硅衬底上GaN基LED的研制进展

　　Ⅲ 族氮化物半导体材料广泛用于紫、蓝、绿和白光发光二极管，高密度光学存储用的紫光激光器，紫外光探测器，以及高功率高频电子器件。然而由于缺乏合适的衬底，目前高质量的GaN膜通常都生长在蓝宝石或SiC衬底上，但是这两种衬底部都比较昂贵，尤其是碳化硅，而且尺寸都比较小。蓝宝石还有硬度极高和不导电的缺点。为克服上述缺点，人们在用硅作衬底生长GaN方面一直不断地进行探索。由于GaN材料的电荧光对晶体缺陷并不敏感，因此人们预期在Si衬底上异质外延生长Ⅲ族氮化物发光器件在降低成本方面具有明显的技术优势。

　　人们还期待使用Si衬底今后还有可能将光发射器与硅电子学集成起来，将加速和扩大氮化镓在光电子和微电子方面的应用。

　　一、用硅作GaN  LED衬底的优缺点

        用硅作GaN发光二极管（LED）衬底的优点主要在于LED的制造成本将大大降低。这是不仅因为Si衬底本身的价格比目前使用的蓝宝石和SiC衬底便宜很多，而且可以使用比蓝宝石和SiC衬底的尺寸更大的衬底（例如使用4英寸的Si片衬底）以提高MOCVD的利用率，从而提高管芯产率。Si和SiC衬底一样，也是导电衬底，电极可以从管芯的两侧引出，而不必象不导电的蓝宝石那样必须都从一侧引出，这样不但可以减少管芯面积还可以省去对GaN外延层的干法腐蚀步骤。同时由于硅的硬度比蓝宝石和SiC低，因此使用LSI加工中使用的通用切割设备就可以切出LED芯片，节省了管芯生产成本。此外，由于目前 CaAs工业正从4英寸过渡到6英寸，淘汰下来的4英寸工艺线，正好可以用在硅衬底的GaNLED生产上。据日本Sanken电气公司的估计使用硅衬底制作蓝光GaNLED的制造成本将比蓝宝石衬底和SiC衬底低90%，预期在需要低功率发射器方面将获得应用。

　　然而与蓝宝石和SiC相比，在Si衬底上生长GaN更为困难。因为这两者之间的热失配和晶格失配更大。硅与GaN的热膨胀系数差别将导致GaN膜出现龟裂，晶格常数差会在 GaN外延层中造成高的位错密度。GaNLED还可以因为Si与GaN之间有0.5V的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成P-型掺杂效率低，导致串联电阻增大。使用Si衬底的另一不利之处是，硅吸收可见光会降低LED的外量子效率。尽管如此自1998年以来在硅上氮化镓LED方面已经取得了不少令人兴奋的结果。

　　二、缓冲层技术

　　为了在Si上制造出性能好的GaN LED，首先要解决的是如何在Si上生长出高质量的无龟裂的GaN外延层。现在主要的生长方法是MOCVD或MBE。无论采用那种生长方法在Si上生长GaN外延层，均需要使用缓冲层技术。已经报道了多种缓冲层技术。其中包括：AIN，3C-SiC（淀积的或转化的SiC膜），GaAs，AlAs，ZnO，LiGaO2，g-Al2O3和Si3N4，或复合缓冲层；如AlN/3C-SiC，AlN/GaN/AlN等等。AlN缓冲层是目前较为普遍使用的缓冲层技术之一。Liaw等人报道了采用转化的 SiC膜加氮化铝复合缓冲层（AlN/3C-SiC）技术已经可以在4英寸的Si(111)衬底上生长出1.5mm厚的无龟裂的GaN的外延层。

　　日本三垦（Sanken）电气公司与名古屋工业大学联合开发出用AlN/GaN缓冲层缓解因热膨胀系数不同而产生的热应力，进而控制了龟裂的发生。值得指出的是三垦电气在生长缓冲层前，首先对硅衬底进行处理，使硅表面上覆以氢（H），这样就得到了不含氧（O）的、适于"低温缓冲层"生长所需要的清洁平坦的硅表面，并且使发光层内的晶体缺陷密度减少到109个/cm2。

