外延結構基礎知識

外延結構基礎知識襯底Al2O3優(yōu)點：化學穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟缺點：晶格失配和熱失配、導電性和機械性差SiC市場上的占有率位居第2優(yōu)點：化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等缺點：價格太高、晶體品質(zhì)難以達到Al2O3和Si那麼好、機械加工性能比較差Si優(yōu)點：晶體品質(zhì)高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導電性、導熱性和熱穩(wěn)定性等。缺點：由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si襯底上很難得到無龜裂及器件級品質(zhì)的GaN材料（si摻過多同樣會出現(xiàn)）。另外，由于硅襯底對光的吸收嚴重，LED出光效率低。GaN材料和常用襯底材料的晶格失配和熱失配襯底晶格常數(shù)(A)晶格失配度GaN/襯底%熱膨脹系數(shù)X10-6/K熱膨脹系數(shù)失配度GaN/襯底%GaN3.189----------5.59----------藍寶石(0001)4.75816緩沖層解決7.5-346H-SiC(0001)3.08354.225Si(111)5.43-16.93.5936以上晶格常數(shù)在300K下測量，熱膨脹系數(shù)在1073K下測量H2Anneal高溫處理表面（H2狀態(tài)下）主要起到清潔表面作用、時間不宜過長、否則對襯底本身會有一定的影響，尤其是pss襯底高溫處理的時間和溫度是關鍵的控制因素如果生長前襯底不進行高溫熱處理，即使緩沖層工藝控制得很好，位錯密度也會高一些Buffer連接Al2O3與GaN的中間劑，粘合劑(Al2O3和GaN適配率高）。Bufferratio反應Buffer的厚度，最好是在25nm左右（非晶體結構）緩沖層Rough高溫下退火，退火實際本身就是一種再結晶的過程，但一般的退火過程不會有明顯的晶粒長大現(xiàn)象，經(jīng)過高溫退火后形成高溫GaN相，是纖維鋅礦結構。GaN是60%離子化合物半導體，纖維鋅礦結構是它最穩(wěn)定的晶格結構退火結束后，開始進行GaN的重結晶過程（3D生長）。初時在藍寶石基板上的GaN量子點（buffer生成的）的密度和尺寸應遵守正態(tài)分布，重結晶過程是大尺寸GaN晶粒吞噬小尺寸GaN晶粒的過程，這是一個釋放體系能量的過程，所以重結晶之后的GaN島的尺寸和密度也應遵守正態(tài)分布。這樣的結晶效果并不是最理想的GaN島長到一定尺寸時就不會再有明顯的橫向生長，轉而進行高速的縱向生長，想要通過降低GaN島的密度來降低螺形位錯密度受GaN的晶體特性限制。緩沖層本身的作用就是給后續(xù)GaN的生長提供成核中心，藍寶石基板對成核中心進行晶體定向，這樣才不會長出多晶GaN的異質(zhì)外延中，TMGa/TEGa為Ga源，NH3為N源。緩沖層技術的采用大大改善了體材料的晶體質(zhì)量其生長過程為準二維生長模式，即經(jīng)歷孤立成島、島長大、高溫退火（重結晶）、準二維體材料生長等步驟。其生長過程和質(zhì)量可由工藝參數(shù)(Ⅴ/Ⅲ比、生長溫度和壓力等)去控制和調(diào)節(jié)GR（recovery）高溫下生長不摻雜GaN，獲得結晶質(zhì)量好，表面平坦的外延層，為下面生長NGaN作準備雜質(zhì)濃度盡量低NGaN高溫下，重摻Si，作為電極層，提供電子，摻雜濃度在5 *1018左右、厚度一般在4um左右、生長速率一般在2.0um/h左右。濃度太高、厚度太厚、生長速率過快都會使晶體質(zhì)量變差；相反會影響電子的提供量較低的生長溫度導致遷移率的下降。GaN（3價）里摻入Si（4價）Si摻雜摻雜濃度低，高阻的nGaN會影響電子向有源區(qū)的注入，并增加焦耳熱，影響器件的可靠性。Si的摻雜濃度較高:GaN材料的結晶完整性會隨著Si原子的摻入而降低，同時一般LED的P型GaN蓋層的生長溫度較高，Si原子的二次，擴散作用也會隨著Si摻入量的增加而增加，如果Si穿過有源區(qū)而擴散到p型歐姆接觸層，還會嚴重影響pGaN蓋層的電學特性SL（superlattice）對后面的MQW起到承接過度作用聚集電子、提高亮度緩解了量子阱有源區(qū)中的應力，改善了多量子阱表面形貌，減少了V型缺陷密度，而且提高了多量子阱的光致發(fā)光強度，從而也改進了LED的發(fā)光效率MQW(多量子阱）InGaN/GaN量子阱是LED材料的核心結構，在其生長過程中，因低溫生長有利于In的并入和減少In-N分解，而高溫生長能獲得高質(zhì)量的GaN材料，為此InGaN/GaN多量子阱生長采用高低溫法。InGaN/GaN多量子阱生長過程中生長溫度、載氣成分、上下氣流比、生長中斷、生長速率等工藝條件對In組分的并入及材料特性有著重要的影響。包括WELL和Barrier，提高電子和空穴的復合效率厚度范圍：Well：約20埃=2nm,barrier:140-150埃=15-16nmMQW(多量子阱）Well:外延片的核心部分，電子聚集的地方，在N2中生長，摻InCappinglayer:緊隨WELL后面長的一層GaN,其目的是蓋入WELL，防止生長Barrier升溫時，摻入的In跑掉。Barrier:使之質(zhì)量變好，界面平坦。Barrier溫度越高，結晶質(zhì)量會越好，但溫度過高會影響WELL的結構，well中的In會擾動（In→In+N）LTPGaN提高亮度（溫度低表面會粗）Mg下降IV會降低、過高會有霧化P-AlGaN（電子阻擋層）ALN作為柵欄防止電子跑掉，如果P層發(fā)光，IV降低，光衰很大HTP-ALGaN在全H2高溫環(huán)境中，AL很容易摻入HTPGaN提供空穴，摻雜效率較低Mg過高會有霧化,表面產(chǎn)生粗化現(xiàn)象為了避免對已生長的InGaN/GaNMQW造成損壞，P-GaN的生長溫度不能過高。P型摻雜困難非故意摻雜的GaN材料本身具有很高的n型背景載流子濃度，要獲得高的p摻雜需要相對較多的Mg摻雜和高的離化率；Mg等受主摻雜劑的能級較深，激活能較高，離化率低；Mg作為受主在反應過程中會被H鈍化而形成Mg-H絡合物；Mg具有相對