特性对比见表1 。 纤锌矿结构是热力学稳态结构，而闪锌矿结构是亚稳态结构。由于衬底材料和衬底晶向 以及生长温度都会影响到外延层的晶体结构，因此，一般在蓝宝石、s i ( 1 1 1 ) 、6 h s i c 等衬底上生长获得的g a n 为纤锌矿结构，而在s i ( 0 0 1 ) 、o a a s ( 0 0 1 ) 、3 c s i c 等衬底上 生长的g a n 为闪锌矿结构，生长温度低于8 0 0 时的g a n 外延层一般为闪锌矿结构， 而高于1 0 0 0 的外延层多为纤锌矿结构喁1 。 中山大学博士研究生学位论文 a a ( a )( b )( c ) 图1 1g a n 材料的三种晶体结构：( a ) 纤锌矿结构；( b ) n 锌矿结构；( c ) n a c l 结构 表1 - 1 纤锌矿g a n 和闪锌矿g a n 的基本参数( t = 3 0 0 k ) 纤锌矿g a n闪锌矿g a n 晶格常数( r i m ) a = 0 3 1 8 9c - - - 0 5 1 8 60 4 5 2 带隙能量e g ( e v ) 3 3 9 3 2 0 带隙温度系数 ( e v k ) d e 水1 已6 0 e - 4 热导率k 1 3 ( w c m k ) 热膨胀系数 o r = 5 5 9 e 1 6 = 3 7 e - 6 静态的介电常数 8 99 7 高频的介电常数 5 3 55 3 击穿电场 5 e 65 e 6 ( v c m - 1 ) 熔点( ) 2 5 0 02 5 0 0 电子迁移率 1 0 0 01 0 0 0 ( c m 2 v 1 s - i ) 空穴迁移率 2 0 0 3 5 0 ( c m 2 、厂1 s - 1 ) 1 2 2g a q 材料的电学性质 很多研究小组已经竞相对非故意掺杂g a n 材料的电学性质进行了研究【。但是各 个研究小组得出的结论却不尽相同，这与晶体质量及晶体纯度相关。n a k a m l 啪【1 0 】在室温 测得载流子电子浓度为力= 4 e 1 6 c m 3 ，其迁移率为6 0 0c m 2 跆，在液氮温度下测得 一3 一 s i 衬底g a n 基l e d 器件结构设计及有源区内电流分布的研究 电子浓度为丹= 8 e 1 5 c m 3 ，其迁移率为1 5 0 0c m 2 v s 。i l e g e m s 等人】在1 0 到9 0 0 k 温度范围内测试了g a n 材料的电学性质，电子浓度为行= 3 e 1 7 c m 3 ，室温下，其迁移 率为3 0 0c m 2 v s ，温度为1 5 0k 时，电子迁移率最大，达到8 0 0c m 2 冶，温度为 9 0 0k 时，电子迁移率降至2 5c m 2 v s ，在3 0 0 , - 0 0 0k 的温度范围内，迁移率随温度r 2 变化。 1 2 3g a n 材料的光学性质 g a n 材料可用于制各蓝色或紫外发光器件的特殊性，吸引了众多研究小组致力于研 究它的光学性质。m a r u s k a 和t i e t j e n t l 2 】最先精确地测量出g a n 材料的直接带隙宽度为 3 3 9e v 。不久，p a n k o v e 等人【b 】报道了低温( 1 6k ) g a np l 光谱。测试结果显示出一 个强的带间发射峰出现在3 4 7 7e v ，另外还有一个弱的峰在3 3 7e v 处，当温度降到3 5 k 时，该峰分解为两个间距为1 0m e v 的双峰。随后，d i n g l e 等人 1 4 - 1 6 】详细地分析了高 质量g a n 在低温( 2k ) 条件下的光谱，偏振反射测量观察到3 种能量激子，分别为 3 4 7 4 0 0 0 2e v ，3 4 8 + 0 0 0 2e v ，3 4 9 0 0 1e v 。