　　为了降低外延层中的位错密度，选择外延生长工艺也被应用到在Si生长GaN中来，包括横向选择外延和悬重外延生长（PENDEOPITAXY）。

　　三、LED器件

　　1998 年Guha等人最早采用MBE方法生长了UV和紫光GaN/AlGaN双异质结（DH）LED。衬底是掺砷的晶向为（111）低阻n型Si。缓冲层为 AlN。DH-LED结构为：Si（111）/8nm AlN/n-AlGaN：Si/6nm GaN/p-AlxGa1-xN：Mg/15nm p-GaN。他们发现衬底与外延层之间的晶向关系为：Si（111）/GaN（0001）和Si＜011＞//GaN＜21-10＞。TEM观测表明 8nm AlN已经在Si上形成了厚度均匀的连续薄膜，估计其穿透位错密度高达5×1010cm-2。在P侧使用Ni/Au电极；n电极则从Si衬底面引出。对于 300×300mm的管芯，在4.5-6.5V正向电压下开始发光。他们认为较高的工作电压是因为MBE生长的p型掺杂浓度低以及p接触不良所致，而不是由于AlN的绝缘特性造成的。绝缘的AlN中的大量位错可能起了短路电流通道的作用，使载流子从Si侧"漏"过去注入到GaN中。发光波长为360nm （掺Si-GaN有源层）和来自深能级的420nm峰（未掺录像机GaN有源层）。

　　近期的工作大部分都采用InGaN/GaN多量子阱（MQW）结构，生长方法包括MOCVD和MBE以及两者的结合，主要采用MOCVD。发射波长已扩展到蓝、绿光。Yang等人先用MBE方法在（111）n+Si衬底上生长AlN缓冲层，然后转移到MOCVD反应室中生长0.2mm厚掺硅n+GaN。接着在Si/（AlN/GaN）上淀积 0.2mm厚SiQ2层，用光刻法开出300×300μm的选择外延生长的窗口。然后，再将样品放入MOCVD反应室中连续生长0.5nm-GaN： Si，InGaN/GaN MQW和15nm的p-GaN。在选择外延生长的MQW-LED结构上面采用Pd/Au形成透明电极。n极（Ti/Al/Ti/Au）则从Si衬底面引出。

        器件的发光波长为465nm，半高宽为40nm，与MQW的室温PL谱一致。正向开启电压为+3.2V，估计包括来自Si/（AlN/GaN）异质结势垒的0.5V贡献。正向微分电阻是250Ω左右，比他们在蓝宝石上的LED大约大4倍。p型掺杂浓度低，p接触不良以及AlN/Si界面微分电阻和来自 SiO2的Si反向掺杂可能是电阻增加的原因。Dalmasso等报道了首次用MOCVD方法在（111）Si上生长的绿光（508nm）的LED。其结构为0.5μm-GaN/0.1μmGaN/InGaN/20nmGaN/7nmp-Al0.15Ga0.85N/0.2μmp-GaN。其输出功率当为 20mA时是6mW。

　　德国Magdeburg大学的Armin Dadgar在研制LED时，为了解决龟裂问题采用了两种方法：

　　1、在图形衬底上生长台面结构，接着生长AlGaN/GaN超晶格以控制龟裂的形成和/或位置。对台面结构的LED来说，先在Si（111）上腐蚀出槽，接着淀积AlN缓冲层、15个周期的AlGaN/GaN超昌格和掺Si-GaN层。有源区为3个周期的InGaN/GaN量子阱，其上为p-AlGaN和p-GaN层。

        2、在平面衬底上，淀积AlN缓冲层和n-GaN层后，使用低温AlN应力衬偿层加上氮化硅薄掩膜层。其上再生长n-GaN、3个周期的InGaN/GaN量子阱有源区和p-AlGaN和p-GaN层。这两种方法制备的LED在20mA正向电流下都可以输出150mW的蓝光，这些结果对于Si衬底来说是令人鼓舞的。虽然比在蓝宝石和碳化硅衬底上制造的商品LED 低，但已经可以满足一些低功率应用要求。预期随着生长条件和器件个各层的优化，亮度还会提高，然而更大的挑战是进一步解决Si衬底对光的吸收问题。

        日本三垦电气公司与名古屋工业大学联合开发的蓝色及绿色GaN LED，虽然现在还处于试制阶段，其光输出功率已经达到了手机背照灯等使用的高亮度量产品的 1/5。也就是说已经获得了手机来电提示等用途所使用的通用LED同样的光输出功率，在通信和显示用的低功率光发射器方面的应用引人关注。今后，通过对发光层的改进，量子效率还可以提高到目前的2倍左右。随着技术的改进，可望将开启电压从现在的+4.1V降到+3.5V，并增加功率效率。

        四、结语

        与目前使用的蓝宝石衬底和SiC衬底的GaN二极管（LED）相比，使用硅衬底后GaN LED的制造有成本将大大降低。尽管现在还处于试制阶段，并且在硅上生长GaN难度高，硅还有吸收可见光的缺点，但是Si上生长的GaN LED在低功率应用方面的动向已经引起人们关注。实际上，Si上生长GaN提供了一个更广泛的技术平台，由于硅的高导电和导热特性，除了在光电器件方面的应用外，在微波和功率电子器件方面也有广阔的应用前景，而且提供将光发射器与硅电子学集成起来的可能性。