材料外延与评测技术对半导体照明光源的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国电子科技集团公司第五十五研究所 作者:曾正清

         以功率型GaN 基蓝光LED 为核心的半导体照明器件制作流程是以材料外延为基础。为提高LED 器件的流明效率,要改善晶体质量,采用ECR 等离子体辅助MOVPE 方法进行GaN 材料的外延生长。低温生长的关键是解决活性氮源并为生长表面提供活化能,以ECR 等离子体提供活化氮源,在GaAs(001)衬底生长出晶质好的纯立方GaN 单晶膜。减少材料缺陷密度,降低材料的吸收损耗;要改善材料结构,减小材料极化效应,减小非辐射复合中心,提高电流注入效率和体内量子效率;还要提高p 型材料的空穴浓度,以降低器件工作电压等。

         由于GaN 基材料具有极高的熔点和非常大的氮气饱和蒸气压,难以获得大面积、高质量的GaN 衬底,一般采用存在晶格失配和热膨胀系数失配的异质衬底来进行外延生长。目前国际上主要采用金属有机化合物气相外延(MOVPE)技术在蓝宝石衬底上沿(0001)晶向进行异质外延。由于采用异质外延生长,GaN 晶体缺陷密度较大,往往需要衬底预处理技术、AlN 缓冲层技术、双束流外延生长技术、横向外延技术、准同质外延衬底等来提高晶体质量。

         目前使用的Ⅲ族氮化物LED 大多通过MOVPE 技术生长外延材料,外延过程是以物质从气相向固相转移为主的过程。含外延膜成分的气体输运到加热的衬底上,通过气体分子热分解,扩散在外延表面上的化学反应,就构成外延膜的原子沉积在衬底上,按一定晶体结构排列形成外延片。通常NH3 作为氮源,三甲基镓(TMG)为镓源,以高纯H2 为载体,在高温(大于1 000 ℃)进行外延生长。在衬底和外延面上的化学反应为

GaN(CH33(V)+NH3(V)→GaN(S)+3CH3(V)

式中V 表示气相,S 表示固相。

         GaN 基材料外延技术决定了LED 器件的内量子效率、光谱性能等指标,是半导体照明技术的基础。图3给出了LED 的光谱特性。由图可见:1)随着注入电流从2 mA 增加至80 mA,LED 发光峰值波长向短波方向移动,即发生蓝移,并且蓝移量达到5 nm;2)光谱展宽,LED 光谱的半峰全宽(FWHM)从2 mA 下的26 nm,增加到了80 mA 下的35 nm,增加了9 nm。这种蓝移现象和展宽效应会造成实际应用中器件色彩漂移,影响荧光粉的激发效率,降低流明效率,并使器件偏离白光光谱,影响色温指标。因此,获得高波长稳定性的LED 器件的材料外延中研究的重点。

一般LED 的光谱特性 

图3 一般LED 的光谱特性

         人们普遍认为,蓝光LED 发光波长随注入电流的变化主要来自于InGaN/GaN 多量子阱区强烈的极化效应。GaN 基材料体系内的极化包括沿(0001)晶向生长的纤锌矿结构GaN 材料所固有的自发极化和在有应变情况下产生的压电极化,并且其极化系数较传统Ⅲ-Ⅴ族GaN材料要高。在InGaN 材料中,压电极化居主导地位,极化效应会在InGaN/GaN 多量子阱区产生很强的内建电场(约为106 eV/cm),导致显著的量子限制斯塔克效应(QCSE)引起能带倾斜,使得发光波长红移。随着注入电流的增大,量子阱区产生大量的自由载流子,在一定程度上屏蔽了内建电场,削弱了QCSE 效应,从而使LED 的峰值波长产生蓝移。通常当InGaN/GaN 量子阱的阱宽超过3 nm 时,由于QCSE 效应的影响,量子阱中电子空穴波函数空间分离严重,波函数重叠积分减小,电子空穴对复合辐射几率降低,限制了器件内量子效率的提高。而LED 光谱的展宽效应主要由材料生长过程中,量子阱界面粗糙、组分和阱宽不均匀、GaN 晶体不完整、总应变量(单量子阱应变量与量子阱总厚度的乘积)增加等因素引起。

         为提高内量子效率,解决LED 的电流注入蓝移效应和光谱展宽效应,保持LED 光谱的稳定性,必须控制并降低总应变量。为此,可通过优化量子阱阱宽、量子阱阱数等措施改善量子阱结构,提高晶体质量,降低界面粗糙度,改善器件性能。

         此外,GaN 材料属于宽禁带(带隙能量3.4eV)材料,其典型受主杂质Mg 的能级属于深受主能级,室温下电离度仅为1%。而且生长中Mg 还容易与H 形成Mg-H 络合物而发生钝化。基于GaN 材料的生长技术,尚无法获得高空穴的p 型GaN 材料,其空穴浓度通常为1×1018cm-3。为提高空穴浓度,人们提出了采用表面接触层p 型InGaN/GaN 超晶格结构、p 型InGaN/GaN 异质结或超晶格结构等生长方案。还采取了如表面Si 处理/Mg 处理等外延粗糙化技术、应变补偿技术、渐变生长技术等,以提高光提取效率和内量子效率,改善器件的光谱性能。

         需要指出的是由于InGaN 外延层存在较大的应变,其晶格的完整性较差,对于量子阱阱宽和阱In 组分的精确评测需要在高分辨率X 射线衍射仪测试基础上,结合透射电子显微镜卢瑟福背散射等手段加以综合分析。

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