硅基与蓝宝石衬底上的GaN-LEDs性能差异分析

王美玉, 朱友华, 施　敏, 黄　静, 邓洪海, 马青兰

(南通大学 电子信息学院, 江苏 南通　226019)



硅基与蓝宝石衬底上的GaN-LEDs性能差异分析

王美玉, 朱友华, 施敏, 黄静, 邓洪海, 马青兰

(南通大学 电子信息学院, 江苏 南通226019)

在简要阐述硅基与蓝宝石衬底的GaN研究与发展基础上,就此两种不同衬底上GaN-LEDs性能进行了对比分析,并对这两种衬底上的LED进行了相应的表征实验。通过AFM和XRD等分析手段揭示了器件的结构特性,对器件性能(I-V和EL以及I-L测试)进行了相应的评价。通过分析相关实验数据得出:在电学特性与光学性能两方面,蓝宝石衬底上的LED均优于硅衬底上的LED。

氮化镓基发光二极管； 硅衬底； 蓝宝石衬底； 电学特性; 光学特性

近年来,新型宽禁带化合物半导体材料的发展迅速,特别是GaN材料。因其具有较好的化学稳定性和热稳定性,在光电子应用领域一直备受关注。由于大尺寸的GaN单晶材料很难获得,通常都通过异质外延方法获取高质量的GaN材料。一般衬底的选择都需遵循一系列的原则,例如晶体结构是否一致、晶格常数和热膨胀系数是否匹配等。目前,器件量级的GaN基材料很多是生长在蓝宝石衬底上或Si衬底之上的[1-6]。

蓝宝石是GaN外延方面使用最早且最普遍的衬底,主要是因为蓝宝石同样具有稳定的化学和物理性质。而且,蓝宝石还具有光学特性好、成本适中等优点,在各个领域均被广泛地使用[2]。但其也有弱点,如果在蓝宝石衬底直接高温生长GaN,将会导致大量的缺陷,这是因为在GaN外延层和蓝宝石衬底之间存在着较大的晶格失配及热应力失配所致。在工业界,研究人员通常通过生长数十纳米的低温GaN或高温AlN缓冲层,以确保后续高温GaN的外延晶体质量。另外,研究人员还研发了一种沿着侧向发展且合并的生长技术即图形化衬底技术,因其没有掩膜和不存在生长的间断,能得以有效地降低GaN外延层中的位错密度,在一定程度上也较大地提高了LED发光的萃取效率[7-8]。

与蓝宝石衬底相比, 硅衬底也具有多种优点,比如成本低、尺寸大、高质量及优异的导电和导热性能等。使用硅片作为GaN外延层生长的衬底,光电集成也是具有相当魅力且应用潜力广阔；但在生长技术层面上,Si衬底上生长GaN的难度要比蓝宝石衬底更具有挑战性,因为Si衬底与GaN的晶格失配和热失配更大,在生长过程中特别是外延片从高温冷却至室温条件下,外延表面更易出现裂纹,进而会导致高密度的位错[9-10]。在本文中,就材料特性与器件性能两方面,对比与分析了硅基和蓝宝石衬底上的GaN-LEDs,相关实验数据的一致性得了科学的验证。通过各种实验表征手段,在系统分析对应的实验数据的基础上进一步得出两种不同的衬底对GaN基发光二极管的外延质量与器件性能的具体影响。

1　实验

图1是101.6 mm(4英寸)Si衬底(左侧图)和50.8 mm(2英寸)蓝宝石衬底(右侧图)上所生长的LED外延层结构示意图。生长所用设备是水平腔MOCVD系统(日本酸素SR-2000),而用于n型和p型掺杂的分别是硅烷(SiH4) 和二茂镁(Cp2Mg)。本文中所分析的GaN-LEDs外延结构主要是基于下述的各步骤得以成功生长：首先在硅基衬底上高温分别生长20/5 nm的n-AlGaN/n-AlN缓冲层；然后是100对5/20 nm厚的n-AlN/n-GaN超晶格外延层。发光器件的最核心区域是活性区,该区域主要是在1.5 mm 的n-GaN外延层之上,由10个周期的InxGa1-xN量子阱层(4 nm)和InyGa1-yN(8 nm)垒层交替所形成的,并随后又沉积了本征的GaN盖层(5 nm)。最后,所形成的是p-Al0.15Ga0.85N(20 nm)和p+-GaN(100 nm)接触外延层。而在蓝宝石衬底之上,除了下面25 nm的低温GaN和4mm厚的n-GaN外延层,其他的器件外延层结构均一致。

为了评价外延层的晶体质量,通过原子力显微镜(AFM)和X射线衍射(XRD)对这2个样品进行了测试与数据分析。在对LED(500 μm×500 μm)器件工艺制作过程中,使用了多种常规的与半导体工艺相关的微纳加工,比如:光刻和刻蚀以及电极蒸镀等。蓝宝石LED的具体工艺流程如下:首先通过反应性离子刻蚀(RIE)使n-GaN一侧形成器件台阶结构,Mg受主的活性化退火是在800 ℃、N2氛围中,进行25 min炉内退火；使用传统的电子束(EB)蒸镀沉积出Ti /Al/Ni/Au(15/60/12/60 nm)的n电极;接着在氮气氛围中进行了850 ℃、30 s的快速退火(RTA);然后在最上面的p+-GaN盖层上,通过同样的EB法沉积出Ni / Au(6/12 nm)p型欧姆电极,并在空气氛围中于600 ℃ 退火3 min，形成半透明电极;最后在p型电极之上再沉积Ni / Au(5 /60 nm)的p接触电极。而对于硅基LED,因衬底具有导电特性,所以不需要RIE的刻蚀工艺,可以直接在衬底背面加工形成AuSb/Au(20 /100 nm)的n-电极。其他相关的具体器件生长参数和工艺加工以及表征手段的信息也可以参考先前所发表的论文[11-12]。

