LED外延技術(shù)的最新進(jìn)展

1、目 錄目 錄第一章第一章 引引 言言.11.1 LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及優(yōu)勢.11.3 本文的研究意義 .2第二章第二章 GAN 基襯底基襯底 LED 外延技術(shù)的最新進(jìn)展外延技術(shù)的最新進(jìn)展.32.1 GAN 基 LED 襯底的選擇.32.2 SI襯底 GAN 基 LED 的生長方式.42.3 SI襯底 GAN 基 LED 面臨的問題.52.4 Si 襯底 GaN 基 LED 的研究進(jìn)展 .62.4.1 Si 襯底 GaN 器件的研究進(jìn)展.62.4.2 Si 襯底 GaN 基 LED 的研究進(jìn)展 .72.5 本章小結(jié).9參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).10第一章 引 言第一章 引 言1.1 LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及優(yōu)

2、勢LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展最初開始于 1907 年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)半導(dǎo)體材料兩端加上電壓后能發(fā)光。20 世紀(jì) 60 年代，第一只用 GaAsP 制作的 LED 問世1。1968年，出現(xiàn)了第一批 LED 產(chǎn)品。20 世紀(jì) 70 年代，LED 得到了迅速的發(fā)展，其發(fā)光效率得到了迅速增加，顏色也出現(xiàn)了多樣化，包括綠光、黃光等。1996 年，第一只白光 LED 研制成功了，并于 1998 年出現(xiàn)第一批白光 LED 產(chǎn)品2。使得 LED產(chǎn)業(yè)從之前單純的標(biāo)識顯示功能向應(yīng)用性的照明功能邁出了意義重大的一步。LED 是世界照明工業(yè)一次全新的革命3。與其他傳統(tǒng)的照明燈相比，LED 具有下列顯著的優(yōu)勢：1. 耗電量小

3、，綠色環(huán)保：LED 理論上實(shí)現(xiàn)了能耗降為白熾燈的 10%，熒光燈的 50%。壽命增加到熒光燈的 10 倍，白熾燈的 100 倍。而能源消耗中，人類照明消耗排名第二，約高達(dá)全部能源消耗的四分之一，但是如果傳統(tǒng)的白熾燈能夠用 LED 燈取代，那么照明損耗將減小到原來的 10%6，并且可以實(shí)現(xiàn) CO2減排原來的 90%，這是最簡單而且最有效的節(jié)能減排手段。2. 壽命長，可靠耐用，維護(hù)費(fèi)用低：LED 可以連續(xù)工作 10 萬小時(shí)，大功率LED 也可連續(xù)使用 5 萬小時(shí)以上，相比普通的白熾燈壽命長了約 100 倍。3. 點(diǎn)亮速度快：LED 在汽車信號燈等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，這歸功于 LED 的響應(yīng)速度極快。

4、因此，若在汽車上安裝高位 LED 剎車燈，可有效地減小交通事故的發(fā)生。4. 適用性極廣，易控制與管理：LED 燈的體積可以做得非常小，因此對各種設(shè)備的設(shè)計(jì)與布置而言更加方便，靈活，適用于各種各樣的場合。LED 燈既易于進(jìn)行分散控制或者對點(diǎn)調(diào)節(jié)控制，也可進(jìn)行集中性控制，可以通過 LED 控制電路方便地對其亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)變化效果的控制。近十多年來，科學(xué)家們對 LED 研究的不懈努力，使得其發(fā)光效率在不斷提高，從最初的 51m/W，到現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室的 2001 m/W 和商用的 1501m/W，LED 燈的發(fā)光效率早已高于熒光燈與白熾燈。目前，商用和民用市場均已經(jīng)為大功率LDE 敞開了大門。早從

