（光学工程专业论文）高性能gan基白光led器件研制及关键技术研究.pdf

高性能g a n 基白光l e d 器件研制及关键技术研究 专业：光学工程 博士生：范冰丰 指导教师：王钢教授 摘要 1 9 9 4 年，日本日亚公司的s n a k a m u r a 提出了g a n 蓝光l e d 的发明技术，1 9 9 6 年， 日亚公司利用g a n 蓝光l e d 激发y a g 荧光粉获得白光成分。这种白光l e d 技术拥有 省电、节能环保等优势，并且潜在巨大的市场前景，吸引了产业界和学术界极大关注， 它被誉为第四代照明光源，引发了一场光源革命。短短十余年间，半导体照明技术日新 月异，逐年提高的流明效率使得l e d 拥有更多的应用领域，l e d 已经从传统的指示灯 逐步走向了背光、照明、显示等应用领域。白光l e d 技术中最核心的是芯片技术，为 了满足高光通量的需求，人们采用各种手段来提高l e d 的内量子效率和萃取效率，其 中m q w 结构和工艺的优化是提高l e d 内量子效率的主要途径，而采用图形蓝宝石衬 底技术制备l e d 是获得高萃取效率l e d 的一种有效手段。另外，高电流密度下的l e d 芯片遇到的热问题越来越严重，对白光l e d 从芯片到封装层面的热管理技术提出了更 高的要求。 本文采用t o m a ss w a nm o c v d 系统，在图形蓝宝石衬底上制备高质量l e d 器件， 通过结构设计和优化工艺，我们获得了能够达到产业化水平的l e d 器件。同时，我们 对白光l e d 从芯片到封装层面的热管理技术进行系统研究，提出了一种热隔离封装结 构。全文获得了如下创新和有意义的结果： 1 通过控制生长模式和优化生长工艺，在圆锥形蓝宝石图形衬底( c s p s s ) e 采用低 温缓冲层技术制备了2 6l a i n 厚表面光滑的g a n 基板，并解释了图形蓝宝石衬底上的生 长机理。x r d 测试结果显示，g a n 基板( 0 0 2 ) 与( 1 0 2 ) 摇摆曲线( r o c k i n gc u r v e ) 衍射峰的 半峰宽值( f w h m ) 分别达到了1 9 3 ”和1 9 5 ”；s e m 测试结果表明，g a n 材料与衬底界面 结合紧密，无孔洞。 中山大学博士学位论文 2 在c s p s s 衬底上生长了完整的l e d 结构并制作成器件，其发光效率比平面蓝宝 石衬底上制备的l e d 提升了1 0 9 ，并且器件漏电流小于o 1 衅。 3 采用高低温生长方法制备m q w ，通过改善阱垒的过渡和调节m q w 的阱垒宽度， 对m q w 结构和生长工艺进行优化，优化后未切片的器件测试结果表明其发光波长在 4 5 0 4 7 0n l l l 之间，波长半波宽f w h m 为2 0n l n ，中心发光强度大于8 0 0m c d ，各项光电 参数达到实用水平。 4 在m q w 前引入低组分的n i n g a n 应力释放层结构，研究了n - i n g a n 插入层生长 条件和厚度对l e d 器件性能的影响，优化生长参数后的n - i n g a n 结构使得l e d 器件光 效提升1 9 。 5 利用有限元软件建立了白光l e d 从芯片到系统的热模型，并结合红外测温技术， 分析了封装材料、封装方式以及缺陷对白光l e d 热阻以及温差分布的影响。然后对l e d 芯片采用倒装焊( f l i p c l l i p ) 封装方式的焊点失效进行系统分析，并提出焊点设计的优化方 案。 6 分析了白光l e d 中荧光粉与芯片的热相互作用，提出了一种热隔离封装结构。 热隔离封装方式在注入电流从5 0m a 增加到8 0 0m a 时，色温仅变化2 5 3k ，光色稳定 性大大优于传统结构，并且它能够在更高的饱和电流下驱动。光色性能的改善得益于热 隔离封装结构降低了荧光粉的温度，提高了荧光粉的转化效率。 7 提出了一种基于热隔离封装方式的荧光粉覆膜方法，该方法能够通过l e d 具体 出光分布优化荧光粉膜层形状，避免了传统荧光粉点胶工艺中光色不均匀的现象，并且 简单实用，能够用于工业化生产。 关键词：c s p s s 衬底；m q w ；热管理技术；热隔离结构 d e v i c ef a b r i c a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c eg a nw h i t el e da n d k e yt e c h n o l o g i e ss t u d y m a jo r ：o p t i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：f a n b i n g f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg a n gw a n g a b s t r a c t i n19 9 4 ，s n a k a m u r ai nn i c h i ac o r p o r a t i o no fj a p a np r o p o s e dt