MOCVD学习一PPT演示课件.ppt

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1、1,MOCVD外延生长和测试评价学习总结,日 期：2011年04月15日,2,目录,/族氮化物概述 GaN材料的特性 GaN基LED的基本结构 蓝宝石衬底上GaN基LED外延材料的生长 GaN基LED外延的晶体评测技术 总结,3,概述,/族氮化物主要以Al、In、Ga、N材料为主，包括InN、GaN、AlN、InGaN、AlGaN、InAlN和AlInGaN等。InN带隙为0.77eV，GaN为3.2eV，AlN为6.2eV，其禁带宽度覆盖了红光到紫外光间的光谱。 /族氮化物属于直接带隙化合物半导体材料。 常温常压下/族氮化物半导体具有密集堆积的稳态纤锌矿结构六方相和亚稳态闪锌矿结构立方相两种

2、晶体结构形式(如下图)，还具有高压情况下才存在的岩盐结构。其中闪锌矿结构的/族氮化物具有更好的P型掺杂效率，同时作为量子阱发光材料时也具有更好的光增益系数，但在高温下容易相变，阻止了材料的制备与器件的发展。因此，目前用于器件的GaN材料都是纤锌矿结构。,4,GaN材料的特性,5,GaN材料简介,GaN基材料属于/族半导体，是继Si基半导体和GaAs、InP基半导体之后的新一代宽禁带半导体材料。GaN基材料属于直接带隙半导体材料，因此非常适合制作发光器件。 基于GaN基材料制作的半导体器件已广泛应用：如显示领域、照明领域、存储领域、通信领域、太阳能光伏领域等。 综上所述，GaN基材料和器件已有广

3、泛而重要的应用。因此，GaN基材料和器件的研究对发展国民经济，促进科技进步，具有重要的意义。,6,GaN材料的特性(一)与传统第一、二代半导体材料的性质差异,1. GaN基材料热导率接近于Si，相比GaAs材料高的多。 2. GaN基材料熔点相比传统半导体材料高很多，此外GaN基材料具有十分良好的抗腐蚀性能和很高的硬度，这使得它能适应在高温等恶劣环境下工作。 3. GaN具有很高的电子饱和漂移速度，因此可制作高频、高速器件。 4. GaN击穿电场比其它半导体材料高，可在更高的偏置电压下工作，能满足高功率的工作要求。 5. 含In的GaN基材料具有独特的发光特性。,7,GaN材料的特性(二)极化

4、特性简介,GaN基材料属于/族半导体，但它与常用的GaAs基等材料的闪锌矿结构不同，它既具有闪锌矿结构又具有纤锌矿结构。纤锌矿结构的GaN与传统的/族半导体材料有许多不同之处，其中一个最重要的不同就是纤锌矿结构的GaN在0001方向是有极性的。 在闪锌矿结构中存在对称面，正负离子的中心相互重合，所以材料没有极化产生。而对于纤锌矿结构，为非中心对称结构，在0001方向并不存在对称面，正负离子的中心有所偏离，因而产生极化，这个就称为自发极化。在宏观的平衡状态下，它的总极化电荷并不为零，所以GaN基材料表现为极性材料。 纤锌矿结构中也存在非极性面，如m(1-100)、a(11-20)都是GaN材料的

5、非极性面。不过目前非极性GaN基材料的生长仍在研究阶段，并未大规模应用于生产。,8,GaN材料的特性（三）镓极性和氮极性比较,/族氮化物系列材料中，传统MOCVD生长出的外延层，其晶体的堆叠方式可能是纤锌矿结构，也可能是闪锌矿结构。而目前生长GaN基材料大部分在蓝宝石的0001方向上生长，具有纤锌矿结构，因此这些GaN基材料都是有极性的。这时的GaN材料有两种，一种是镓极性的，一种是氮极性的。这两种材料虽然都是纤锌矿结构，但是物理性质、电学性质却有很大的区别： 1. 镓极性GaN外延层易于实现表面平整的晶体，而氮极性GaN表面则布满了六角形的金字塔结构的粗糙表面。 2. 稳定性差异：两种不同极