5、 2009 年開始，許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始禁用白熾燈并提倡LED 外延技術(shù)的最新進(jìn)展用 LED 燈取而代之，全球其它國家和地區(qū)政府也將在近幾年開始陸續(xù)用 LED 取代白熾燈。隨著大功率 LED 價(jià)格的不斷下降，發(fā)光效率的不斷提高，LED 將最終取代其他傳統(tǒng)的照明光源成為通用照明燈而進(jìn)入千家萬戶。隨著各國對于環(huán)境保護(hù)的逐步重視，節(jié)能減排已經(jīng)成為各個(gè)國家以及各級政府的工作重心，所以對于全球 LED 相關(guān)從業(yè)者和商家而言，眼前最大的商機(jī)就是利用各國的節(jié)能政策，把握住白熾燈向節(jié)能燈轉(zhuǎn)變的替換潮。大力推進(jìn) LED 產(chǎn)業(yè)的研制與發(fā)展，在很大程度上將大幅度減少環(huán)境污染和能源消耗，因此，對于世界和平以及各國可持

6、續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略性的意義6。照明應(yīng)用的巨大能量消耗是不容忽視的，即降低照明應(yīng)用的能耗意義重大。有效的辦法是通過研究發(fā)光效率高的燈飾燈具，而 LED 燈優(yōu)越的性能成為各商家研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。1.3 本文的研究意義LED（Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）是由磷、氮等的 III-V 族化合物如砷化鎵（GaAs） 、磷化鎵（GaP） 、以及磷砷化鎵（GaAsP）等半導(dǎo)體制成的當(dāng)前，LED 實(shí)現(xiàn)固態(tài)照明（SSL）受到了諸多因素的影響，最主要的是 LED亮度及其成本。雖然近十多年一直在致力于通過改善外延層生長工藝使得位錯(cuò)密度得到了較大的改善，但位錯(cuò)作為非輻射復(fù)合中心，對器件的光電性能具

7、有非常重要的影響9。目前，GaN 基 LED 主要采用異質(zhì)外延 MOCVD 生長。最常用的襯底有藍(lán)寶石（Al2O3） 、硅（Si）和碳化硅（SiC）三種7-8。獲得高質(zhì)量的有源層的生長方法主要有金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積（MOCVD）與分子束外延（MBE） 。目前 InGaN 基 LED 通常在藍(lán)寶石（Al2O3） 、硅（Si）和碳化硅（SiC）三種襯底上生長。GaN 與襯底間晶格和熱膨脹系數(shù)的不匹配導(dǎo)致了很高的位錯(cuò)密度。外延材料為 LED 的核心部分，LED 的波長、亮度、正向電壓、光功率等主要光電參數(shù)基本上取決于外延材料。LED 外延技術(shù)是 LED 技術(shù)的核心，是半導(dǎo)體照明的關(guān)鍵技術(shù)所在。LED

8、 外延技術(shù)的研究最大限度的降低缺陷密度、提高晶體質(zhì)量，是 LED 技術(shù)一直追求的目標(biāo)。 第二章 GaN 基襯底 LED 外延技術(shù)的最新進(jìn)展第二章 GaN 基襯底 LED 外延技術(shù)的最新進(jìn)展隨著信息技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光二極管（LED）在我們生活中扮演著重要的額角色，尤其是高亮度 LED，在許多場合較為常見。日光燈雖然效率比白熾燈高許多，但由于其發(fā)出的光閃爍和色調(diào)不柔和，在家庭照明中不受歡迎。而紅、綠、藍(lán)三基色 LED 組合，可以獲得更加有效、更令人滿意的光源。而 GaN 基 LED 從根本上解決了 LED 中紅綠藍(lán)三種基色中缺失藍(lán)色和綠色的問題，大大拓展了 LED 在各行的應(yīng)用。GaN 基 LED