同时，一些小组还研究了温度同 g a n 禁带宽度之间的关系，p a n k o v e 等人测试出带宽与温度系数关系式： 扭，刀：一6 0 x 1 0 。e v k 。m o n e m a r 等人【1 7 】测试出温度为1 6k 时的基本带宽为 3 5 0 3 o 0 0 5e v ，并得出温度与带宽之间的经典关系式 乓= 3 5 0 3 + ( 5 0 8 x1 0 4 t 2 ) ( 丁一9 9 6 ) p 玑 1 36 a n 材料的发展历史与应用 1 3 1g a n 材料的发展 g a n 材料的研究始于上世纪3 0 年代，于1 9 3 2 年由j o h n s o n n 鄙等人合成，该小组将 g a 与n h 3 在6 0 0 9 0 0 的温度范围内进行加热，使之反应，获得了针状g a n 材料。但 是g a n 得到真正的发展，是在上世纪六十年代后期。1 9 6 9 年，m a r u s k a 和t i e t i e n 1 9 】首先 利用化学气相沉积( c v d ) 技术在蓝宝石衬底上制备了g a n 的单晶外延薄膜。但是早期的 这些样品，由于背景掺杂的原因，其n 型载流子浓度很大。究其原因，有些研究学者认 为，n 空位或者其他杂质诸如o 原子和s i 原子等，都可作为施主杂质存在【2 0 1 。尽管如 此，目前，各个研究小组对造成g a n 材料背景1 1 型载流子浓度高的原因尚且未达到一 致性。但是，大面积的g a n 单晶材料的成功生长，进一步推动了g a n 材料的研究进程。 p a n k o v e 等人对g a n 材料进行掺杂，成功制备出第一支m i s 结构的蓝色发光二极管【2 。 这一成功，大大的激发了人们对g a n 材料的研究兴趣，但是由于生长技术的缺乏，生 一4 一 中山大学博士研究生学位论文 长设备的限制，在上世纪8 0 年代前，各种方法生长获得的g a n 材料质量都比较差。直 到1 9 8 6 年，a k a s a l ( i 【2 2 】首次在蓝宝石衬底上采用a i n 作缓冲层，高质量g a n 材料的获得 才得以突破瓶颈。虽然g a n 的晶体质量得到了提高，但是其背景n 型载流子浓度高达 5 e 1 9c r n - 3 。如何将g a n 材料p 型化仍是g a n 材料发展史上的一个碍脚石。a m a n o t 2 习 等人用m o v p e 的方法对g a n 进行掺m g ，对其进行阴极荧光研究，采用低能电子束照 射( l e e b i ) ，发现由电子束照射过的g a n 发光效率增加了两个数量级，同时实现了p 型 电导。接着，该小组制作出了世界上第一支g a n 基p n 结发光二极管。a m a n o 认为，1 6 0 m e v 的激活能量使m g 成为受主杂质【2 4 1 。v e c h t e n 等人认为，m g 掺杂的g a n 材料中形 成了m g h 络合物，由于h 原子的存在，钝化了受主杂质m g 【2 5 1 。而电子束的辐射，恰 恰是将h 原子从m g h 络合物中分离出来并扩散出去，进而使g a n 材料得到p 型化暖钔。 随后，n a k a m u r a l 2 6 】采用g a n 和a l g a n 作缓冲层，进一步得到了更好的晶体质量，制造 出了为其奠定g a n 产业应用鼻祖地位的第一支g a n 发光二极管【l l 。并且，他发现， 7 0 0 8 0 0 的热退火同样可以激活m g 受主能级，将其解释为m g 掺杂的g a n 样品中， m g 的受主能级被h 原子钝化，而热退火就是破坏m h 键，激活m g 原子【2 7 1 。至此之后， g a n 基器件的制作开始畅通无阻，接下来的几年，n a k a m u r a 及其所在的小组在氮化物 领域内一直保持领先优势。 