外延結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)

外延結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識(shí)襯底Al2O3優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對(duì)成熟缺點(diǎn)：晶格失配和熱失配、導(dǎo)電性和機(jī)械性差SiC市場(chǎng)上的占有率位居第2優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等缺點(diǎn)：價(jià)格太高、晶體品質(zhì)難以達(dá)到Al2O3和Si那麼好、機(jī)械加工性能比較差Si優(yōu)點(diǎn)：晶體品質(zhì)高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等。缺點(diǎn)：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(jí)品質(zhì)的GaN材料（si摻過多同樣會(huì)出現(xiàn)）。另外，由于硅襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)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(lán)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(cè)量，熱膨脹系數(shù)在1073K下測(cè)量H2Anneal高溫處理表面（H2狀態(tài)下）主要起到清潔表面作用、時(shí)間不宜過長、否則對(duì)襯底本身會(huì)有一定的影響，尤其是pss襯底高溫處理的時(shí)間和溫度是關(guān)鍵的控制因素如果生長前襯底不進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，即使緩沖層工藝控制得很好，位錯(cuò)密度也會(huì)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(yīng)Buffer的厚度，最好是在25nm左右（非晶體結(jié)構(gòu)）緩沖層Rough高溫下退火，退火實(shí)際本身就是一種再結(jié)晶的過程，但一般的退火過程不會(huì)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(jié)構(gòu)。GaN是60%離子化合物半導(dǎo)體，纖維鋅礦結(jié)構(gòu)是它最穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)退火結(jié)束后，開始進(jìn)行GaN的重結(jié)晶過程（3D生長）。初時(shí)在藍(lán)寶石基板上的GaN量子點(diǎn)（buffer生成的）的密度和尺寸應(yīng)遵守正態(tài)分布，重結(jié)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(gè)釋放體系能量的過程，所以重結(jié)晶之后的GaN島的尺寸和密度也應(yīng)遵守正態(tài)分布。這樣的結(jié)晶效果并不是最理想的GaN島長到一定尺寸時(shí)就不會(huì)再有明顯的橫向生長，轉(zhuǎn)而進(jìn)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(cuò)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(lán)寶石基板對(duì)成核中心進(jìn)行晶體定向，這樣才不會(huì)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(shù)的采用大大改善了體材料的晶體質(zhì)量其生長過程為準(zhǔn)二維生長模式，即經(jīng)歷孤立成島、島長大、高溫退火（重結(jié)晶）、準(zhǔn)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(jié)晶質(zhì)量好，表面平坦的外延層，為下面生長NGaN作準(zhǔn)備雜質(zhì)濃度盡量低NGaN高溫下，重?fù)絊i，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(huì)使晶體質(zhì)量變差；相反會(huì)影響電子的提供量較低的生長溫度導(dǎo)致遷移率的下降。GaN（3價(jià)）里摻入Si（4價(jià)）Si摻雜摻雜濃度低，高阻的nGaN會(huì)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(jié)晶完整性會(huì)隨著Si原子的摻入而降低，同時(shí)一般LED的P型GaN蓋層的生長溫度較高，Si原子的二次，擴(kuò)散作用也會(huì)隨著Si摻入量的增加而增加，如果Si穿過有源區(qū)而擴(kuò)散到p型歐姆接觸層，還會(huì)嚴(yán)重影響pGaN蓋層的電學(xué)特性SL（superlattice）對(duì)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(yīng)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(qiáng)度，從而也改進(jìn)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(jié)構(gòu)，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(duì)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(fù)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(shí)，摻入的In跑掉。Barrier:使之質(zhì)量變好，界面平坦。Barrier溫度越高，結(jié)晶質(zhì)量會(huì)越好，但溫度過高會(huì)影響WELL的結(jié)構(gòu)，well中的In會(huì)擾動(dòng)（In→In+N）LTPGaN提高亮度（溫度低表面會(huì)粗）Mg下降IV會(huì)降低、過高會(huì)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(huì)有霧化,表面產(chǎn)生粗化現(xiàn)象為了避免對(duì)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(duì)較多的Mg摻雜和高的離化率；Mg等受主摻雜劑的能級(jí)較深，激活能較高，離化率低；Mg作為受主在反應(yīng)過程中會(huì)被H鈍化而形成Mg-H絡(luò)合物；Mg具有相對(duì)