9、在照明、醫(yī)療器械、電子產(chǎn)品、汽車尾燈、路燈等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛10-11。各大生產(chǎn)商家都在大力開發(fā)對 LED 的研發(fā)力度，使得 LED 亮度更高，發(fā)光效率更高。2008 年 Gree 展出的 Xlamp MC-E LED，有冷白、中性白、暖白三種系列，250mA 下亮度分別為 456lm、376lm、350lm。童年，Epistar的實(shí)驗(yàn)水平達(dá) 100lm/W，Philips 的水平為 115lm/W，Osran 為 136m/W。2010 年，Gree 宣布退出業(yè)界最亮、效率最高的發(fā)光二極管，350mA 下光效率為132lm/W。2.1 GaN 基 LED 襯底的選擇藍(lán)綠光 LED 主要由

10、寬禁帶半導(dǎo)體材料 GaN 基材料制備形成的，如GaN、AlGaN、InGaN 以及 AlInGaN。襯底材料的選擇對 GaN 晶體具有至關(guān)重要的影響，從而影響 LED 性能。襯底的選擇通常需要考慮晶格常數(shù)的匹配、熱膨脹系數(shù)的匹配、成本與晶體尺寸大小等等。最常用的襯底有藍(lán)寶石（Al2O3） 、硅（Si）和碳化硅（SiC）三種8-9。商用 GaN 材料的外延大部分采用藍(lán)寶石與碳化硅作為襯底。但二者由于成本高而且難以得到較大尺寸的單晶。因此研究們一直在尋找可以代替二者的襯底材料，其中藍(lán)寶石更加普遍，藍(lán)寶石和 GaN 一樣具有六方對稱型結(jié)構(gòu)，而且高溫下也很穩(wěn)定。制備工藝相對于 SiC 而言也較為穩(wěn)定，

11、但是藍(lán)寶石不導(dǎo)電的特性使得垂直器件的制造基本不可能，而且導(dǎo)熱、晶格匹配等都讓藍(lán)寶石無法成為 GaN 最理想的襯底選擇。作為 GaN 的襯底選擇，SiC 明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)比藍(lán)寶石較為理想，首先 SiC 與 GaN 的晶格失配比只有 4%，而且 SiC 能導(dǎo)電更有利于器件的制作，并且在 SiC 襯底上已經(jīng)獲得了高質(zhì)量的 GaN 材料，LED 外延技術(shù)的最新進(jìn)展但 SiC 較高的成本制約了其作為 GaN 襯底的發(fā)展。Si 相比于二者而言，具備成本、單晶尺寸大、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好、各種制造技術(shù)較為成熟等特點(diǎn)。而且 Si 襯底上生長 GaN 薄膜有望實(shí)現(xiàn)光電子和微電子的集成。因此，Si 作為 GaN 薄膜襯底具有

12、重大的應(yīng)用價(jià)值，Si 基 GaN 技術(shù)一旦成熟，將使得 GaN 基 LED 器件的應(yīng)用大大拓寬。不論選擇何種沉底，襯底上的許多不足之處如晶體質(zhì)量以及與 GaN 的結(jié)核性等可以通過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚淼牡礁纳?。例如，Hiroshi Amano 等人用 MOCVD 方法在藍(lán)寶石沉底與高溫 GaN 之間引入低溫緩沖層 AlN，能有效緩解藍(lán)寶石與GaN 之間的應(yīng)力，一直裂紋，并且減小材料位錯(cuò)密度，獲得如鏡面般的 GaN 薄膜，使得 GaN 膜的結(jié)構(gòu)與性能得到顯著提高。H.Lahreche 等人用低壓 MOCVD在藍(lán)寶石上生長出了高質(zhì)量的 GaN 層，運(yùn)用了電解質(zhì)做掩模材料，最優(yōu)化的島狀橫向外延使得 GaN