h ei n v e n t i o no fg a nb l u e l e dt e c h n o l o g y i n19 9 6 ，n i c h i ac o r p o r a t i o ng o tt h ew h i t el i g h tl e db yc o m b i n i n gt h eg a n b l u el e d 研mt h ey a gp h o s p h o rc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y w h i t el i g h t i n gl e dt e c h n o l o g y h a st h ea d v a n t a g e so fe n e r g ys a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ne ta 1 ，a n di t sh u g e p r o m i s i n gm a r k e th a sa t t r a c t e dg r e a ta t t e n t i o ni ni n d u s t r y a n da c a d e m i a w h i t el e di s c o n s i d e r e da st h ef o u r t h g e n e r a t i o nl i g h ts o l i c e ，a n dw i l ll e a dt oal i g h ts o u r c er e v o l u t i o n j u s to v e rt h ep a s tt e ny e a r s ，t h es o l i d - s t a t el i g h t i n g ( s s l ) c h a n g e dr a p i d l y ，a n dt h ei m p r o v i n g l u m i n o u se f f i c i e n c yo fl e de x p a n d e di t sa p p l i c a t i o nr e g i o nf r o mt r a d i t i o n a li n d i c m o r a p p l i c a t i o nt ob a c k l i g h ts o u r c e ，s o l i d s t a t el i g h t i n ga n dd i s p l a ya p p l i c a t i o n s ，e ta 1 t h ec o r e t e c h n o l o g yi nw h i t el e dt e c h n o l o g yi st h ec h i pt e c h n o l o g y i no r d e rt om e e tt h en e e d so f l l i g hl u m i n o u sf l u x ，v a r i o u sm e a n sw e r ea d o p t e dt oi m p r o v et h ei n t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y a n dl e de x t r a c t i o ne f f i c i e n c y ，a m o n gw h i c ht h em q ws t r u c t u r ea n dp r o c e s so p t i m i z a t i o n a l et h em a i nw a yo fi m p r o v i n gt h ei n t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c yo fl e d ，w h i l et h ep a t t e r n e d s u b s t r a t et e c h n o l o g yi sa n o t h e re f f e c t i v ew a yf o rh i g he x t r a c t i o ne f f i c i e n c y i na d d i t i o n , h i g h c u r r e n td e n s i t yo fl e dc h i pm a d et h et h e r m a lp r o b l e mw o r s ea n dt h e r m a lm a n a g e m e n tf r o m c h i pt os y s t e mn e e dt od e v e l o pt om e e th i g h e rr e q u i r e m e n t i nt h i st h e s i s ，h i 曲q u a l i t yg a n l e dd e v i c e sw e r eg r o w no np a t t e r n e ds a p p h i r es