PVD—AlN 薄膜对LED特性之提升

刘春煜+江佩芸+许广元+邓顺达+张忠勋

摘 要：本实验用物理气象沉积法（PVD）于蓝宝石衬底上镀氮化铝薄膜，取代传统MOCVD法生长的低温氮化镓缓冲层。随氮化铝越厚n值也越大， wafer受到的压缩应力越大。从XRD得知，氮化铝薄膜越薄（102）半高宽明显越小且（002）半高宽间变得比较大，因为（002）面产生的缺陷决定于材料间晶格的差异，则（102） 半高宽的变化来自于结构的应力释放，薄的氮化铝薄膜就可有效释放当中的应力。最后用氮化铝缓冲层量之亮度比低温氮化镓缓冲层会增加1%，亮度30.5mW。

关键词：PVD-AlN； LED；亮度；缓冲层

中图分类号：TG174 文献标识码：A

0.引言

三族氮化物与常见基板的基本性质参数包含晶格常数、与氮化镓之晶格不匹配程度、热膨胀系数等差异。缓解异质材料间的差异不同缓冲层材料被研究使用ZrN、ScN、TiN、HfN、SiC。关键步骤是在于氮化镓材料外延制程上，传统两步生氮化镓缓冲层之工艺。氮化铝材料拥有：宽能带、热导、高电阻等特点，被视为最具潜力的缓冲层材料。Weijun Luo[3]和Deok Kyu Kim团队等人之研究为使用MOCVD方式直接生长AlN缓冲层于衬底上，并改变AlN缓冲层的不同条件，但在表面皆会出现表面裂痕现象，W. C. Lai等人是用于UV-LED上，PVD-AlN非成核层可提升其LED出光亮度，其发光层GaN/AlGaN对缺陷非常敏感，可有效降低缺陷来提高UV-LED的亮度，所以运用了图形化衬底与PVD-AlN的结合有效降低材料间的缺陷密度，所以本文着重于研究用PVD所镀的氮化铝薄膜与传统氮化镓缓冲层对整体LED之影响。

1.实验方法与步骤

将氮化铝薄膜沉积于4吋图形化蓝宝石衬底表面上，溅镀氮化铝材料的为北方维电子公司磁化溅镀设备。实验中Sample A、Sample B分别沉积35nm、28nm的氮化铝薄膜厚度，椭偏仪则可用于精确测量薄膜的厚度和光学常数（n值，折射率），使用J.A. Woollam 公司的椭偏仪量测薄膜参数，并与Sample C作为对造组的低温氮化镓缓冲层做比较，实验中探讨不同氮化铝薄膜的薄膜参数。

沉积完氮化铝薄膜于4吋图形化蓝宝石衬底表面上后，再使用有机金属化学气相沉积法生长氮化镓的完整LED结构，使用VEECO公司的设备。X射线衍射使用Jordon Valley公司的设备做，量测LED晶格（102）及（002）的绕射半高宽比较。再制作成26mil*52mil大小的芯片，驱动电流为20mA做点侧测试，比较不同氮化铝薄膜厚度与低温缓冲层的LED发光强度

2.结果与讨论

PSS衬底上无法侦测到其薄膜参数，衬底上的图型会产生破坏性干涉而无法得知氮化铝薄膜参数，故需使用平片当作监控片。控片所生長的薄膜厚度会与PSS衬底c-plane的厚度一样，我们所关注的也只有c-plane的厚度。表1中椭偏仪所量测之不同厚度下n值的变化，随着氮化铝薄膜越薄n值也会越小，而n值代表着薄膜结晶质量，由量测数据可以知道不同氮化铝薄膜厚度下其薄膜质量会不同。

氮化镓在氧化铝衬底上面会呈现舒张应力状态，会因应力作用而wafer成碗状的中心凹，因此使用氮化镓缓冲层会出现wafer中心点波长蓝移。但氮化铝薄膜上去氧化铝衬底后则呈现压缩应力状态， wafer中心波长红移，氮化铝薄膜厚度的递减Sample A到Sample B下的红移严重程度变小，故n值越大整体wafer受到的压缩应力越大。

氮化镓缓冲层被氮化铝薄膜取代后，使用XRD量测出LED结构中不同晶格平面的结果，不同厚度的氮化铝薄膜（102）半高宽及（002）半高宽分别见表1，可看出最低的（102） 半高宽为239的Sample B氮化铝厚度，但是在螺旋差排的趋势却是相反，这与Wei-Ching Huang的论文结果一致，（002）面虽随着氮化铝薄膜越薄越大但变化不大，因为（002）面产生的缺陷主要来自于氧化铝和氮化铝材料间晶格的差异，所以变化氮化铝厚度对刃差排影响不大，则（102） 半高宽的变化主因是整个结构的应力释放，仅需较薄的氮化铝薄膜就可有效释放当中的应力。

衬底经过MOCVD外延磊晶过后要将4吋的外延片做制程处理对LED芯片做点侧测试，驱动电流为20mA，则本实验所感兴趣的是使用PVD镀的氮化铝对点测的亮度影响。不同波长对亮度有一定的影响，故在相同波长下做亮度比较，随着氮化铝薄膜厚度的递减可以看到亮度会增加，最高的亮度为Sample B的氮化铝厚度亮度为30.55mW，和未用氮化铝薄膜Sample C的低温氮化镓缓冲层相比提升1%的出光量，此结果和前面探讨XRD量出来的（102） 半高宽有相同的趋势，所镀的氮化铝薄膜厚度越低拥有较低的（102） 半高宽，且其亮度也会相对比较高，因为低温氮化镓等缓冲层属于非晶系结构，会吸光而降低PSS衬底的作用。

结语

氮化铝镀在氧化铝衬底上会自然呈现压缩应力状态，如此作法在氧化铝/氮化铝薄膜/氮化镓材料间最后相互抵消彼此的应力，氮化铝越厚n值也越大，整体wafer受到的压缩应力越大。XRD所量测LED缺陷结果，氮化铝薄膜越薄（102）半高宽明显越小（002）半高宽间变得比较大，因为（002）面产生的缺陷决定于材料间晶格的差异，故氮化铝厚度对刃差排影响不大，则（102） 半高宽的变化来自于结构的应力释放，仅需较薄的氮化铝薄膜就可有效释放当中的应力。

氮化铝缓冲层量测出来之亮度会比低温氮化镓缓冲层增加，最高是最薄膜厚的Sample B，会提高1%的亮度至30.5mW ，故使用PVD成长均匀的氮化镓会比MOCVD长的低温氮化镓为较好的缓冲层选择。另一方面为缓冲层为非晶系结构，会有吸光的疑虑，此会让PSS衬底的功能无法完全呈现，让光从发光层发射至n-type端的光无法有效跑出LED结构外，所以缓冲层越薄越好。

参考文献

[1]WU X H，et al.[J].Applied Physics Letters， 1998， 72（6）： 692.

[2]Shuji Nakamura，et al.[J].Appl. Phys. Lett. 62， 2390 （1993）； doi： 10.1063/1.109374.

[3]Weijun Luo，et al.[J].Microelectronics Journal ，39 （2008） 1710–1713.

[4]Deok Kyu Kim.[J].Solid- State Electronics ， 51 （2007） 1005–1008.

[5]W.C.Lai，et al.[J].Journal of display technology， （2013）， VOL. 9， NO. 11.