13、材料的質(zhì)量有了顯著提高。2.2 Si 襯底 GaN 基 LED 的生長方式GaN 基 LED 外延技術(shù)主要有三種：氫化物氣相外延（HVPE） 、金屬化學(xué)氣相淀積（MOCVD） 、分子束外延（MBE） 。金屬有機(jī)化學(xué)氣象淀積（MOCVD）最為常用。其基本原理是控制一定流量的載氣流過裝有金屬有機(jī)源鋼瓶，攜帶有飽和蒸汽壓的金屬有機(jī)源的各路氣流通入到一定溫度的襯底，在靠近襯底或者襯底表面的氣體薄層內(nèi)反應(yīng)沉積成膜。MOCVD 技術(shù)的主要缺點(diǎn)是：由于氨氣的高熱穩(wěn)定性，為了熱分解氨氣必須對稱的進(jìn)行高溫家人。但由于襯底存在熱失配，因此生長之后的冷卻會給外延層帶來較大的應(yīng)變和缺陷。在高溫生長的條件下，GaN 不

14、可避免的分解為 Ga 和 N2，從而形成氮空位，使得生長出來的 GaN 外延層呈現(xiàn) n 型導(dǎo)電。相對于 MBE 與 HVPE，MOCVD 的優(yōu)勢在于它的生長速度快，容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；纳a(chǎn)。使得 MOCVD 成為各種化合物半導(dǎo)體薄膜生長的主流生長方式。分子束外延（MBE）是一種真空蒸發(fā)薄膜制備技術(shù)。在超高真空下，控制不同源的射束噴射到襯底表面，實(shí)現(xiàn)外延膜的逐層生長。缺點(diǎn)是生長速度較慢，不易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。但其較慢的生長速度，使得 MBE 能很精確的控制薄膜的厚度，制作微結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用較為廣泛，界面過渡十分陡峭12。為了降低沉底溫度以及對H 可以自由處理，許多研究者把 GaN 生長的注意力轉(zhuǎn)移向了對 M

15、BE 的探索，尤第二章 GaN 基襯底 LED 外延技術(shù)的最新進(jìn)展其是當(dāng) N 元素可以通過使用 ECR 方法離解 N2來獲得以后。目前 MBE 生長 GaN面臨的主要問題是生長速率過慢，由于 LED 器件的外延層較厚，生長時(shí)間過長，不能進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。此外，由于深能級補(bǔ)償，MBE 生長獲得的 GaN 表面為絕緣-半導(dǎo)體特性。HVPE 生長方式在 GaN 材料的發(fā)展中起到了十分重要的作用，早前，都采用HVPE 來生長 GaN。但采用 HVPE 得到的 GaN 存在很高的本底載流子濃度，使得 p 型 GaN 的研究無法進(jìn)行。從而逐漸被 MOCVD 取代。HVPE 以 GaCl3和NH3作為生長源，

16、生長速度很快，可到到每小時(shí)幾十位微米，十分食欲 GaN 的橫向外延生長以及提供厚的自支撐 GaN 沉底，HVPE 的缺陷是，由于生長過程很快，無法對膜的厚度進(jìn)行精確的控制，此外，反應(yīng)氣體對設(shè)備的腐蝕性嚴(yán)重影響了GaN 材料純度的提高。2.3 Si 襯底 GaN 基 LED 面臨的問題Si 襯底 GaN 基 LED 雖然具有較大的優(yōu)勢，但是，在工藝上仍然存在很多困難。首先，Si 與 GaN 具有較大的晶格失配和熱失配系數(shù)，失配比分別約為 17%和 56%，比藍(lán)寶石和碳化硅均較大。晶格失配的主要問題是在外延過程中引入位錯(cuò)，影響薄膜的質(zhì)量。更糟糕的是 56%的熱失配系數(shù)，Si 和 GaN 兩種材料之

17、間熱膨脹系數(shù)的巨大差異使得 GaN 材料在外延過程中由高溫降至室溫時(shí)，內(nèi)應(yīng)力會造成嚴(yán)重的“龜裂”現(xiàn)象。這是 Si 襯底外延 GaN 基 LED 一直受阻的原因。此外，由于 Si-N 的鍵能很大，Si 襯底遇活性 N 易形成無定性的 SiNx，影響GaN 的生長質(zhì)量。再者，Ga 滴回熔效應(yīng)，即 Ga 滴與 Si 形成合金19，會快速服飾 Si 襯底與外延層。在此后近 20 年 Si 襯底 GaN 都沒什么長進(jìn)。直到緩沖層的引入才使得 Si 襯底 GaN 基 LED 的研究活躍起來。因此，緩沖層一直是 Si 襯底GaN 基 LED 器件的研究重點(diǎn)。而針對 SiN 的形成，用 MBE 方法生長 Ga