u b s t r a t e u s i n gt o m a ss w a n3 x 2m o c v ds y s t e m h i g hb r i g h tb l u ed e v i c e sw e r eo b t a i n e db y o p t i m i z i n gt h en i t r i d e sg r o w t ht e c h n o l o g ya n dw a f e rs t r u c t u r e m e a n w h i l e ，w es t u d i e dt h e t h e r m a lm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yi np o w e rl e dd e v i c e sf r o mc h i pt op a c k a g el e v e l ，a n da i l l 中山大学博士学位论文 n o v e lt h e r m a l i s o l a t i o nl e dp a c k a g i n ga l s op r e s e n t e d s o m ee n c o u r a g i n gr e s u l t sa r es h o w e d f o l l o w e d ： 1 b yc o n t r o l l i n gt h eg r o wm o d ea n do p t i m i z i n gg r o w t hp r o c e s s ，w ef a b r i c a t e dt h eg a n t e m p l a t e 、析t h2 - 6p mt h i c ka n ds m o o t hs u r f a c eg r o w no nc o n e s h a p e ds a p p h i r es u b s t r a t e ( c s p s s ) u s i n gl o wt e m p e r a t u r eb u f f e rl a y e r s t h ee x p l a n a t i o no ft h eg r o w t hm e c h a n i s mo f p s si sa l s op r o v i d e d x r dr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ef w h mv a l u eo fr o c k i n gc u r v e ( r c ) i n ( 0 0 2 ) a n d ( 1 0 2 ) p l a n eh a sr e a c h e d1 9 3 ”a n d1 9 5 ”，r e s p e c t i v e l y s e mr e s u l t sa l s os h o wt h a t , n o v o i d sw e r eo b s e r v e da tt h ei n t e r f a c eb e t w e e ng a nm a t e r i a la n dt h es u b s t r a t e 2 w ei n e d u c e dt h el e ds t r u c t u r et oc s p s ss u b s t r a t ea n df a b r i c a t e dt h el e dw a f e r i n t od e v i c e ，a n dg e ta10 9 e n h a n c e m e n ti nl u m i n o u se f f i c i e n c yc o m p a r e d 谢t ht h a tg r o w n o np l a n a rs a p p h i r es u b s t r a t e ，a n dr e v e r s el e a k a g ec u r r e n t ( 埘o fl e dd e v i c ew a sl e s st h a no 1 衅 3 t h eq u a s it w ot e m p e r a t u r em q w g r o wm e t h o dw a sa d o p t e d ，a n dw eo p t i m i z e dt h e m q ws t r u c t u r ea n dp r o c e s s ，s u c ha si m p r o v i n gt h et r a n s i t i o n a ll a y e ro fm q w a n da d j u s t i n g t h ew i d t ho fw e l la n db a r r i e r ( 0 0 4 ) x r do m e g a 2 t h e t as c a nr e s u l ts h o w e d10 - l e v e ls h a r p s a t e l l i t ed i f f r a c t i v ep