6、性的GaN的化学腐蚀特性恰好相反，镓极性GaN耐酸碱，氮极性GaN能被KOH溶液所腐蚀；氮极性GaN在950-1000时升华，而镓极性GaN在1000 以上时仍然是稳定的。 3. 利用MOCVD生长GaN材料时，碳、氧、铝等杂质更容易进入氮极性的GaN薄膜，因此氮极性GaN中的载流子浓度远高于镓极性GaN，即有背景掺杂浓度相对高得多。同时，镓极性GaN相对于氮极性GaN具有更高的电子迁移率。 4. 镓极性GaN更易于实现Mg掺杂，其掺杂效率为氮极性GaN的30倍；做金属p型GaN欧姆接触时，镓极性GaN的接触电阻比氮极性小了两个数量级。 从以上两种极性GaN基材料性质对比，镓极性GaN相比氮极

7、性GaN具有更好的外延质量和电学性能，因此制取高质量GaN基半导体器件，通常在外延生长过程中控制镓极性GaN。,9,GaN基LED的基本结构,典型的GaN基LED通常由蓝宝石衬底、GaN缓冲层、n型GaN、GaN/InGaN多量子阱有源层、p型GaN以及电极构成。其常规结构如下：,10,蓝宝石衬底上GaN基LED外延材料的生长,11,GaN基LED外延材料的生长技术及设备简介,GaN基半导体材料生长方法有多种，包括：MBE(分子束外延)、HVPE(氢化物气相外延)、ALE(原子层外延)以及MOVPE。其中HVPE具有生长速率快等特点，主要用于生长大面积的GaN衬底；MBE、ALE和MOVPE均

8、用于器件生长。目前仅有MOVPE技术生长的GaN基器件实现了大规模的产业化。主要原因是： 1.生长速度相对快，外延生长质量高； 2.可以获得超薄层结构； 3.工艺灵活性大，可以生长出各种复杂的结构； 4.不需要超高真空，维护简单； 5.反应室规模容易扩展。 目前MOVPE设备制造公司主要分为德国AIXTRON(英国THOMAS SWAN公司已被其收购)公司和美国VEECO公司。还有日本的NIPPON Sanso和Nissin Electric等，其只限于日本国内销售。,12,GaN基外延的技术难点,GaN基LED外延工艺还不够成熟，依然存在许多技术难点： 1. 衬底和GaN晶格失配和热失配大，

9、导致外延生长出来的GaN有较多的晶格缺陷、位错和翘曲等；(见附表1) 2. NH3理解温度很高，GaN材料的生长温度下，只有小部分NH3被裂解； 3. GaN材料的生长温度很高，必须考虑热扩散造成的影响； 4. TMAl等源与NH3之间存在着严重的预反应。 5. 较难获得高载流子浓度的p-GaN材料。由于GaN体材料最常见的点缺陷是N空位，呈现出N型特征，要在GaN材料中获得p-GaN，需要注入较多的Mg原子，但Mg原子大部分是作为间隙原子进入GaN材料中去的，在GaN材料中能级位置较深，其激活能为170meV，能被有效激活的原子占比很少，高迁移率的p-GaN较难获得(在AlGaN材料中，Mg

10、的离化率更低)； 6. 较强的极化效应影响。GaN基材料存在较大的自发极化，在GaN基材料中构成的异质结构，存在极强的压电极化效应。如MQW中阱InGaN和垒GaN晶格常数不匹配，存在着压电场的影响，使得电子和空穴不能在同一K空间中有效复合，降低了复合效率，从而影响了LED的内量子效率； 7. 较难获得高质量的InGaN材料。InGaN合金中的InN由于In原子半径较大，其和N原子之间的原子力较小，In原子很容易解析出，这使得高质量InGaN材料合金较难在高温下生长取得。,13,GaN材料和常用衬底材料的晶格失配和热失配附表1,以上晶格常数在300K下测量，热膨胀系数在1073K下测量。,14

