衬底弯曲度对GaN基LED芯片性能的影响

杨德超，梁红伟，邱 宇，宋世巍，申人升，柳 阳，夏晓川，俞振南，杜国同，*

(1.吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春 130023; 2.大连理工大学物理与光电工程学院，辽宁大连 116024;3.浙江水晶光电科技股份有限公司，浙江台州 318015;4.信息功能材料国家重点实验室中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)

1 引 言

Ⅲ族氮化物材料具有能带带隙宽、电子饱和漂移速度高、耐高温、大功率容量等优良特性[1]。其中 GaN(Eg=3.4 eV)、AlN(Eg=6.2 eV)和InN(Eg=0.7 eV)3种氮化物按照不同组分混合在一起可制成合金，其发射和吸收波长覆盖近红外光到紫外光(1 770 ～200 nm)[2]，因而被广泛用来制作成各种光电器件[3]和大功率电子器件[4]，如高亮度发光二极管、紫外探测器和激光二极管等，在微电子和光电子领域扮演着极为重要的角色。GaN材料有极高的饱和蒸汽压，因而很难形成单晶GaN衬底[5]，所以目前的GaN器件多采用异质外延，将GaN薄膜材料生长在其他衬底材料上，如蓝宝石(sapphire)、硅(silicon)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)等。其中，蓝宝石衬底由于具有相对较低的成本和较好的透光性而成为生长GaN薄膜常用的衬底。但是由于蓝宝石和GaN之间存在较大的晶格失配度(～16.1%)和热膨胀系数差异( ～25.5%)[6]，导致在蓝宝石衬底上生长的GaN外延层中存在较大的残余应力[7-8]。这些应力的弛豫过程会在外延层中引入大量的位错和缺陷，甚至造成外延层的龟裂，严重影响外延层质量，导致更显著的量子限制斯托克效应(QCSE)，也使得器件的发光效率大幅下降。其中，由于蓝宝石衬底的热膨胀系数大于GaN材料的热膨胀系数，导致在外延生长完成后，外延层中水平方向存在较大的压应力，而沿着[0001](c轴)方向将受到较大的张应力，使得外延层和整个外延结构发生凸向应变。

本文在具有不同初始弯曲度的蓝宝石衬底上生长了LED外延结构并制作成芯片，测试了芯片的主要性能参数，结合理论计算，研究了不同弯曲度值对外延层中残余应力及芯片各项性能的影响。

2 实 验

实验中采用3片弯曲度值不同的5.08 cm(2英寸)c面蓝宝石衬底，相应的样品分别记为样品A，样品B，样品C。相应衬底的初始弯曲度值分别为 HA: －2.02 μm ，HB: －6.77 μm，HC: －9.21 μm(负号表示衬底沿着c轴的负方向弯曲)。外延层生长过程在AIXTRON公司生产的低压MOCVD系统中进行，使用的Ga源、N源和In源分别是三甲基镓(TMGa)、氨气(NH3)和三甲基铟(TMIn)，载气为高纯氢气(H2)和氮气(N2)。3个样品使用相同的生长条件，在同一个生长过程中生长完成。首先在蓝宝石衬底上低温淀积约25 nm的GaN缓冲层，然后生长约3 μm的Si掺杂n型GaN层;随后在其上生长12个周期In-GaN/GaN多量子阱，阱区和垒区的厚度分别为2 nm和16 nm;最后生长约20 nm的p型AlGaN和300 nm的p型GaN层。将生长完的LED外延结构制作成芯片，并进行了主要性能参数的测试。

3 结果与讨论

3.1 计算过程

我们计算了3片样品的主要参数的数值，并得出了各个参数与弯曲度值的关系，在此基础上进行了一系列分析和讨论。在计算过程中，进行了一些假设与近似:

(1)由于其它层结构相对较薄，对计算结果影响很小，所以在芯片弯曲度值的计算过程中，将整个外延结构假设为单一的GaN层，并忽略缓冲层的影响;

(2)与衬底半径和曲率半径相比，弯曲度值与薄膜厚度非常小，故而在芯片曲率半径的计算过程中，进行了一些长度值的近似处理;

(3)在整个研究过程中，由晶格失配引起的应力几乎不变，而我们主要考虑由热膨胀系数引起的残余应力的作用，所以在整个实验研究中忽略由晶格失配引起的应力的影响;

(4)计算过程中，假设衬底是均匀弯曲的。

由弯曲度H公式[9]:

可算得生长后整个外延结构的弯曲度值。其中L为衬底的直径，取值为50.8 mm;αs和αf分别为衬底与外延层的热膨胀系数;ΔT为外延层生长温度与室温的差值，取值为1 020 K;Ef和Es为外延层与衬底的杨氏模量;vf和vs为外延层与衬底的泊松比;hf和hs为外延层与衬底的厚度。各参数的具体数值见表1。

将表1中的相应数值代入式(1)，算得普通衬底(初始弯曲度值为0)生长完成后整个外延片的弯曲度值为43.1 μm，则生长完成后 A、B、C 3 片样品的弯曲度值分别为 HA=41.08 μm ，HB=36.33 μm，HC=33.89 μm。

表1 衬底与外延层的各项参数Table 1 Various parameters of the substrate and epilayer

利用得到的弯曲度值来计算外延层的曲率半径R，进而求得外延层中的残余应力值。R的计算示意图如图1所示。

图1 曲率半径的计算示意图Fig.1 Schematic diagram of the calculation of curvature radius

再根据外延层中残余应力与曲率半径的关系，即可算出外延层中残余应力的值。外延层中残余应力与曲率半径的关系[10-11]如下:

其中Ms为衬底的双轴模量，取值为602 GPa[10]。外延层生长后的相关参数的数值见表2。

表2 外延层生长后样品的各项参数值Table 2 Parametervaluesofdifferentsamplesafter epilayer growth

通过表2中的计算结果，我们发现外延层中的残余应力随着衬底初始弯曲度值的增加而逐渐减小。

我们将生长的LED外延片制作成芯片，并且对3个芯片进行了电学和光学参数的测试。在3个芯片表面的相同位置选取5个具有代表性的点，取5个点测得的参数平均值进行对比观察。

表3 样品的电学和光学参数Table 3 Electrical and optical parameters of the samples

表3列出了测得的3个芯片的各项参数的数值。从中可以看出:随着衬底弯曲度值的不断增加，芯片的正向电压和泄漏电流依次减小，光功率持续增大，主波长逐渐蓝移。

3.2 分析及讨论

由于蓝宝石和GaN 2种材料的晶格常数和热膨胀系数差异较大，故而在高温生长过程及后续降温过程中，外延层中都存在较大的双轴应力。为了弛豫应力，达到外延层的平衡稳定，外延层中会产生大量位错，使得晶格质量下降。同时，位错等缺陷通常是非辐射复合中心[12]，位错密度过大会大量消耗用于辐射复合的电子空穴对，使器件的发光效率大大下降。此外，晶格质量下降使得芯片的其它电学特性也将受到很大影响。在有负弯曲度的蓝宝石衬底上生长的GaN外延层，其生长时的平均温度低于在普通衬底上生长时的平均温度，因而由热失配引起的张应变小，外延层受到的张应力也小。弯曲度越大，平均温度就越低，相应的张应变也越小。所以在3片弯曲度不同的衬底上生长的外延层中，受到张应力的排列顺序为:样品A＞样品B＞样品C。降温过程中，外延层受到来自衬底的压应力作用，造成整个结构产生凸起状弯曲。高温生长过程中，外延层中存在的张应变越小，在降温过程中压应力对整个结构的作用力越小，造成芯片的凸向弯曲度越小，从而外延层中的残余应力值也越小。这与我们实验中计算和测试的结果一致:随着3片衬底的弯曲度值依次增大，外延层中的残余应力依次变小，外延层中产生的位错等缺陷的密度也逐渐变小，使得在A、B、C 3个衬底上生长的外延层的晶格质量逐渐得到改善，从而芯片的主要电学和光学参数均依次变好。另外，在测试的结果中，我们发现3个芯片的主波长依次发生蓝移，关于发光波长蓝移我们考虑有温度以及应力两方面影响因素。

首先考虑温度的影响。由于3片衬底的弯曲度不同，在外延层和有源层的高温生长过程中，A、B、C 3片外延片相同位置的实际温度并不相同。我们之前的实验也证明过这一点，衬底弯曲度的值越大，外延层生长过程中的表面温度就越低，这主要是由于弯曲度值变大造成样品边缘与下方石墨盘接触面积变小，导致传热效果不好造成的;再加上我们的垂直反应腔体的气流是自上而下流动，也会对具有一定弯曲度的外延片的实际温度分布造成影响，使得向上翘起的边缘部分的温度低于中心部分的温度。所以，A、B、C 3片样品生长时的表面平均温度是逐渐降低的，即TA＞TB＞TC，通过温度实时监控曲线也可以观察到这个现象。

图2 后5个周期量子阱生长的温度实时监控图Fig.2 Temperature real-time monitoring diagram of quantum-well growth for the last five periods

为了得到清晰的观察结果，我们给出了量子阱生长最后5个周期的局部放大图。图2中(a)、(b)、(c)3 条曲线分别代表在 A、B、C 3 个衬底上生长外延结构的实际温度监控曲线。从中可以看出，在量子阱生长的过程中，3个样品的量子阱生长温度依次降低。众所周知，在InGaN量子阱生长过程中，生长温度的降低会使有源层中In组分升高[13]，进而造成InGaN材料能带变窄，使得发光波长发生红移。这与我们的测试数据中出现的3个样品波长依次蓝移的现象是相反的，所以我们认为样品发光波长的蓝移主要来自于下层GaN外延层的应力影响。

在InGaN/GaN多量子阱区存在强的极化效应，极化效应会在多量子阱区产生很强的内建电场(约为106eV/cm)，此内建电场导致的QCSE会引起量子阱发光波长的红移。在A、B、C 3个样品中，由于晶格常数和热膨胀系数的差异(GaN的晶格常数小于InGaN，而热膨胀系数大于InGaN)，有源层的InGaN材料会受到来自下层GaN外延层的压应力作用。随着外延层中的残余应力逐渐变小，有源层InGaN材料受到的压应力作用也逐渐变小，造成QCSE的影响减小，所以波长发生红移的幅度也依次减小，直观表现为3个样品的发光波长依次发生蓝移。而由应力作用引起的蓝移效果比由温度影响造成的红移效果更加显著，故而3个样品表现出依次蓝移的特点。

4 结 论

在具有不同弯曲度值的蓝宝石衬底上生长了LED外延结构并制作芯片，研究了不同的衬底弯曲度值对GaN基LED芯片的主要电学和光学参数的影响，并对产生影响的不同因素进行了分析和讨论。实验结果表明:存在弯曲度的衬底起到了预先弛豫外延层中的部分应力的作用，使外延层的质量得到了改善。随着衬底弯曲度值的逐渐增加，外延层中的残余应力不断变小，位错等缺陷也逐渐减少，外延层的晶格质量得到了改善，从而使LED芯片的主要参数逐渐变好。另外，衬底弯曲度值的增大使有源层中的InGaN材料受到的来自下层GaN的压应力作用逐渐变小，导致LED芯片的主波长发生依次蓝移。

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