e a ka f t e ro p t i m i z a t i o n t h el e dd e v i c ec h i po nw a f e r ( c o w ) r e s u l t s s h o wt h a tt h el e dd e v i c e sh a v et h ee m i s s i o nw a v e l e n g t hb e t w e e n4 5 0 , - 4 7 0n m ，a n df w h m w a s2 0n m ，c e n t r a ll u m i n o u si n t e n s i t yg r e a t e rt h a n8 0 0m c d l e dd e v i c ei n d i c a t o r sh a v e r e a c h e dt h ep r a c t i c a ll e v e l 4 l o w - m o l ei ns t r u c t u r en i n g a ni n t e r m e d i a t el a y e rw a si n t r o d u c e di nm q w s t r u c t u r e ，a n dc o m p e n s a t et h es t r e s si nt h i nl a y e r t h ei n f l u e n c eo f d e v i c ep e r f o r m a n c eu n d e r d i f f e r e n tg r o w t hc o n d i t i o na n ds t r u c t u r eo fn - i n g a nw a sa n a l y z e d t h e nt h el e ds t r u c t u r e 、析t hi n g a n i n t e r l a y e rw a s a l s oc h a r a c t e r i z e d 5 w eb u i l tt h et h e r m a lm o d e lo fw h i t el e df r o mc h i pt os y s t e mu s i n gf i n i t ee l e m e n t m e t h o d a n db yc o m b i n i n g 谢t ht h ei n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ，w e a n a l y z e dt h et h e r m a lr e s i s t a n c ea n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n s ，n a m e l y d i f f e r e n tp a c k a g i n gm a t e r i a l s ，p a c k a g e ss t r u c t u r e sa n db o n d i n gd e f e c t s t h e nw ed i s c u s s s y s t e m a t i c a l l y t h e b u m pd e f e c t si nf l i p c h i pb o n d i n gl e d ；a n dp r o p o s e dt h ed e s i g n o p t i m i z a t i o ns c h e m ei ns o l d e rd e s i g n 6 w ea n a l y s i st h et h e r m a li n t e r a c t i o nb e t w e e np h o s p h o ra n dl e dc h i p s ，a n dp r o v i d e d an o v e ll e dp a c k a g e 、椭t l lt h e r m a l i s o l a t i o ns t r u c t u r e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i s p a c k a g i n gc o n f i g u r a t i o nc a ni m p r o v et h el i g h t e m i t t i n gp o w e rp e r f o r m a n c ea n dc o l o r c h a r a c t e r i s t i c ss t a b i l i t yo ft h ew h i t el e d ，e s p e c i a l l yu n d e rh ig hc u r r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n i v 中山大学博士学位论文 t h ei m p r o v e m e n ti nc o l o rp e r f o r m a n c ew a sa t