11、,GaN材料生长前的氮化步骤附表2,GaN和AlN有接近的晶格匹配和热膨胀系数，因此采用AlN衬底，将得到更低缺陷密度的GaN外延。因目前大尺寸高质量的AlN材料无法制备，因此在做GaN材料时会在衬底上先氮化一薄层类似AlN的材料。,15,GaN体材料的生长(一),蓝宝石衬底(0001)是目前GaN基材料外延中最普遍的衬底材料，也是到目前为止综合性能最优的外延GaN材料的衬底。 GaN的异质外延中，TMGa/TEGa为Ga源，NH3为N源。缓冲层技术的采用大大改善了体材料的晶体质量。其原理如下图：,其生长过程为准二维生长模式，即经历孤立成岛、岛长大、高温退火（重结晶）、准二维体材料生长等步骤。

12、其生长过程和质量可由工艺参数(/比、生长温度和压力等)去控制和调节。,16,GaN体材料的生长(二),在普通的-族材料外延中，采用具有一定偏角的衬底通常具有释放外延层的应力，提高生长速率和掺杂浓度的作用。GaN材料生长中采用向(1120)方向偏置0.2o的(0001)方向的蓝宝石衬底。对比采用非偏向衬底和偏向衬底生长的晶体质量；如下图(AFM粗糙度约0.2nm)：,a.无偏向衬底的原子台阶无固定取向，呈随机分布，存在较多的螺位错。b.有偏向衬底的原子台阶基本保持平行，有固定取向，而且取向与衬底偏向一直，表明衬底的偏向对外延层的生长有一定的导向作用。,a.无偏向衬底,b.有偏向衬底,无偏向和有偏

13、向衬底生长GaN材料的AFM图像,17,n-GaN的生长,GaN的n型掺杂剂为SiH4。在GaN中，Si是浅能级施主杂质，通常n-GaN的掺杂浓度约为8x1018cm-3 。 通过Hall、AFM和XRD测量可知： 1.Si掺杂效率很高，几乎随着Si掺杂浓度线性变化。 2.相同生长温度下较低的掺杂水平对n-GaN材料表面形貌影响较小，只有n掺杂浓度较高时，材料表面形貌才会明显恶化。 3.较低的生长温度导致迁移率的下降。 因此，在器件设计时要综合考虑掺杂和生长温度等对电学性能、材料表面形貌和晶体质量的影响。,18,InGaN/GaN多量子阱的生长,InGaN/GaN量子阱是LED材料的核心结构，

14、在其生长过程 中，因低温生长有利于In的并入和减少In-N分解，而高温生长能获得 高质量的GaN材料，为此InGaN/GaN多量子阱生长采用高低温法。 InGaN/GaN多量子阱生长过程中生长温度、载气成分、上下气流比、 生长中断、生长速率等工艺条件对In组分的并入及材料特性有着重要 的影响。 InGaN/GaN多量子阱的难点： 1.InGaN/GaN多量子阱因材料异质外延导致高密度的位错，从而 晶体质量较差，也因此导致InGaN/GaN多量子阱的辐射复合效率低； 2.蓝光LED中，InGaN量子阱通常约为2nm，n-GaN势垒厚度约 为11nm。界面的不平整会对载流子形成散射，从而影响辐射复

15、合效率。 通过HR-XRD和低温光致荧光谱评测，升高生长温度、增加载气 中的H2的含量，都会降低In的并入效率；较大的上下气流比、较高的 生长温度对高质量的InGaN量子阱较有利。,19,为了避免对已生长的InGaN/GaN MQW造成损坏，P-GaN的生长 温度不能过高。 P型掺杂较困难，影响因素和优化技术： 1.非故意掺杂的GaN材料本身具有很高的n型背景载流子浓度，要获 得高的p掺杂需要相对较多的Mg掺杂和高的离化率； 2.Mg等受主掺杂剂的能级较深，激活能较高，离化率低； 3.Mg作为受主在反应过程中会被H钝化而形成Mg-H络合物； 4.Mg具有相对较大的共价原子半径，因此高掺杂会损失