18、N 一般采用在生長 AlN 緩沖層之前在 Si 襯底上鋪 Al 或者 Al 源與氨氣交替通入來避免，此技術(shù)可以在界面抑制無定型氮化硅的形成，并促進(jìn) GaN 的二維生長。用 MBE在 Si（111）襯底上直接生長 GaN 會在 GaN/Si 界面形成無定型 SixNy層，并促使生長的 GaN 外延層 為多晶。為了得到高質(zhì)量的 GaN，緩沖層成了研究熱點(diǎn)，通過合理的控制生長條件，抑制氮化硅的形成等等，最終得到了無龜裂的外延層。插入緩沖層和掩模技術(shù)是解決龜裂的兩種主要方法，緩沖層主要有低溫 AlN 插入LED 外延技術(shù)的最新進(jìn)展層、AlGaN 緩沖層、組份漸變 AlGaN 緩沖層、AlN/GaN 超

19、晶格緩沖層、3C-SiC和 AlN 復(fù)合緩沖層。掩模技術(shù)包括 SiO2掩模技術(shù)與 SixNy掩模技術(shù)。2.4 Si 襯底 GaN 基 LED 的研究進(jìn)展2.4.1 Si 襯底 GaN 器件的研究進(jìn)展Manasevit 等人首次對 Si 襯底的氮化物生長進(jìn)行了研究，1971 年，首次在Si（111）襯底上用 MOVPE 的方法生長 AlN。但是當(dāng)時(shí) Si 襯底上生長 GaN 存在很多問題，嚴(yán)重的晶格失配在薄膜中引入了大量的位錯(cuò)。其次，巨大的熱失配使得生長降溫時(shí)，薄膜中產(chǎn)生很大的張應(yīng)力，從而導(dǎo)致龜裂。再者，Si-N 鍵能很大，因此 Si 遇到活性 N 時(shí)很容易形成無定形的 SiNx，對薄膜質(zhì)量影響

20、嚴(yán)重13。接下來的近 20 年，Si 襯底的氮化物生長基本沒有取得任何進(jìn)展。直到藍(lán)寶石襯底上引入低溫緩沖層后使得 GaN 薄膜的質(zhì)量得到了很大的改善以及對 p 型 GaN 的成功研制后，Si 襯底 GaN 材料的研究才開始開展起來。Gahu 等人用 MBE 獲得了第一支 Si 襯底 GaN 基 LED 以后，研究者們對 Si 襯底 GaN 基 LED 的研究引起了進(jìn)一步的關(guān)注。針對 Si 與 GaN 之間存在的各種問題，研究者們開始了對 Si 襯底緩沖層的研究如 AlAs，GaAs，AlN，HfN，ZnO。GaN 的質(zhì)量強(qiáng)烈依賴于緩沖層的性能，因此對于緩沖層的研究一直是 Si 襯底 GaN 的

21、重點(diǎn)。對于無定形的 SiNx，用 MBE 方法生長 GaN 一般采用在生長 AlN 緩沖層錢在Si 襯底上鋪 Al 或者 Al 源與 NH3交替通入來避免14-15，此技術(shù)可以在界面一直SiNx的行成，并促進(jìn) GaN 的二維生長。S.A.Nikishin 等采用氣源 MBE 技術(shù)生長高質(zhì)量的 GaN，用 AlN 作為緩沖層，通過合理控制生長條件，抑制 SiNx的行成，同事在 AlN 上生長 GaN/AlGaN 超晶格，得到了無龜裂的 GaN 層。MOCVD 生長中，高溫生長 AlN 緩沖層比低溫生長的 AlN 更利于 GaN 二維生長。但 GaN 與 Si襯底之間巨大的熱膨脹系數(shù)差使外延膜處于