t r i b u t e dt ol o w e rp h o s p h o rt e m p e r a t u r e ，a n dt h e e n h a n c e m e n to ft h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fp h o s p h o r 7 an o v e lp h o s p h o rc o a t i n gm e t h o db a s e do nt h e r m a l i s o l a t i o np r i n c i p l ew a si n v e n t e d t h i sm e t h o dc a nd e s i g nt h ep h o s p h o rs h a p eb ya c t u a ll i g h td i s t r i b u t i o n , a n da v o i dt h el i g h t u n i f o r m i t yp h e n o m e n a i nt r a d i t i o n a lp h o s p h o rc o a t i n g t h i sm e t h o di ss i m p l ea n dp r a c t i c a b l e ， a n dc a nb eu s e df o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：p a t t e r n e ds a p p h i r es u b s t r a t e 口s s ) ；m u t i - q u a n t u mw e l l ( m q w ) ；t h e r m a l m a n a g e m e n t ；t h e r m a l i s o l a t i o n 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。除文中己经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己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，均己在文中以明 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： 荡舯汹7 m 日期：勿归年多月髟日 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：为切弋手 日期：刎d 年6 月宇日 导师签名： 日期：2 形d 年歹月髟日 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：瑾) 张辛 日期刎年夕月孑日 中山大学博士学位论文 第一章绪论弟一旱硒睨 1 1 研究背景和意义 1 9 9 4 年，日本日亚公司的s n a k a m u r a 提出了g a n 蓝光l e d 的发明技术，1 9 9 6 年， 日亚公司利用g a n 蓝光l e d 激发y a g 荧光粉获得白光成分。这种获得白光的技术拥 有省电、节能环保等优势，并且潜在巨大的市场前景，吸引了产业界和学术界极大关注， 它被誉为第四代照明光源，引发了一场光源革命。短短十余年间，半导体照明技术日新 月异，逐年提高的流明效率0 n v w ) 使得l e d 己经从传统的指示灯单一应用走向了背光、 照明、显示等应用领域。 为了迎接新光源的挑战，美国、欧盟、日本和中国都出台了相应的半导体照明计划。 美国能源部( d o e ) 通过了己逐年提高流明效率为目标的半导体照明计划，推动白光l e d 技术的迅猛发展；日本提出把半导体照明作为2 l 世纪的光照明；欧盟则通过“彩虹计 划 推广白光l e d 的应用；中国也启动了国家半导体照明工程，持续推动国内l e d 的 发展。d o e 分析并归纳了2 0 0 5 年到2 0 l o 年间，白光l e d 在实验室和商业化方面所取 得的重要成就【l 】，如图1 1 各个数据点所示，并且他们预测到2 0 2 0 年，白光l e d 的流 明效率将达到2 5 0i m w ，而传统的荧光灯只有1 0 0i m a v 的发光效率。目前，白光l e d 流明效率最好的结果是由2 0 1 0 年2 月由美国c r e e 公司创造的2 0 8l m w 。白光l e d 流 明效率的提高，也使得l e d 逐步走向通用照明领域，各国都相应的提出了逐步废除白 炽灯而采用l e d 的政策，2 0 0 9 年下半年，p h i l i p s 、p a n a s o n i e 、s h a r p 、t o s h i b a 、欧司朗 和n e c 六大l e d 制造巨头纷纷推出了各自的l e d 灯泡，已经步入通用照明应用，步 入寻常百姓家。 图l l 自光l e d 流明效率目标，实验室水平和产业化水平【l 】 中山大学博士学位论文 针对当前l e d 发展的现状，2 0 1 0 年2 月，美国能源部( d o e ) 分析了l e d 固态照明 潜在的节能优势。