硅上GaN LED分析

硅上GaN LED不必受应力的影响，一定量的应力阻碍了输出功率。英国一个研究小组通过原位工具监测温度和晶片曲率，制备出低位错密度的扁平型150mm外延片，并将这些芯片安装到器件中，使得内量子效率接近40%。

硅衬底在典型生长温度下可保持稳定性，成本低;它的直径可上升至300mm,且硅表面适合外延生长，结合以上特点，硅衬底被选作生长氮化物的平台。硅上氮化物外延片也能用到硅工业中标准的生产设备，使得芯片的生产更具成本效率，芯片能接受绑定，并转变为封装型LED。

一个由英国政府资助、领军企业和研究机构牵头的项目，用MOCVD设备在150mm的硅(111)衬底上开发出硅上GaN LED，包括RFMD英国团队、剑桥大学、Aixtron UK、QinetiQ和Forge Europa。

如今LED生产使用的衬底材料一般是蓝宝石和SiC，比起它们硅有着重要的优势，但也有一个致命的弱点，那就是硅与GaN的晶格和热膨胀系数极度失配。在典型的生长温度1000℃时，若GaN直接被沉积到硅衬底上，自此刻起在生长薄膜中产生了拉应力，而且随着晶片降至室温，两种材料之间不同的膨胀系数导致了拉应力的增大。除非得到正确的控制，这种应力甚至会致使GaN薄膜的破裂。往往产生了晶片翘曲，这会让面向硅加工设计的自动化设备束手无策。作为比较，当氮化物生长在SiC衬底上，彼此的热膨胀和晶格系数相当;然而在蓝宝石上生长时它们会引起GaN薄膜的紧缩，但这不会产生裂缝。

GaN与硅之间的晶格严重失配，致使外延片中的位错密度相对高一些。虽然氮化物LED对高度位错表现出难以置信的适应性，蓝光LED的位错密度还是跌破109cm-2，IQE值也会随之下降。

在初期生长阶段，硅与反应腔中的载气发生反应，在晶体表面产生瑕疵，其表面形貌已不适合随后的GaN生长，这是硅的另一弱点。

剑桥大学开发的蓝光LED生产工艺可解决所有的这些问题。其中，利用Aixtron的CCS MOCVD设备制备外延结构，设备适合生长单个150mm晶片(或多个2英寸晶片)，并配有原位监测仪器用于测量晶片翘曲及温度。在150mm的硅(111)衬底上，先沉积一层复杂的势垒结构，以控制应力和晶片曲率;接着，生长一个带InGaN量子阱和GaN势垒层的多量子阱(MQW)LED结构，能发出460nm的光;最后才是一个掺镁p型GaN(图1a)。

图1.LED的结构包括一个降低位错的SiNx层(a);Aixtron的Argus工具与LayTec提供的Epicurve监测器一起，可测量出晶片翘曲以及晶片温度(b)。生长过程可分为四个步骤：预生长热处理，AlN晶核层、势垒层和n型GaN层，多量子阱区域和p型GaN层，以及退火/冷却。

衬底在氢气氛围内退火之后，移除本征半导体层并形成一个梯田状，并回流至硅表面。生长过程如下：先沉积一个AlN晶核层，确保硅表面不会分解;接着是一个复杂的势垒结构。通过对势垒层的成分和厚度进行仔细的控制以平衡应力;当生长温度降至室温时，热膨胀失配在结构内产生了应力。

为了降低位错密度、提高LED的性能，在势垒层上又沉积GaN和AlGaN层。插入SiNX层是一项用于生长蓝宝石上氮化物薄膜的技术，在很大程度上能降低线位错密度。

原位工具持续地监测晶片的温度和曲率是成功的关键，可再次生长出平整而无裂缝的材料。在剑桥大学，反应室内衬底的温度通过Aixtron的Argus工具进行图形表征，并利用LayTec的Epicurve提供实时的晶片曲率测量。

