SiC衬底上MOCVD法外延GaN基蓝光LED.doc

SiC衬底上MOCVD法外延GaN基蓝光LED.txt丶喜欢的歌，静静的听，喜欢的人，远远的看我笑了当初你不挺傲的吗现在您这是又玩哪出呢？December2008Semiconductor Technology Vol.33SupplementSiC衬底上MOCVD法外延GaN基蓝光LED朱学亮1,2,曲爽1,2,刘存志1,李树强1,夏伟1,沈燕1,任忠祥1,徐现刚1,2(1.山东华光光电子有限公司,济南250101;2.山东大学晶体材料国家重点实验室,济南250100)摘要:利用MOCVD在SiC衬底上采用AlN缓冲层外延GaN材料。GaN的X射线(002)和(102)摇摆曲线分别是303和311,表明获得了高质量的GaN材料。原子力显微镜照片能清晰地观察到GaN表面的原子台阶,材料的表面粗糙度为0.19nm,小于蓝宝石衬底上GaN薄膜的粗糙度。采用不同厚度的AlN缓冲层外延GaN基蓝光LED,并研究了薄膜中的应变状态。当采用不同的AlN缓冲层时,倒易空间图证实InGaN/GaN量子阱区完全应变的外延在GaN层上,而AlN缓冲层则是弛豫的。外延片进行管芯工艺制备,得到高亮度的LED。关键词:碳化硅;氮化镓;光电二极管中图分类号: TN304.054; TN304.23; TN304.2文献标识码:A文章编号:1003-353X (2008)增刊-0187-03Growth of GaN-Based Blue LED on SiC Substrate by MOCVDZhu Xueliang1,2, Qu Shuang1,2, Liu Cunzhi1, Li Shuqiang1,Xia Wei1, Shen Yan1, Ren Zhongxiang1, Xu Xiangang1,2(1. Shandong Huaguang Optoelectronics CO., LTD., Jinan250101China;2. State Key Laboratory of Crystal Material, Shandong University, Jinan250101, China)Abstract:GaN films were grown on SiC substrates by MOCVD with AlN buffer layer. The fullwidth at half maximum of (002) and (102) X-ray rocking curves are303and311, respectively,which confirms that high quality GaN films are prepared. Atomic force microscopy (AFM) imagereveals that the GaN film has regular steps and terraces. The root-mean-square (RMS) rough-ness of GaN film grown on SiC is0.19nm. Blue LED were grown on SiC substrates with differ-ent AlN thickness and the strain was studied. The reciprocal space mappings reveal that InGaN/GaN quantum wells are coherently grown on GaN buffer while the AlN buffer is relaxed. BlueLED chips were made and high bright LEDs were achieved.Key words:SiC; GaN; LEDEEACC:2520D;4260D0引言近年来,蓝光LED技术取得了巨大的进步,用蓝光LED激发黄光荧光粉来制作白光LED是当前半导体照明的主流技术。在半导体照明中,功率型蓝光LED是基础。由于缺乏合适的衬底,一般蓝光LED都是异质外延在蓝宝石衬底上。因为蓝宝石衬底的热导率较差(0.5W/cmK),功率LED在大电流下产生大量热量不能耗散,不但导致LED热稳定性变差,更会引起LED发光效率降低。采用倒装芯片(flip-chip)技术把LED管芯放在热沉上可以提高散热效果1,但最根本的方法是187GaN半导体技术第33卷增刊2008年12月采用热导率更好的衬底。SiC衬底正好满足了这个要求,它具有高的热导率(4.9W/cmK),约是蓝宝石的10倍。另一方面, SiC和GaN的晶格失配更小,在SiC衬底上更容易获得高质量的LED结构2-3。但由于SiC衬底价格昂贵,其生长技术一直被国外少数几个公司控制,国内还没有商业化的SiC/GaN基LED。本文首次研究了在国内自制的SiC衬底上外延蓝光LED结构。1实验实验采用山大晶体所生长的高质量6H-SiC作为衬底外延GaN蓝光LED。外延设备分别是美国VEECO公司的GaN D180、K465系统,三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、NH3分别作为Ga源、In源和N源。SiH4和CP2Mg分别用作n型和p型掺杂源。SiC衬底放入MOCVD系统后,先在1 100、H2氛围下对衬底表面做热处理,以清除表面污染,之后在相同的温度下先外延不同厚度的AlN缓冲层,然后降温到1 070外延非掺杂GaN。对LED结构,生长2m n-GaN后降温到760生长5周期InGaN/GaN量子阱,然后升温到970外延p-AlGaN和GaN。