他们最新的研究结果表明【2 】，对于高显色指数( c r h7 6 9 0 ) 的固态照 明灯具而言，d o e 预测其光效会由目前的6 4 3l m w 提升到2 0 2 0 年的1 4 7 3l m w ，在 2 0 3 0 年这个光效值将达到1 7 6 3l m w 。而相应的价格会由现在的1 6 9 4 9 美元干流明下 降到2 0 3 0 年的5 0 3 美元千流明。而对于固态照明在节能环保上的贡献，d o e 预测， 在未来的2 0 年间，固态照明产品可节约1 4 8 8 兆瓦时的能源，相当于节约1 2 0 0 亿美元， 同时固态照明灯具可望减少2 4 6 亿吨的二氧化碳排放量。 固态照明应用领域的扩展离不开白光l e d 技术的不断革新和推进，反观白光l e d 的照明蓝图，所有白光l e d 最好的实验结果和产业化水平，都是由美、日等国外公司 完成的。作为关系国计民生的固态照明产业，其核心技术至今仍把持在国外公司的手中。 因此，我们对白光l e d 的研究是一项紧迫而重要的课题。 1 2 半导体照明技术的关键问题 l e d 固态半导体照明技术中，最核心的是l e d 的材料生长和芯片制备技术。其中 两个关键科学问题是出光和散热。 为了提高l e d 的流明效率，一方面通过生长工艺的改进和器件结构的设计，不断优 化l e dm q w 的质量和结构，提高芯片的内量子效率。同时，又通过反射衬底、衬底剥 离、引入光子晶体、表面粗化等技术手段提高芯片的萃取效率，使得更多的光从芯片里 面提取出来。 l e d 工作时，电子和空穴非辐射复合将注入的能量大部分转化为热量，对于流明效 率为1 0 0l m w 的白光l e d 而言，1 w 的电能注入中约有6 1 2 需要转化为热量，在尺 寸为lm m 2 的l e d 芯片中，其热流密度约为6 0w e m 2 ，而在3w 、5w 电能注入的情 况下，l e d 芯片的热流密度将高达2 0 0 3 0 0w e m ：，这个值远高于其它电子元件所承受 的热流密度，根据s i a l 9 9 7 的封装技术规划，微电子元件在2 0 0 6 年能达到的热流密度 值为3 lw e r a 2 。有人认为流明效率的持续提高会使更多的注入能量转化为光能，热问题 也随之缓解。即使在流明效率为2 0 0l m w 的情况下，1 w 情况下l e d 芯片的热流密度 仍有2 0w c m 2 ，而通用照明所需的高光通量使得单颗芯片注入更高的功率，随着而来的 热问题又日趋严峻。同时l e d 芯片因其尺寸小和热流密度大，散热问题尤为突出。l e d 的热量不能有效传导到外部的话，会导致器件内部结温升高，直接影响器件的性能。因 此，必须对l e d 从芯片、封装及应用层面实施有效的热管理。 1 3 本论文相关工作 本论文的安排为： 第二章为本论文用到的基本理论和背景知识，包括g a n 材料及其合金的基本结构和 性质，g a n 基l e d 的发光原理和基本生长工艺；然后对实验采用的外延生长设备 中山大学博士学位论文 m o c v d 系统以及基本的外延表征手段进行了简单描述；最后对白光l e d 的形成原理 以及白光l e d 光源的效率评价进行了叙述。 第三章主要利用m o c v d 设备在图形蓝宝石( p s s ) 衬底上制备g a n 模板，研究了图 形蓝宝石衬底上g a n 的生长机理，分析了影响p s s 衬底上g a n 成膜质量的关键因素， 并制作了p s s 衬底上l e d 器件，比较其光电参数。 第四章进行i n g a n g a nl e d 完整器件的制备和通过优化m q w 结构提高内量子效 率的措施，采取m q w 阱垒过渡的处理、阱宽垒宽的调整、以及i n g a n 插入层的引入， 提升了l e d 器件的光电性能。 第五章提出了白光l e d 从芯片到系统的热模型，利用有限元和红外测温技术，分析 了白光l e d 中封装材料、封装结构和焊面缺陷对白光l e d 热阻和温场分布的影响，并 对采用倒装焊封装方式制备的l e d 焊点失效进行分析，同时提出了焊点优化方案。 第六章主要提出了白光l e d 提升性能的措施，分析了白光l e d 中荧光粉与芯片的 热相互作用，提出了热隔离的封装结构，优化白光l e d 整体器件的性能。 第七章为全文总结。 中山大学博士学位论文 第二章基本理论 弟一早垫令埋比 本章中，我们将介绍与本论文研究内容相关的背景知识，涉及g a n 材料性质、l e d 发光理论、g a n 生长机理、材料表征技术以及白光l e d 的形成。 2 1g a n 材料性质及其l e d 器件 制备蓝光l e d 的核心材料是i i l 族氮化物，包括g a n 、i n n 、a i n 以及三元四元合 金，其中g a n 与s i c 、z n s e 和金刚石等宽禁带半导体材料在半导体产业的发展中被誉 为第三代电子材料，是目前半导体研究的前沿和热点。宽禁带半导体材料因其具有直接 带隙宽、热导率高、抗辐射能力强、化学稳定性好等性质，在光电子、高温器件、高频 器件应用方面有着广泛的前景。 