我们所使用的硅有轻微的凸起翘曲，一经加热和在位式退火之后会变成凹型，这是因为，此时衬底底端的温度比顶面要高(图1b)。AlN晶核层的添加使得凹型翘曲更为严重，但随着势垒层以及掺硅GaN层的生长，表面又呈现凸起状，压应力随之增加。量子阱的生长和势垒层导致曲率发生了少许变化，我们能察觉到，之后往GaN层中掺杂镁元素时，反应腔内的温度会增加，晶片因而变得更加凸起。薄膜的拉应力产生于GaN与硅之间存在的热膨胀系数差异，通过沉积势垒层匹配物，优化其翘曲程度，这样晶片在冷却后还非常平整。

图2.Aixtron的Argus温度分布图显示了整个150mm晶片的剖面温度。通过调整反应腔加热器的放射区，能将任何差异逐一最小化(a, b, c)

生长工艺的开发把150mm外延片的生产带入更佳状态，整个表面的高度变化低于50祄。这些晶片适合用RFMD的高产量生产设备来加工处理。

为确保晶片在冷却时保持表面平整，必须在生长温度时引入翘曲;由于衬底与基座之间有着距离差异，整块晶片的温度会有明显的变动。温度变化对InGaN LED生长不利，他们改变了量子阱中的铟组分以及发光波长。幸运的是我们能用Argus分布图来监测这些温度变化，并通过调整三个加热区的输出功率将这些变化降至最小。

横截面透射电子显微镜图(TEM)显示，器件层结构中的SiNx层会改变缺陷的方向甚至有的消失不见了，因而导致了低位错密度(图3)。与AlN相比GaN的面内晶格参数更大，它产生的压应力使得AlGaN/GaN界面也出现这种现象。

图3.TEM图中的淡线和深色区域展示出，SiN层有助于降低InGaN/GaN LED中的位错密度。图中纯螺旋式/混合型的位错清晰可见。

用TEM的平面图来评估外延片中的位错密度。汇同其它的原子力显微镜图像(在860°C时将表面暴露在硅烷助熔剂下面，可突出凹坑)，最终测得硅上GaN材料的位错密度值低于109cm-2。

在曼切斯特大学，研究人员使用光致光测量法PL(受温度的影响)来评估材料的IQE值，在室温下约为50%。使用这种方法的前提是，假定非辐射复合接近零基本予以忽略。生长在蓝宝石上的类似结构，它的位错密度是108cm-2，典型的IQE值是70%;这表明在硅平台上制备高性能LED的时候，硅上氮化物的位错密度不可能成为一个主要的问题。我们在QinetiQ继续制备LED.通过刻蚀一个n型GaN层的台面。接着，往上面沉积一层Ti/Al/Pt/Au合金以产生n型接触;p型接触是一个退火后的半透明NiAu和一个更厚的金接触焊盘。

我们最好的0.5×0.5mm LED，它所呈现的I-V特性与蓝宝石上GaN器件极其相似，开通电压约是2.5V(图4)，使用相同的光学方法测量两种器件的顶部光输出，结果发现蓝宝石基LED产生的光输出是硅器件的两倍。考虑到硅衬底的光吸收较大，对LED正向的总发光量进行测量，据计算硅上LED的IQE是37%。

图4. 硅上GaN LED产生了与常用器件非常相似的I-V曲线(a);但这种类型器件的光输出不到一半左右(b)

图5 硅、蓝宝石和SiC之比较

硅上LED仍处于早期阶段，但初始结果令我们非常振奋。移除硅衬底可防止光吸收，但它将不再对制造商构成威胁，原因是高亮度LED生产通常会采取倒装焊接和衬底移除。通过使用先进的封装及合适的荧光粉，我们现有的器件的发光效率可达70lm/W，这与基于蓝宝石的LED形成了对照。由于硅的成本低，这意味着，在硅上生长的GaN LED将接近美国能源署关于2012年每千流明成本所需达到的目标。这些将促使我们的器件成为固态照明应用中名副其实的竞争者。随着原位生长技术的提高，带来了更高质量的材料，为此器件的性能只会变得更好。