硅衬底GaN基LED外延生长的研究

　　虽然GaN是很理想的半导体器件材料,但一直缺乏合适的衬底,因此一直得不到质量很好的GaN外延层,目前用于器件的GaN材料是通过蓝宝石或SiC衬底外延出来的。可是这两种衬底也存在着明显的不足,蓝宝石是绝缘体,硬度高和导热性差,加工困难;而SiC成本很高,使器件的生产成本很高。如用Si作衬底,相对上述两种衬底材料有着很大的优势,主要有面积大,成本低,高质量,导电、导热性能良好等优点。因此,在Si衬底上生长GaN薄膜的研究受到了广泛关注[1]。但用Si作衬底还存在着很多困难,GaN外延层和Si晶体存在着较大的晶格失配,使外延层出现大量位错;GaN和Si晶体还存在着很大的热失配,在反应结束时从高温下降到室温,这种热失配将在外延层产生巨大的张应力,从而引起外延片的龟裂。为了解决龟裂,采用了各种缓冲层技术,如AlN[2]、GaN[3]、AlGaN[4]、ZnO[5]、GaAs[6]等,以及采用掩膜技术和侧向外延技术等[7-8]。

　　本文采用AlN缓冲层后原位生长SiN掩膜层,随后外延生长高质量GaN薄膜,并在此基础上外延生长出GaN基发光二极管(LED)外延片。

　　1　实验

　　采用Thomas Swan的LP-MOCVD系统。选用Si(111)为衬底,三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)及高纯NH3分别为Ga、Al、In及N源,H2和N2为载气,硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别为n型和p型掺杂剂。在生长前要对Si衬底进行清洗,以去除污染物和杂质,获得干净的表面。外延生长过程如下:样品1先在1 100℃、H2气氛下氢化10 min,以清洁硅片表面;在氢化处理后,降温到1 060℃生长AlN缓冲层和高温GaN层,在高温GaN层生长过程中两次插入LT-AlN插入层。样品2仅在AlN缓冲层后原位沉积一SiN层,该SiN层作为随后高温GaN外延生长的掩膜层,可降低GaN薄膜的位错密度,其他外延条件与样品1一致,通过SiN层的生长可获得1.7μm无龟裂GaN外延层。在此基础上进行LED全结构的生长,其结构示意图如图1所示。整个生长过程,反应室压力始终保持在13 333 Pa,降温过程为台阶梯度式慢降温。

　　图1　硅衬底GaN基LED的外延片结构示意图

　　采用日本Seiko Instruments Inc.公司的SPA300HV原子力显微镜(AFM)分析表面形貌,PHILIPS公司的PW3040/00高分辨率双晶X-射线双晶衍射仪(DCXRD)分析GaN的结晶质量。采用英国Accent公司的RPM2000光致发光谱(PL)测量薄膜的发光光谱,其激发光源为266 nm,4倍频Nd∶YAG激光器。

　　2　结果与讨论

　　采用X-射线双晶衍射仪的三轴晶系统测试样品1、2,从三轴晶系统的扫描曲线中均可得到清晰的GaN(0002)衍射峰。图2为样品1、2的(0002)DCXRD摇摆曲线。

　　图2　样品1、2的DCXRD摇摆曲线

　　GaN(0002)面半峰全宽(FWHM)大小表征了GaN薄膜的螺位错密度的大小。其FWHM越小,表明晶体的生长质量较好,位错密度较低,低的位错密度对于器件的性能有很大的提高[9]。由图2可见,样品1(0002)面的FWHM为465 arcsec,而样品2(0002)面的FWHM降低到403 arcsec,样品2的结晶质量比样品1的更好。这说明原位沉积SiN作为掩膜层来横向外延生长GaN,可降低GaN薄膜的位错密度,提高其晶体质量。