在i i i 族氮化物中，可以通过调节组分使得半导体的带隙在0 7 到6 2e v 范围内变化， 适合做从紫外到可见光波段的光电子器件，如l e d 、l d 等器件。三元化合物i n g a n 可 以调节控制i n n 和g a n 的比例，使得带隙从0 7e v 连续变化到3 4e v ，基本覆盖了整 个可见光波段和部分红外波段，它是制备蓝绿光l e d 发光层的核心材料；而三元化合 物a i g a n 可以通过调节a l 的组分，使带隙从3 4e v 连续变化到6 2e v ，能够制备紫外 的发光器件以及探测器等器件，如紫外l e d 、太阳盲紫外探测器等器件。 2 1 1g a n 及其合晶的基本结构和性质 g a n 主要分为铅锌矿( w u r t z i t e ：w z ) 和闪锌矿( z i n cb l e n d e ：z b ) 两种结构，其中w z 为 密排的六方点阵，z b 为面心立方点阵。通常情况下，热力学稳定相是六方对称的铅锌 矿结构w z ，而面心立方的闪锌矿为亚稳相。两种结构的主要区别在于原子层的堆积方 式不同，铅锌矿结构的g a n 是由两套六方密堆积结构沿c 轴方向平移5 c 8 套构而成， 而闪锌矿结构的g a n 则是由两套面心立方密堆积结构沿对角线方向平移1 4 对角线长度 套构而成。w z 结构沿c 轴( 0 0 0 1 ) 面堆垛顺序为a b a b a b ，而z b 结构沿( 11 1 ) 面的堆垛 顺序为a b c a b c 。结构上的差别使得这两类晶体在性质上有差别，目前，大多数高质 量的g a n 都是w z 结构，而z b 结构的g a n 难以通过外延方式获得。图2 1 展示了w z 结构的g a n 沿 o o o q ，【li - 2 0 1 和 1 0 1 0 晶向的原子结构示意。图2 - 2 展示了z b 结构的 g a n 沿【l o o l ，【l l o 】和【l l1 】晶向的原子结构示意。在w z 结构中，g a n 的晶格常数a 为 0 3 1 8 9n m ，c 为0 5 1 8 5n m 。 中山丈学博学位论文 玲静璐 囤2 - 1w z 结构的c a n 不同晶向的结构示意：( 曲 o o o q ；( 吣【1 1 - 2 0 ；( 0 【= o - l o 3 l 焱豢黪 图二2 z b 结构的g a n 不同晶向的结构示意：( 劬 1 0 0 】；( 时i i l o j ；( c ) 【1 i i 】【3 对于i i i 族氰化物合金而言，我q p ha x b y c i * y d 的形式来表示其台金成分，则其带 隙 啪可以表示为： 2 瓷冀冀i 翟鲁b 。川1 一力口， 一6 加d 。，一屯f 。( 寸n 一舢y ( 十力 上式中，, l f 、y 分别为a 和b 元素的组分，e 。、e 肋、则分别对应a d 、b d 、 c d 的带隙，b 值为b o w i n g 系数。 其晶格常数可以表示为： a ( a ，b ，c i - 纠, d ) = xa a 9 + y g b d + ( 1 一x 一，) o c ( a ，b y c i y d ) = z c a d + ，- c b d + ( 1 - z 一，) c c d 一 这样，对于i n g a n 、a i g a n 、i n a i n 三元合金以及a l l a g a n 四元合金，我们根据各 元素的台金组分来推算其合金的带隙以及合金的晶格常数。在材料生长时，我们往往不 知道具体的合金组分，一种方法是借助x 射线光电子能谱分析( x p s ) 、一次离子质谱 ( s i m s ) 、卢瑟福背散射( e d 3 s ) 等设备确定合金中各组分的具体含量；另外，也可以通过 x 射线衍射仪( x r d ) 、光致发光( p l ) 等方式间接得到组分值。 对于i n g a n 材料，它是组成l e d 发光层的主要成分。理论上， n g a n 的带隙通过 调节组分可以实现3 4e v 到6 2e v 的连续变化。但是i n 的高饱和蒸汽压，生长出来的 中山大学博士学位论文 i n g a n 中i n 组分比较低( 2 0 ) ，通过降低温度( 如5 0 0 0 c ) ，虽然低温下l n 组分含量高， 但是晶体质量降低，发光性能也受到影响，不能满足实用化的需求，容易出现相分离 ( p h a s es e p a r a t i o n ) 的现象。所以，获得高质量和高组分的i n g a n 材料一直是个难点。在 第四章m q w 的生长中，我们将对l n g a n 材料采用m o c v d 生长进行详细介绍。 2 1 2g a n 的生长衬底 g a n 材料生长中存在的问题是：一方面由于g a n 单晶体材料难以获得，另外就是缺少 生长g a n 晶格匹配的合适衬底。尽管目前在g a n 体材料的制备上取得了一些进展，比如 采用氨合法合成g a n 材料，或者采用h v p e 生长g a n 厚膜的方法来制备g a n 衬底。但这些 方法制备的g a n 材料尺寸小、产量低，远满足不了光电子产业界对于g a n 衬底的需求。 g a n 体材料的制备仍期待技术上的突破。