16、晶格质量， 产生大量的缺陷，从而提高了背景电子浓度，进一步阻碍高浓度空穴 的需求。 GaN的Mg掺杂存在着掺杂浓度和晶格损伤的矛盾，为了提高空 穴载流子浓度，同时减小对晶格损伤以抑制背景电子浓度，GaN的 Mg掺杂有一个折中的最佳浓度；Mg-H络合物会在N2或O2中，温度 为700-900，热退火约30min后分解，使得Mg掺杂有效活化；利用 AlGaN/GaN超晶格结构的空穴微带效应降低AlGaN中受主元素的激 活能，提高受主的离化率。,p-GaN的生长,20,GaN基LED的内量子效率,GaN基LED的内量子效率分为注入效率和辐射复合效率，主要与多量子阱的质量和器件结构设计有关。在GaN基

17、材料中，难于生长高掺杂的P型材料和低背景电子浓度的多量子阱区是造成器件结构设计困难的主要原因。 在实际的GaN基LED器件中主要存在扩散电流和隧穿电流两种电流输运机制，当正向电压较小是，由于pn结势垒较高，扩散电流所占的比例很小，此时隧道电流为注入电流主要成分，当正向电压增大是，pn结势垒降低，扩散电流迅速增大成为注入电流的主要成分。而对于LED而言，只有扩散电流是将载流子输运到MQW有源区，对发光有贡献的，而隧道电流是一种非辐射复合产生的漏电流，它消耗了注入的载流子，因此要提高LED的注入效率，就要尽量避免隧穿漏电流。电流输运如下图1:,经过优化设计后，发现加入p-GaN插入层可以阻挡部分电

18、子到达p-AlGaN界面进行隧穿复合，并且Mg掺杂水平越高，对电子的阻挡作用越强。,图 1,图 2,21,GaN基LED的发光量子效率的外延能带示意图,22,GaN LED外延的结构,23,GaN LED外延的工艺,GaN LED外延制备： 1. 蓝宝石衬底放入MOCVD反应室在H2气氛中加入到1080，并保持 10 min以清洁衬底表面； 2. 降温到530 左右，通入NH3进行N化衬底，后生长约25nm的低温 GaN缓冲层，最后再升温到1000-1050 进行缓冲层热退火，使GaN 分解重结晶； 3. 升温到1030 ，生长约2um的非故意掺杂GaN薄膜；接着生长2um厚的n-GaN作为n

19、电极接触层，其掺杂浓度约8x1018cm-3； 4. 接着生长InGaN/GaN多量子阱作为有源层，势阱InGaN和势垒GaN的生长温度分别为740 和820 ，其中量子阱的周期、In组份、p-n结位置随着产品要求变化； 5. 量子阱生长后，升温到930 生长30nm的p-AlGaN作为电子阻挡层和150nm厚的p-GaN(p型区的掺杂浓度约5x1019cm-3)，再热退火30分，最后生长一层薄的ITO接触层。,24,GaN基LED外延的晶体评测技术,25,GaN LED外延的晶体评测技术,生长的GaN外延晶体评测方法包括HR-XRD、AFM、 Hall、OM、PL、EL、拉曼散射光谱、C-V

20、测试等等。 XRD设备可在高分辨率或者三轴(Tri-axis)模式下测试各 个晶面的摇摆曲线(Rocking Curve)及倒易空间图 (Reciprocal Space Mapping，RSM),获得外延材料的晶体 质量、组分、应变及厚度等信息。 2. AFM可以采用接触式、非接触式、敲击模式等方式测量 外延表面形貌。 3. 霍尔测试系统，采用Van Der Pauw法测量材料的载流子 浓度和迁移率等参数。 4. PL测量外延深度能级杂质缺陷发光及材料发光量子效率 估测。,26,X射线衍射技术(一),XRD是结晶完整性分析的得力工具，在外延生长工艺 中，对材料生长和器件研究具有很强的指导意义