图1　LED的外延层结构示意图

2　结果与讨论

2.1原子力显微镜

图2为生长在Si衬底上的LED的AFM形貌图。

图2　生长在Si衬底上 LED的AFM形貌图

从这些形貌图中可以清楚地看出,Si衬底上 LED的表面相当光滑(显示出了原子层台阶的效果)。在不同扫描区域相应的RMS值(表面粗糙度)分别为2.338、0.665、0.238 nm。图3显示的是生长在蓝宝石衬底上的LED的AFM形貌图。相应的RMS值分别为0.694、0.267、0.114 nm。结果表明,在蓝宝石衬底上生长的LED的表面形貌更加平整。初步可以得出结论:在蓝宝石衬底上生长的GaN质量要比Si基上生长的更好。

图3　生长在蓝宝石衬底上的LED的AFM形貌图

2.2X射线衍射

图4主要展现了两种样品的(0002)和(10-12)GaN晶面ω扫描的摇摆曲线,对比两个样品的摇摆曲线半高宽,可以非常明显看出蓝宝石衬底的半高宽值要比硅基的窄。这进一步说明在蓝宝石衬底上生长的GaN质量要比Si基上生长的更好,此结果与上述原子力显微镜的实验结果是一致的。

图4　两种样品的(0002)和(10-12)GaN晶面ω扫描的摇摆曲线

2.3电学特性(I-V)

I-V特性越好串联电阻就越小,通电时器件产生的热能就越小。根据能量守恒定律,当通入一定的电流,即一定的电能,热能越小,转化后的光能也就越大。从图5的I-V特性曲线可以清楚地观察到蓝宝石上的LED的电学性能比硅基好,其结果与上述结果的晶体表征结果也是一致的。

图5　两种样品的I-V特性

2.4光学特性(EL与I-L)

EL(电致发光谱)的亮度的变化是由电极间所加的电流或电压以及频率所决定的,是随着他们的变化而改变的。在一般情况下电压和频率有所增加时,亮度也会随之增强[5]。

其实衬底上的LED质量越好,位错等缺陷就越少。如果LED的质量不好,在注入电子时,电子就会被位错等缺陷捕获,就会形成非辐射复合,因而参加辐射复合的电子将变少,随之发光亮度也相应减小[13]。

从图6可以清楚地观察到蓝宝石衬底上LED电致发光谱(EL)曲线更光滑,且半峰高更小。比较这些数据,蓝宝石衬底上的LED在光学性能要比硅基好,这与上述的各种实验结果相符合。

图6　两种样品的电致发光谱(EL)

此外,基于图7所示的I-L(L为发光功率)的实验数据,可以得出以下结论,在蓝宝石衬底上的LED的发光功率高于在Si衬底的LED的发光功率,如:在20 mA、40 mA等输入电流之下,蓝宝石上的发光功率接近硅基上的4倍左右。该结论也与上述的器件结构特性和电学特性等是吻合的。

图7　两种样品的I-L特性

3　结语

本论文中采用AFM和XRD等分析手段对LED进行了各种特性表征,也对器件的电学与光学性能进行了对应的测试。在上理论课及实验操作时,实验及分析使得学生掌握了某些具有代表性的半导体科学表征技术,同时也提高了科学分析实验数据的能力,即通过对硅基与蓝宝石衬底上的GaN-LEDs实验数据的分析与器件性能差异的对比,对这两种不同衬底上的LED的差异有了充分的认识与深刻的理解。

References)

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[13] Schubert E F. Light-Emitting Diodes[M]. Cambridge University Press,2006:44-45.

Discussion on difference of performance in GaN-LEDs on silicon and sapphire substrate

Wang Meiyu, Zhu Youhua, Shi Min, Huang Jing,Deng Honghai, Ma Qinglan

(School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong 226019, China)

Basied on the research and development of gallium nitride using silicon and sapphire substrates, different device performances of GaN-LEDs grown on these two substrates have been compared and discussed. The corresponding experimental characterizations have been carried out. Firstly, the structural characteristics of device are revealed by means of XRD and AFM, and the performance of device was evaluated by I-V, EL, and I-L measurements. Finally, through the experimental data analyses, both the electrical and optical properties of the LEDs grown on the sapphire are superior to ones grown on the silicon substrate.

GaN-LEDs； silicon substrate； sapphire substrate； electrical property; optical property

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.017

2015- 08- 30修改日期:2015- 10- 10

国家自然科学基金面上项目(61475178)；江苏省“六大人才高峰”基金项目(2013-XCL-013)；江苏省高校品牌建设工程一期项目(PPZY2015B135)；南通大学引进人才科研基金项目(03080666)；南通大学校级自然科学基金项目(14Z003,14ZY003) ；南通大学课程项目(JP14022,2014B44,2014B43)

王美玉(1973—),女,江苏南通,硕士,实验师,研究方向为微电子学及固体电子学、生物电子学.

E-mail:wmy123@ntu.edu.cn

TN364

A

1002-4956(2016)3- 0062- 04