鉴于此，目前g a n 薄膜材料的主流制备技术都 是在晶格失配的s a p p h i r e 、s i c 和s i 衬底上生长。这三种衬底中，蓝宝石衬底因为与g a n 衬底1 4 8 的晶格失配( 与i n n2 5 4 的晶格失配) 本不是一种适合g a n 生长的理想衬底， 但是g a n 材料或器件上很多激动人心的进展都是在蓝宝石衬底上完成的，现今蓝宝石衬 底上制备g a n 膜已是一项主流技术，被产业界和学术界广为采用。我们比较一下适合充 当g a n 夕b 延的衬底优劣，然后对各种衬底发展的现状做个概括。 图2 3 展示的是g a n 和三种主流衬底蓝宝石、s i c 和s i 的晶格失配度和热失配度。将衬 底和g a n 的晶格失配度和热失配度作为参考，是因为这些衬底上的g a n 生长属于异质外 延，其晶格失配度影响g a n 夕b 延薄膜中的成膜质量，一般而言，晶格失配度越小，成膜 质量越高。其中，s i c 衬底是比较适合g a n g 延的，晶格失配度和热失配度都不大，热 导率高，但目前s i c 上生长g a n 的技术目前被c r e e 、o s m m 等公司技术垄断，而且s i c 也 存在吸光的现象。热失配度反映的外延薄膜和衬底的热膨胀系数差异，温度变化产生的 热应力会使得外延片翘曲或者龟裂，这个尤以s i 衬底上生长g a n 夕b 延最为突出，s i 衬底 上g a n 多 b 延最大的问题就是由于材料高温生长降温时产生的热应力使得g a n g 延龟裂。 s i 衬底本身由于廉价，能够制成大尺寸，未来能发展成硅光集成，并且能与传统s i 工艺 集成这些优势的驱动，人们努力改进s i 基g a n 的生长工艺，力图解决缺陷密度高和龟裂 的问题，目前也取得了不错的进展。本文主要在蓝宝石衬底上实现g a n 的生长。 2 1 3g a n 基l e d 器件基本理论 最简单的l e d 结构为p n 结，p n 结的界面有一个薄的有源层。施加正向电压后，n 型层注入的电子和p 型层注入的空穴在有源层内部发生复合，其中辐射复合部分转化为 光，非辐射复合部分转化为晶格的振动，以热的形式表现出来。量子阱是一类异质结， 由两种不同的半导体材料相间排列形成、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。 量子阱最基本的特征是，由于量子阱宽度的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局 域化。为了提高l e d 的内量子效率，人们引入两种半导体薄层交替生长形成的多层结 中m 大学博士学位论文 构，当势垒层较厚，相邻势阱之间载流子波函数之间耦台很少，多层结构形成许多分离 的量子阱，称为多量子阱。图2 4 展示的是5 个周期的多量子阱结构，阱由l n g a n 组成， 垒由g a n 组成。 t h e r m a lm i s m a t c hf 1 图二3 各种衬底与其上的外延材料品格失配度和热失配度( te g a w a 报告，2 0 0 6 ，深圳) 丁m e ”e j 。 e f 。 。i ”1 。量p 气兰 圈2 - 4l e dm q w 结构及能带示意( d 柚d 卸z h u ，2 0 0 7 ) 2 2 蓝宝石衬底上g a nl e d 生长过程 高光效的l e d 器件，是l e d 材料质量和结构设计的统一体。利用m o c v d 技术在 蓝宝石衬底上生长l e d 结构，分为若干重要的步骤。为了获得高质量的l e d 材料，每 一个步骤都需要极为关注。 村底的清理：衬底表面的清洁程度影响外延的质量。现在蓝宝石衬底太多可以开盖 一母)|工3目e*_e 8 # j 中山大学博士学位论文 即用，衬底放入反应腔之后，需要经过高温的烘烤，除去反应腔和衬底的杂质。 衬底的氮化：在低温g a n 缓冲层生长之前，通入一定量的n h 3 氮化蓝宝石衬底能 够影响g a n 外延层的质量。衬底在氮化时，n h 3 能与蓝宝石衬底发生反应，n 原子会 取代o 原子，并且使衬底表面形成一层平整的多晶a i n 层。氮化时间、氮化温度以及 n h 3 流量都能影响后续g a n 生长的质量，需要根据实际工艺选择合适的氮化参数。 低温g a n 缓冲层：由于g a n 和蓝宝石衬底晶格不匹配，利用t m g a 和n h 3 在4 8 0 5 5 0 o c 的温度范围内生长2 0 4 0a m 左右的g a n 缓冲层，低温生长的g a n 缓冲层结晶质量 很差。 缓冲层高温重结晶阶段：缓冲层结束之后，将衬底加热到1 0 0 0 1 0 5 0 0 c ，并稳定一 段时间，这时g a n 缓冲层发生分解形成g a n 岛状晶粒，为后续高温g a n 生长提供晶核。 u g a n 生长阶段：在高温下( 1 0 0 0 0 c ) 进行g a n 的高温生长，通过w i l l 等参数的选 择，控制g a n 的生长模式，使重结晶阶段的晶核增大，逐步愈合，然后生产平整的g a n 生长面。 n g a n 生长阶段：在u g a n 的生长过程中，通入s i l l 4 ，掺s i 形成n g a n 。 m q