1 3 2g a n 材料外延衬底的选择 目前由于还不能够生长出大尺寸的g a n 单晶体材料，现阶段g a n 外延薄膜生长通 常是在异质衬底材料上实现。异质生长通常会引入的问题有：g a n 外延层与衬底之间存 在大的晶格失配，导致g a n 薄膜产生高缺陷密度和机械应变；g a n 外延层与衬底之间 的热膨胀系数失配会使g a n 外延层在退火时产生应变，导致g a n 外延层表面弯曲甚至 产生龟裂等。在选择g a n 外延衬底时通常要考虑以下因素：1 晶格相配；2 热膨胀系 数相近；3 材料的价格；4 尽量采用同系列衬底材料。到目前为止，用于制作g a n 基 l e d 的衬底材料主要有：蓝宝石、s i c 和s i 等。它们与g a n 材料的各种参数失配度比 较如表卜2 所示啪1 。 s i 衬底g a n 基l e d 器件结构设计及有源区内电流分布的研究 表1 2g a n 材料与常用外延衬底的参数对比 材料 a ( a )“a ) 热导率热膨胀系数晶格失配热失配 ( w e r a k ) o0 - 6 k 。1 ) g a n s u b s t r a t eg a n s u b s t r a t e 0 0 0 ) ( 1 0 0 ) g a n3 1 8 95 1 8 51 35 5 9 a l n3 1 l4 9 82 8 54 22 42 5 s i ( 1 1 1 1 5 4 3 01 1 52 5 91 6 95 4 6 h s i c3 0 8 01 5 1 23 0 3 8 4 23 5 2 5 s a p p h i r e 4 7 5 8 1 2 9 9 1o 57 51 6 3 4 下面仅对目前常用的三种衬底材料进行优劣势对比。 蓝宝石：蓝宝石衬底材料是目前广泛应用于g a n 外延生长的一种衬底材料，它具 有透明、热稳定性好、机械稳定性高、易于清洗和处理等优点。目前已经可以在蓝宝石 上生长出高质量的g a n 材料乜铂。但蓝宝石衬底材料也具有许多缺点例：g a n 材料与蓝 宝石的晶格失配率达1 6 ，会引入很高的缺陷态密度( 约1 e - 1 0c l - 1 1 2 ) ，这样会导致g a n 外延中的载流子的迁移率下降，少数载流子的寿命缩短等不良后果；由于蓝宝石的热膨 胀系数比g a n 高，当外延层材料在生长降温过程中，较厚的薄膜会产生龟裂；蓝宝石 衬底是绝缘体，不具有导电性，不能作为电极，在制作g a n 基l e d 时只能做成同侧电 极的形式，这种电极不仅增加了芯片的制作工艺的复杂程度也减少了有源层的发光面 积；蓝宝石的硬度非常高，仅次于金刚石，但是在l e d 器件的制作过程中需要对其进 行减薄和切割，而完成减薄和切割的工艺设备的添置及维护费用又提高了l e d 器件制 作成本。 s i c ：与蓝宝石衬底相比，s i c 衬底材料与g a n 外延的晶格失配度较小( 约3 5 ) ， 热失配度也小( 约2 5 ) ，且具有良好的导电性能，因此g a n 基l e d 可以做成上下电极 的结构，减少了器件的制作成本与难度，容易解理，是一种很理想的衬底嘲。其外延生 长获得的g a n 薄膜中的应力小于蓝宝石衬底外延生长获得的g a n 薄膜的应力。但是s i c 与g a n 之间的浸润性很差，在生长g a n 之前要插入层a i n 来增加这两者之间的浸润 中山大学博七研究生学位论文 度呦1 。另外，s i c 衬底的制备技术被美国的c r e e 公司所垄断，价格非常昂贵，无法普遍 使用。 s i ：g a n 材料用s i 衬底材料的优点非常明显：材料丰富，价格低廉，且大尺寸的 单晶s i 的制备技术已相当成熟；s i 有很好电学与热学特性，且g a n 基l e d 可以做成上 下电极结构，不仅可减少器件的制备工艺，还不必减少芯片的出光面积；目前的电子器 件大多是硅集成器件，如果制备出高性能的g a n 基s i 衬底光电子器件就有可能实现光 电子器件与电子器件的集成； 1 1 - 2 面的g a n 与 - 1 1 0 面的s i 有相同的解理方面，在 制作g a n 基激光器时可以得到解理腔。