21、。 原理：X射线波长是0.01-10nm的电磁波，穿透力较 强，当照射到晶体物质后发生衍射作用。当晶面与X射线 的夹角满足Bragg定律时将具有衍射极大角，即： 2dsin=n 当晶体中存在位错或其他损伤(层错、孪晶、层错)时，晶 格发生畸变，原来严格平行的各晶面，将会在平衡位置的左 右发生微小的偏差。那些有微小偏差的晶面在正常Bragg角 左右产生衍射作用，从而衍射峰将会展宽。 X射线测量中，最主要的参数是衍射峰的角位置和半高 宽FWHM(一般体单晶在几秒或几十秒)。FWHM可以反映出 晶畴取向的变化、晶格畸变产生的晶面间距变化和晶粒尺寸 效应。 因此，X射线是利用单色平面波在晶面中的衍射和

22、干涉 现象研究晶面厚度、晶面质量等参数的技术。,27,X射线衍射技术(二),X光衍射的半高宽可以反映出晶畴取向的变化、晶格畸变产生的晶面间距的变化和 晶粒尺寸效应。常用的X光衍射是双晶X光衍射，其扫面模式有模式、2模式2/ 模式。 总的FWHM既有来自角向的贡献，也有来自径向的贡献，角向展宽由晶畴取向不一 致造成，径向展宽由晶格畸变造成。异质结材料由于晶格晶格常数不同，其X射线峰将 不同，从而可以计算其晶格失配度;根据Vergard定律计算外延层的组分。 aalloy=XaA+(1-X)aB 通过有效晶体近似，得到能带结构为：,X射线双晶衍射示意图,28,X射线衍射技术(三),从X射线衍射摇摆

23、曲线来看，多量子阱卫星峰之间的小峰清 晰可见，由此可以判断多量子阱的界面非常平整，并且组分波 动很小。,29,原子力显微镜AFM,AFM可以采用接触式、非接触式、敲击模式等方式测量 外延表面形貌。 原理：将一个对微弱力极敏感(灵敏度10-10N)的微悬臂一 端固定，另一端有一个原子尺度针尖，由于针尖尖端原子与 样品原子间存在的微弱作用力(如范德华力)，扫描样品时在 这些力的作用下，针尖会随着样品表面的起伏不平而上下运 动，这样利用光学或隧道电流检测法来测得微悬臂对应于扫 描各点的位置变化就可以得到样品表面的形貌信息。AFM分 辨率达到原子分辨，纵向为0.05nm，横向为0.15nm左右。 影响

24、分辨率的主要因素是针尖的形状和操作参数，其中针尖 的曲率半径和侧壁的夹角决定针尖的优劣。 AFM测量样品表面质量时，最常用的参数是RMS（均方 根粗糙度）。,30,霍尔测量技术,霍尔测试系统是研究半导体材料电 学性能的重要方法，可以提供半导体的 导电类型、载流子浓度、迁移率、电阻 率、深能级等信息。目前最广泛使用的 是Van der Pauw法，可对任意形状的 样品进行测量。,31,光致发光技术(一),光致发光方法，能直观的显示半导体材料的能带结 构，它具有非接触、无损伤、高灵敏度、重复性好等优 点，是研究半导体材料中杂质、缺陷及本征性质的有效 手段。 光致荧光强度随着穿透位错密度的升高而急剧

25、下降。 在晶体材料中的位错包括螺位错和刃位错，其中螺位错 的影响要大于刃位错几乎整一个数量级。在GaN晶体中 002面主要是刃位错，102面主要是螺位错，刃位错较螺 位错多。,32,光致发光技术(二),原理：处于某固定温度的半导体材料，在能量大于禁带宽度的稳恒 单色激光器照射下，引起本征吸收，价带上的点在跃迁到到带上，形成 电子空穴对，这种非平衡的载流子通过不同的过程弛豫到半导体材料的 不同能级上，通过各种机理产生跃迁，与非平衡空穴复合，其中的辐射 复合就是光致发光。发光过程如下：1.本征发光C-V；2.自由激子复合 发光Ex-V；3.束缚激子的复合Ex-B；4.施主能级到价带的复合D-V；5. 导带到受主能级的复合C-V；6.施主能级到受主能级的复合D-A;7.深能 级有关的复合发光C-DA或DD-V。如下图，,