材料外延與評(píng)測(cè)技術(shù)對(duì)半導(dǎo)體照明光源的影響
以功率型GaN 基藍(lán)光LED 為核心的半導(dǎo)體照明器件制作流程是以材料外延為基礎(chǔ)。為提高LED 器件的流明效率，要改善晶體質(zhì)量，采用ECR 等離子體輔助MOVPE 方法進(jìn)行GaN 材料的外延生長(zhǎng)。低溫生長(zhǎng)的關(guān)鍵是解決活性氮源并為生長(zhǎng)表面提供活化能，以ECR 等離子體提供活化氮源，在GaAs（001）襯底生長(zhǎng)出晶質(zhì)好的純立方GaN 單晶膜。減少材料缺陷密度，降低材料的吸收損耗；要改善材料結(jié)構(gòu)，減小材料極化效應(yīng)，減小非輻射復(fù)合中心，提高電流注入效率和體內(nèi)量子效率；還要提高p 型材料的空穴濃度，以降低器件工作電壓等。
由于GaN 基材料具有極高的熔點(diǎn)和非常大的氮?dú)怙柡驼魵鈮�，難以獲得大面積、高質(zhì)量的GaN 襯底，一般采用存在晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配的異質(zhì)襯底來進(jìn)行外延生長(zhǎng)。目前國(guó)際上主要采用金屬有機(jī)化合物氣相外延（MOVPE）技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上沿（0001）晶向進(jìn)行異質(zhì)外延。由于采用異質(zhì)外延生長(zhǎng)，GaN 晶體缺陷密度較大，往往需要襯底預(yù)處理技術(shù)、AlN 緩沖層技術(shù)、雙束流外延生長(zhǎng)技術(shù)、橫向外延技術(shù)、準(zhǔn)同質(zhì)外延襯底等來提高晶體質(zhì)量。
目前使用的Ⅲ族氮化物L(fēng)ED 大多通過MOVPE 技術(shù)生長(zhǎng)外延材料，外延過程是以物質(zhì)從氣相向固相轉(zhuǎn)移為主的過程。含外延膜成分的氣體輸運(yùn)到加熱的襯底上，通過氣體分子熱分解，擴(kuò)散在外延表面上的化學(xué)反應(yīng)，就構(gòu)成外延膜的原子沉積在襯底上，按一定晶體結(jié)構(gòu)排列形成外延片。通常NH3 作為氮源，三甲基鎵（TMG）為鎵源，以高純H2 為載體，在高溫（大于1 000 ℃）進(jìn)行外延生長(zhǎng)。在襯底和外延面上的化學(xué)反應(yīng)為
GaN（CH33（V）+NH3（V）→GaN（S）+3CH3（V）
式中V 表示氣相，S 表示固相。
GaN 基材料外延技術(shù)決定了LED 器件的內(nèi)量子效率、光譜性能等指標(biāo)，是半導(dǎo)體照明技術(shù)的基礎(chǔ)。圖3給出了LED 的光譜特性。由圖可見：1）隨著注入電流從2 mA 增加至80 mA，LED 發(fā)光峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)，即發(fā)生藍(lán)移，并且藍(lán)移量達(dá)到5 nm；2）光譜展寬，LED 光譜的半峰全寬（FWHM）從2 mA 下的26 nm，增加到了80 mA 下的35 nm，增加了9 nm。這種藍(lán)移現(xiàn)象和展寬效應(yīng)會(huì)造成實(shí)際應(yīng)用中器件色彩漂移，影響熒光粉的激發(fā)效率，降低流明效率，并使器件偏離白光光譜，影響色溫指標(biāo)。因此，獲得高波長(zhǎng)穩(wěn)定性的LED 器件的材料外延中研究的重點(diǎn)。
圖3 一般LED 的光譜特性
人們普遍認(rèn)為，藍(lán)光LED 發(fā)光波長(zhǎng)隨注入電流的變化主要來自于InGaN/GaN 多量子阱區(qū)強(qiáng)烈的極化效應(yīng)。GaN 基材料體系內(nèi)的極化包括沿（0001）晶向生長(zhǎng)的纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN 材料所固有的自發(fā)極化和在有應(yīng)變情況下產(chǎn)生的壓電極化，并且其極化系數(shù)較傳統(tǒng)Ⅲ-Ⅴ族GaN材料要高。在InGaN 材料中，壓電極化居主導(dǎo)地位，極化效應(yīng)會(huì)在InGaN/GaN 多量子阱區(qū)產(chǎn)生很強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)（約為106 eV/cm）,導(dǎo)致顯著的量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）引起能帶傾斜，使得發(fā)光波長(zhǎng)紅移。隨著注入電流的增大，量子阱區(qū)產(chǎn)生大量的自由載流子，在一定程度上屏蔽了內(nèi)建電場(chǎng)，削弱了QCSE 效應(yīng)，從而使LED 的峰值波長(zhǎng)產(chǎn)生藍(lán)移。通常當(dāng)InGaN/GaN 量子阱的阱寬超過3 nm 時(shí)，由于QCSE 效應(yīng)的影響，量子阱中電子空穴波函數(shù)空間分離嚴(yán)重，波函數(shù)重疊積分減小，電子空穴對(duì)復(fù)合輻射幾率降低，限制了器件內(nèi)量子效率的提高。而LED 光譜的展寬效應(yīng)主要由材料生長(zhǎng)過程中，量子阱界面粗糙、組分和阱寬不均勻、GaN 晶體不完整、總應(yīng)變量（單量子阱應(yīng)變量與量子阱總厚度的乘積）增加等因素引起。
為提高內(nèi)量子效率，解決LED 的電流注入藍(lán)移效應(yīng)和光譜展寬效應(yīng)，保持LED 光譜的穩(wěn)定性，必須控制并降低總應(yīng)變量。為此，可通過優(yōu)化量子阱阱寬、量子阱阱數(shù)等措施改善量子阱結(jié)構(gòu)，提高晶體質(zhì)量，降低界面粗糙度，改善器件性能。
此外，GaN 材料屬于寬禁帶（帶隙能量3.4eV）材料，其典型受主雜質(zhì)Mg 的能級(jí)屬于深受主能級(jí)，室溫下電離度僅為1%。而且生長(zhǎng)中Mg 還容易與H 形成Mg-H 絡(luò)合物而發(fā)生鈍化。基于GaN 材料的生長(zhǎng)技術(shù)，尚無法獲得高空穴的p 型GaN 材料，其空穴濃度通常為1×1018cm-3。為提高空穴濃度，人們提出了采用表面接觸層p 型InGaN/GaN 超晶格結(jié)構(gòu)、p 型InGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)或超晶格結(jié)構(gòu)等生長(zhǎng)方案。還采取了如表面Si 處理/Mg 處理等外延粗糙化技術(shù)、應(yīng)變補(bǔ)償技術(shù)、漸變生長(zhǎng)技術(shù)等，以提高光提取效率和內(nèi)量子效率，改善器件的光譜性能。
需要指出的是由于InGaN 外延層存在較大的應(yīng)變，其晶格的完整性較差，對(duì)于量子阱阱寬和阱In 組分的精確評(píng)測(cè)需要在高分辨率X 射線衍射儀測(cè)試基礎(chǔ)上，結(jié)合透射電子顯微鏡盧瑟福背散射等手段加以綜合分析。
相關(guān)文章閱讀：
國(guó)內(nèi)外照明光源的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