但是g a n 基l e d 用s i 作衬底材料会遇到许多 问题：g a n 外延层与衬底s i 之间存在巨大的品格失配( 约1 6 9 ) 和热失配( 约5 4 ) ，从 而使g a n 外延层存在大量的位错甚至出现龟裂汹1 ；s i 衬底趋于形成无定型的s i n ，这非 常不利于g a n 外延薄膜的生长汹1 ；s i 材料禁带宽度小，对于g a n 基l e d 的发光波段 吸光严重，将影响出光效率。 综上所述，根据各种衬底材料对外延生长g a n 材料的利弊分析，目前，已用于商 业化生产外延片的衬底有蓝宝石衬底和s i c 衬底，而将s i 衬底用于商业化外延生长g a n 材料仍是本领域中极其渴望实现的一件事情。 1 3 3g a n 材料的应用 1 3 3 1 光电子器件 近年来，蓝色l e d 是第一个进入市场的氮化物器件 3 0 】。自此，随着g a n 材料以及 m q w 设计的不断改进，u v 、蓝光、绿光l e d 的外量子效率都达到了提高。通过简单 控制m q w 中的i n g a n 成分，l e d 的发射波长从紫外光延伸至橙色1 3 0 。因此，l e d 可 被广泛应用于大屏幕显示、交通信号灯等等。由于l e d 的节能效应及其良好的可靠性， 在未来几年，白炽灯将会被白光l e d 所取代。目前，白光l e d 已经进入市场。形成白 光l e d 有三种方法，一种是将红、绿、蓝三基色l e d 组合，构成白光；另一种方法则 是在蓝光l e d 芯片上涂覆荧光粉，激发荧光粉发光，并与l e d 芯片本身发出的光叠加 在一起在人眼内呈现出白光；再者，就是在u vl e d 芯片上涂覆三色荧光粉，激发荧光 粉发出三色光形成白光。2 0 0 5 年9 月，c r e e 公司宣布其开发的白光x l a m p 7 0 9 0 功率型 l e d 在3 5 0m a 电流下最大光通量为8 61 l l l ，光电转换效率达到7 0l r n w 。2 0 0 6 年6 月， n i c h i a 公司开发出光电转换效率达到1 0 0l m w 的白光l e d 。 在l e d 得到飞速发展的同时，l d 的研究也不甘落后。1 9 9 5 年，a k a s a k i 首次报道 了g a l n n g a nq w 器件在室温下电注入后出现受激辐射【3 l 】，尽管该器件寿命短暂，但 还是激起了人们对实现l d 的强烈愿望。1 9 9 6 年，准连续运转的l d 问世【4 1 。已有报道 - 7 一 s i 衬底g a n 基l e d 器件结构设计及有源区内电流分布的研究 指出，在室温下，l d 的工作时间可超过1 0 ，0 0 0 小时【3 2 】。目前，l d 也已被商业化应用， 最广泛的应用领域为激光打印、投影、光盘存储器等。与传统的红光或者红外激光读头 相比，采用蓝光或紫外激光器作为读头的光存储器，其存储量得到了巨大的提高，存储 量由原来的4 7g b 提高到了2 7g b 。 同时，g a n 材料还被应用于探测器件的研制中。g a n 紫外探测器克服了s i 探测器 在紫外波段探测效率低、绿光系统复杂等弱点，特别是用a i g a n 材料制成的日盲紫外 探测器已被应用于国防领域【3 3 l 。而g a n 高质量材料给探测器的进一步发展奠定了坚实 的基础。 1 3 3 2 高频电子器件 g a n 材料为宽禁带直接带隙半导体材料，其具有电子漂移速率高，介电常数小，击 穿电压高的特点，非常适用于制作频率高达1 0g h z 或以上的高频电子器件【3 4 3 5 1 ，在卫 星通信