22、張應(yīng)力狀態(tài)，這就使 GaN 在降溫過程中容易產(chǎn)生裂紋。Follstaedt 等人用 MOCVD 技術(shù)在 1080oC 生長的 AlN 緩沖層上生長 2.2um 的 GaN 薄膜，表面光亮平整，但在降溫過程中表面產(chǎn)生了龜裂。對于龜裂，研究者們采用了各種方法。例如低溫插入 AlN 緩沖層、AlGaN 緩沖層、組分漸變 AlGaN 緩沖層、AlN/GaN 超晶格緩沖層、SixNy掩膜技術(shù)、SiO2掩膜技術(shù)等等。第二章 GaN 基襯底 LED 外延技術(shù)的最新進(jìn)展2.4.2 Si 襯底 GaN 基 LED 的研究進(jìn)展GaN 基 LED 的研究最初開始于 20 世紀(jì) 60 年代，作為最早生產(chǎn)彩色電視機(jī)的公

23、司之一，美國廣播公司（Radio Corporation oa America）的工程師 Paul Maruska 使用 HVPE 方法在藍(lán)寶石才襯底上上第一次得到了 GaN 單晶薄膜。隨后的十幾年里，對 GaN 基 LED 的研究幾乎陷入了停頓狀態(tài)。直到 1986 年，Amano引入低溫緩沖層提高 GaN 晶體質(zhì)量，在藍(lán)寶石上獲得了表面光滑的高質(zhì)量 GaN薄膜。之后，相繼開發(fā)了藍(lán)光以及藍(lán)綠光 LED，開展了對 Si 襯底 GaN 基 LED 的研究，Si 襯底 GaN 基 LED 因其大尺寸、低成本等優(yōu)勢成為了研究熱點(diǎn)。1998 年，IBM 公司的 Guha 等人首次用 MBE 生長方式在

24、n 型 Si 襯底上第一次制備出了 GaN 基紫外及紫色 LED，該 LED 由 n-AlxGa1-xN、6nmGaN、p- AlxGa1-xN、15nmp-GaN 組成，其發(fā)光波長分別為 360nm 和 420nm，電壓為 12V時(shí)，正向電流 14-65mA16。1999 年，Tran 等人用 MOVPE 技術(shù)在 Si（111）襯底上生長出了藍(lán)光 LED，該 LED 為 InGaN/GaN 多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)，該 LED 器件在 4V 時(shí)開始發(fā)光，發(fā)光波長為 465nm，工作電壓為 8 時(shí)，工作電流為 20mA。薄膜片存在裂紋。在反向偏置 10V 時(shí)，其反向漏電流為 60uA17。200

25、0 年，J.W.Yang, A.Lunev 等人用 MBE 與 MOVPE 相結(jié)合的方式生長了用 10nm 的 AlN 作為緩沖層的 LED 器件，該 LED 器件為 0.2um n+-GaN、50nm n-GaN/4QW(3nm In0.22Ga0.78N/3nmGaN)/0.15um p-GaN 結(jié)構(gòu)，外延片存在少量裂紋，工作電壓 10V 時(shí)，串聯(lián)電阻約 250 歐18。具體方法是先用 MBE 在 Si（111）襯底上生長 AlN 緩沖層，然后用 MOVPE 方法再生長 0.2um 的摻雜硅 GaN，接著沉積 0.2um 厚的 SiO2掩模層，并用光刻開出 300umx300um 的窗口，