材料生长完后,采用原子力显微镜和高分辨X射线分析GaN材料的表面形貌和晶体质量;对于LED结构,通过标准的光刻工艺、刻蚀、电极蒸发等制作管芯结构。2结果与讨论图1是SiC衬底上外延的非掺杂GaN表面形貌图。从图中看出, GaN表面的台阶结构非常清晰,其表面均方根粗糙度在0.194nm,而在同一设备上蓝宝石衬底上外延的GaN薄膜均方根粗糙度为0.729nm。图2是GaN的X射线(002)和(102)摇摆曲线,半峰宽分别是303和311,同一设备上采用蓝宝石衬底外延的GaN的(002)和(102)摇摆曲线半高宽分别是235和377。这些数据表明,在SiC衬底上采用高温AlN缓冲层已经获得了高质量的GaN材料,尤其是表面平整度和(102)半高宽优于蓝宝石衬底的结果。根据报道,在SiC衬底上外延GaN材料中,高温AlN已被证明是非常有效的缓冲层,它一方面解决了GaN和SiC衬底不浸润的问题;另一方面,由于SiC的热膨胀系数小于GaN,从高温生长GaN至降到室温的过程中, GaN外延膜中受到热失配带来的张应力,容易导致外延膜出现裂纹,采用AlN缓冲层时, GaN高温生长时由于AlN的晶格常数较小, GaN受到压应力,这个压应力能部分抵消降温过程中带来的张应力,抑制裂纹的出现。本文采用高温AlN缓冲层获得了高质量、无裂纹的GaN外延片。获得高质量的GaN材料后,作者又在SiC衬底上外延了标准结构的蓝光LED。图3是LED结构的X射线-2扫描曲线,根据衍射理论求得阱和垒的厚度分别是3nm和15nm。图中出现多级卫星峰,说明量子阱的界面非常平整。为研究LED中各层的应变状态,本文采用了不同AlN缓冲层厚度,通过测量了GaN层在(105)衍射点附近的倒易空间图来分析LED中的应变。图4给出了样品S06-1-224的倒易空间图,图中已经标出各个衍射点的来源。从图中看出, InGaN/GaN量子阱卫星峰和GaN (105)衍射点连线垂直于QX轴,这说明量子阱中的InGaN完全应变的外延在GaN188朱学亮等: SiC衬底上MOCVD法外延GaN基蓝光LEDDecember2008Semiconductor Technology Vol.33Supplement层上4。而AlN (105)衍射点与SiC衬底(10.15)衍射点的连线不垂直于QX轴,这说明AlN不是应变的外延在SiC衬底上。相对于SiC和GaN3.4%的晶格失配,尽管SiC和AlN的晶格失配较小(0.9%),但AlN在SiC的临界厚度也较小,大约在4.5nm左右5。样品S06-1-224的AlN厚度在120nm,远远大于这个临界厚度,因此AlN是弛豫的。作者也采用了一系列的AlN厚度,分别是10、40、80、180nm,从(105)倒易空间图结果看,除了10nm时AlN (105)衍射点看不到外,其余的AlN都处于弛豫状态,这与文献报道的结果一致6。从理论上分析来说,当采用较薄的AlN缓冲层时,如果AlN是应变地生长在SiC上,因为AlN的晶格参数大于SiC, AlN受到一个压应力导致a轴变小,这样生长在其上的GaN会受到更大的压应力,可以避免热失配带来的张应力,减少裂纹的出现。但是,因为AlN的临界厚度较薄(4.5nm),一方面在生长中这样的厚度难以控制,另一方面难以保证AlN覆盖整个SiC层,因此实际中还是采用较厚的AlN层。对于LED结构外延片,采用标准的光刻、腐蚀、溅射等工艺制作了p型透明电极和n型电极。电荧光测量表明,标准尺寸芯片在20mA电流下,光强在42mcd。3结语在6H-SiC衬底上采用MOCVD外延了高质量的GaN层, X射线衍射和原子力显微镜都表明GaN的晶体质量优于蓝宝石上的结果。倒易空间图证实量子阱区完全应变地外延在GaN上,而AlN是弛豫地外延在SiC衬底上。初步做出了LED的芯片。参考文献:1CHANG S J, CHEN W S, SHEI S C, et al. Highly relia-ble high-brightness GaN-based flip chip LEDs J. IEEETrans on Advanced Packaging,2007,30(4):752-757.2ZEHNDER U, WEIMAR A, STRAUSS U, et al. Indus-trial production of GaNand InGaN-light emitting diodes onSiC-substrate J. J of Crystal Growth,2001,230(3-4):497-502.3EDMOND J, ABARE A, BERGMAN M, et al. Phil rus-sel, david slater, high efficiency GaN-based LEDs and laserson SiC J. J of Crystal Growth,2004,272(1-4):242-250.4PEREIRA S, CORREIA M R, PEREIRA E, et al. Strainand composition distributions in wurtzite InGaN/GaN layersextracted from X-ray reciprocal space mapping J. APL,2002,80(21):3913-3915.5BREMSER M D, PERRY W G, ZHELEVA T, et al. Growth,doping and characterization of AlxGa1-xN thin film alloys on6H-SiC (0001) substrates J. Diamond and Related Materials,1997,6(2):196-201.6MORAN B, WU F