MOCVD生长GaN基蓝光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，其带隙宽度从1.9eV至6.2eV，覆盖了可见光及紫外光光谱的范围。GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，对GaN材料的研究与应用是当今全球半导体研究的前沿和热点，市场上的蓝光及紫光LED都是采用GaN基材料生产出来的。GaN是极稳定的化合物和坚硬的高熔点材料，也是直接跃迁的宽带隙半导体料，不仅具有良好的物理和化学性质，而且具有电子饱和速率高、热导率好、禁带宽度大和介电常数小等特点和强的抗辐照  能力，可用来制备稳定性能好、寿命长、耐腐蚀和耐高温的大功率器件，目前广泛应用于光电子、蓝光LED、紫光探测器、高温大功率器件和高频微波器件等光电器件。

    制备高质量的GaN基材料和薄膜单晶材料，是研制和开发发光外延材料及器件性能的前提条件。目前市场上还没有哪家公司能生产两寸的高质量的GaN单晶衬底，即使有GaN单晶衬底，价格也相当的昂贵。现在大多数公司使用的衬底材料都是兰宝石（Al2O3），虽然它与GaN晶格失配达13.8%，在兰宝石衬底上生长的GaN薄膜材料会有非常高的位错密度，但成本低、价格低廉，工艺也比较成熟，在高温下有良好的稳定性。

    本文的目的就是研究不同条件下低温生长GaN缓冲层对外延片性能（正向电压、光强、反向漏电流、波长均匀性、FWHM等）、芯片和器件的影响。

    二、实验
    本文所用的是Thomas Swan公司生产的立式CCS-MOCVD系统。
    本实验是在低压（100Torr）下生长GaN，所用的衬底材料是Al2O3（0001）面，三甲基镓（TMG）、三甲基铟（TMIn）和蓝氨（NH3）分别作为Ga源、In源和N源，硅烷（SiH4）和Cp2Mg分别为n、p型掺杂剂，载气为高纯度的H2和N2。生长过程如下：首先，将衬底在H2的气氛下加热到10500C，烘烤5分钟，再降温到5300C。样品A用2500ml/m的氨气氮化120秒钟后再生长缓冲层，NH3和TMG的流量分别是1300ml/min和15μmol/min；样品B用5000ml/m的氨气氮化60秒钟后再生长缓冲层，NH3和TMG的流量分别是5000ml/min和30μmol/min；两样品都生长厚度为25nm的GaN缓冲层，升温使缓冲层重新结晶，分别生长非掺杂的GaN单晶层和Si掺杂的n-GaN单晶层，5个周期的InGaN/GaN MQW，Mg掺杂的p-AlGaN/GaN单晶层。

    三、测试和分析
    从生长振荡曲线来看，有非常大的区别。
    从外延层的表面形貌来看，样品A的表面形貌明显没有样品B的好。样品A表面有非常多的小突起、针孔和六角晶体，而样品B表面非常细腻，光泽度、平整度都很好。
    对两外延片样品进行了一个快速测试，用两个探针直接接触外延片，样品A发现外延片发出的光不稳定，漏电流很大，而样品B的结果比较理想。两片样品的峰值光致发光峰值波长分别是473.5nm和468.7nm，FWHM分别为32.9nm和21.3nm，且外延片波长均匀性样品B比样品A要好。把两样品做成管芯后测试，发现样品A（在20mA条件下）的正向电压在3.5V左右，反向漏电流很大，反向电压5V时达到0.4μA，光强在20mcd至35mcd之间；而样品B（在20mA条件下）的正向电压在3.3V左右，反向电压（在10μA条件下）在12V以上，光强在35mcd至50mcd之间。本文造成样品A晶体表面质量差、漏电流大等的原因归结为在生长GaN缓冲层时由于镓流量与氨气流量没有达到良好的化学计量比及氨化的时间不同所引起的。

    四、结果及讨论
    利用CCS-MOCVD系统生长了InGaN/GaN MQW蓝光LED外延片。通过本实验，对两片样品外延片进行了分析和测试，发现衬底氨化时间的长短和生长GaN缓冲层镓量与氨量的化学计量比是引起InGaN/GaN MQW LED外延片性能的主要因素。如果处理好，对生长的外延片的性能包括晶体品质、正向电压、光强、反向漏电流、波长均匀性、FWHM等和芯片、器件的性能都非常大的改善和提高。