26、再用 MOVPE方式進(jìn)行選區(qū)生長，生長的 In0.22Ga0.78N/GaN 量子阱 LED 外延片厚度小于 1um。外延片裂紋密度與在平面 SiC 襯底上生長的相似結(jié)構(gòu)相當(dāng)。在選區(qū)生長的MQWLED 結(jié)構(gòu)上面采用 Pd/Au 作為透明電極，n 型電極則從 Si（111）襯底背面引出。該材料制成的 LED 峰值波長為 465nm，半高寬為 40nm。正向開啟電壓為3.2V。正向微分電阻約為 250 歐，該值大約比藍(lán)寶石襯底上高質(zhì)量 LED 的大 4 倍。P 型摻雜濃度低、p 型接觸不良、AlN/Si 界面微分電阻及來自 SiO2掩模中的 Si 補(bǔ)償摻雜可能是正向微分電阻很高的原因。另外他們也給

27、出了其 LED 在不同溫度下的 I-V 特性曲線，測試的最高溫度達(dá)到 250 攝氏度，這說明在 Si（111）襯底上已經(jīng) 獲得了性能較穩(wěn)定的 GaN 基 LED。LED 外延技術(shù)的最新進(jìn)展2000 年，M.Adachi, N.Nishikawa 等人用 MOVPE 生長方式獲得了用 120nm的 AlN 以及 380nm 的 Al0.27Ga0.73N 作為緩沖層的 LED 器件，該 LED 器件的結(jié)果由 4um n-GaN、3QW(3nm Ga0.87In0.13N/5nm Ga0.99In0.01N)、2nm p-Al0.15Ga0.85N、100nm p-GaN 組成。外延片存在少許裂紋

28、，工作電壓大于 8V，同側(cè)電極及上下電極結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電阻分別問 200 歐及 1000 歐19。他們采用常壓MOCVD 技術(shù)生長 Si 襯底 GaN 基 LED，用2001 年，E.Feltin, S.Dalmasso 等人用 MOVPE 生長方式獲得了用 AlN 以及超晶格 AlN/GaN 作為緩沖層的 LED 器件，該 LED 器件的外延片存在龜裂，工作電壓約為 10.7V，串聯(lián)電阻 150 歐20。他們采用 AlN/AlGaN 緩沖層來減少應(yīng)力，獲得了裂紋較少的 LED 外延片，LED 外延片的光致發(fā)光峰值波長為 430nm，半高寬為 18nm。對于同側(cè)電極與上下電極兩種結(jié)構(gòu)的 LED，閾

29、值電壓均為 3V，這與藍(lán)寶石襯底上的 GaN 基 LED 的相當(dāng)，而串聯(lián)電阻則分別為 200 歐和 1000 歐，這都大于藍(lán)寶石襯底上的 GaN 基 LED 結(jié)構(gòu)。高阻的原因之一是因?yàn)?Si 襯底 GaN基 LED 結(jié)構(gòu)的 p 型 GaN 質(zhì)量不高，上下電極結(jié)構(gòu)電阻比同側(cè)電極結(jié)構(gòu)高出許多的原因有可能是 AlN/AlGaN 緩沖曾高阻引起的。2001 年，A.Dadgar, A.Alam 等人采用 MOVPE 方式獲得了用 30nm 的 AlN 以及 0.2um n-GaN/AlGaN 作為緩沖層的 LED 器件，該 LED 器件同樣為量子阱結(jié)構(gòu)，外延片存在龜裂，工作電壓為 4.5-6.5V，串

30、聯(lián)電阻約為 80-130 歐21。其 LED 器件為上下結(jié)構(gòu)，閾值電壓為 2.5V，這與藍(lán)寶石襯底上 GaN 基 LED 的相當(dāng)，工作電流為 20mA，器件的工作電壓在 4.5-6.5V 之間，其串聯(lián)電阻在 80-130 歐之間。但該方法制備的 LED 期間存在龜裂，為解決 Si 襯底 GaN 存在龜裂的問題，它們采用了兩種方法，一種是圖形技術(shù)：先在 Si 襯底上用 SixNy 掩模，后用標(biāo)準(zhǔn)的光刻技術(shù)及濕法刻蝕的方法在其上開出 100 x100um2的窗口，然后在窗口區(qū)進(jìn)行材料生長，用該方法得到了厚達(dá) 3.6um，無龜裂的多量子阱 LED 結(jié)構(gòu)外延層，用這種方法制備的 LED 輸出功率約為

31、100uW，開啟電壓為 3.2V，串聯(lián)電阻為 350 歐。2002 年，T.Egawa, B.Zhang 等人用 MOCVD 方式獲得了用 120nm 的 AlN 以及 380nm 的 Al0.27Ga0.73N 作為緩沖層的 LED 器件，LED 外延片無龜裂，工作電壓約為 7V，串聯(lián)電阻為 100 歐，輸出功率為 20uW22。2002 年，T.Egawa， T.Moku 等人用 MOCVD 方式獲得了用 3nm AlN 以及AlN/GaN 作為緩沖層的 LED 器件，LED 外延片無龜裂，工作電壓為 4.1V，串聯(lián)電阻約為 30 歐，輸出功率為 18uW23。第二章 GaN 基襯底 LE

32、D 外延技術(shù)的最新進(jìn)展2002 年，A.Dadgar, M.Poschenrieder 等人用 MOCVD 獲得了用 20nm AlN/0.5um n-GaN/10-15nm T-AlN/n-GaN/LT-AlN/in itu SixNy掩膜/0.2um GaN 作為緩沖層的 LED 器件，該 LED 外延片無龜裂，工作電壓約為 4-5V，串聯(lián)電阻約為55 歐，輸出功率為 152uW24。2003 年，B.J.Zhang, T.Egawa 等人用 MOCVD 獲得了用 2.5nm AlN/30nm Al0.3Ga0.7N/20(5nmAlN/20nm GaN)作為緩沖層的 LED 器件，該 L

33、ED 外延片無龜裂現(xiàn)象，為同側(cè)電極及上下電極結(jié)構(gòu)，工作電壓分別人 3.7V 及 4.2V，串聯(lián)電阻分別為 33 歐和 42 歐，輸出功率分別為 34.7uW 和 34.4uW25。2005 年，T.Egawa 等人利用 MOCVD 生長方式獲得了以高溫 thin AlN/n-AlGaN/AlN-GaN multilayer 作為緩沖層 LED 器件，該 LED 工作電壓約為 3.8-4.1V，藍(lán)光輸出功率為 1.5-2mW26，外延片無裂痕。香港科技大學(xué)對 Si 襯底 GaN 基 LED 外延技術(shù)的研究也較為成熟，采用MOCVD 生長方式生長出了用 HT-AlN nuclear layer/S

34、iNx,HT-AlN interlayer 作為緩沖層的 LED 器件，該 LED 器件工作電壓為 4.3V，輸出功率為 0.7mW，外延片無裂痕。2.5 本章小結(jié)由本章以上四節(jié)可知，人們對 GaN 基 LED 器件做了大量的研究工作，在先進(jìn)制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，GaN 基 LED 研制成功了，其中藍(lán)寶石襯底的 LED 已經(jīng)進(jìn)入了商品化，但作為襯底材料，藍(lán)寶石還不是很理想，其價(jià)格昂貴、硬度高、不導(dǎo)電、不易進(jìn)行切割，因?yàn)槠骷谱鞴に噺?fù)雜。而 Si 襯底，可以解決藍(lán)寶石的問題。因?yàn)楸菊轮饕獙?Si 襯底 GaN 基 LED 器件的發(fā)展進(jìn)行了闡述。雖然Si（111）襯底 GaN 基 LED 的質(zhì)量的到了

35、很大的提高，但生長無龜裂的 GaN 外延膜，其厚度收到了限制，其應(yīng)力釋放機(jī)理有待進(jìn)一步研究。LED 外延技術(shù)的最新進(jìn)展參考文獻(xiàn)1 付賢政. 高亮度 LED 綜述J .中國西部科技，2011, 10(19):12-132 Sinnadurai R., Khan M.K.A.A., Azri M., Vikneswaran, V. Development of white LED down light for indoor lightingC. Sustainable Utilization and Development in Engineering and Technology (STUDEN

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