硅上GaN LED不必受應(yīng)力的影響，一定量的應(yīng)力阻礙了輸出功率。英國(guó)一個(gè)研究小組通過原位工具監(jiān)測(cè)溫度和晶片曲率，制備出低位錯(cuò)密度的扁平型150mm外延片，并將這些芯片安裝到器件中，使得內(nèi)量子效率接近40%。
硅襯底在典型生長(zhǎng)溫度下可保持穩(wěn)定性，成本低;它的直徑可上升至300mm,且硅表面適合外延生長(zhǎng)，結(jié)合以上特點(diǎn)，硅襯底被選作生長(zhǎng)氮化物的平臺(tái)。硅上氮化物外延片也能用到硅工業(yè)中標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)設(shè)備，使得芯片的生產(chǎn)更具成本效率，芯片能接受綁定，并轉(zhuǎn)變?yōu)榉庋b型LED。
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一個(gè)由英國(guó)政府資助、領(lǐng)軍企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)牽頭的項(xiàng)目，用MOCVD設(shè)備在150mm的硅(111)襯底上開發(fā)出硅上GaN LED，包括RFMD英國(guó)團(tuán)隊(duì)、劍橋大學(xué)、Aixtron UK、QinetiQ和Forge Europa。
如今LED生產(chǎn)使用的襯底材料一般是藍(lán)寶石和SiC，比起它們硅有著重要的優(yōu)勢(shì)，但也有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，那就是硅與GaN的晶格和熱膨脹系數(shù)極度失配。在典型的生長(zhǎng)溫度1000℃時(shí)，若GaN直接被沉積到硅襯底上，自此刻起在生長(zhǎng)薄膜中產(chǎn)生了拉應(yīng)力，而且隨著晶片降至室溫，兩種材料之間不同的膨脹系數(shù)導(dǎo)致了拉應(yīng)力的增大。除非得到正確的控制，這種應(yīng)力甚至?xí)率笹aN薄膜的破裂。往往產(chǎn)生了晶片翹曲，這會(huì)讓面向硅加工設(shè)計(jì)的自動(dòng)化設(shè)備束手無策。作為比較，當(dāng)?shù)锷L(zhǎng)在SiC襯底上，彼此的熱膨脹和晶格系數(shù)相當(dāng);然而在藍(lán)寶石上生長(zhǎng)時(shí)它們會(huì)引起GaN薄膜的緊縮，但這不會(huì)產(chǎn)生裂縫。
GaN與硅之間的晶格嚴(yán)重失配，致使外延片中的位錯(cuò)密度相對(duì)高一些。雖然氮化物L(fēng)ED對(duì)高度位錯(cuò)表現(xiàn)出難以置信的適應(yīng)性，藍(lán)光LED的位錯(cuò)密度還是跌破109cm-2，IQE值也會(huì)隨之下降。
在初期生長(zhǎng)階段，硅與反應(yīng)腔中的載氣發(fā)生反應(yīng)，在晶體表面產(chǎn)生瑕疵，其表面形貌已不適合隨后的GaN生長(zhǎng)，這是硅的另一弱點(diǎn)。
劍橋大學(xué)開發(fā)的藍(lán)光LED生產(chǎn)工藝可解決所有的這些問題。其中，利用Aixtron的CCS MOCVD設(shè)備制備外延結(jié)構(gòu)，設(shè)備適合生長(zhǎng)單個(gè)150mm晶片(或多個(gè)2英寸晶片)，并配有原位監(jiān)測(cè)儀器用于測(cè)量晶片翹曲及溫度。在150mm的硅(111)襯底上，先沉積一層復(fù)雜的勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，以控制應(yīng)力和晶片曲率;接著，生長(zhǎng)一個(gè)帶InGaN量子阱和GaN勢(shì)壘層的多量子阱(MQW)LED結(jié)構(gòu)，能發(fā)出460nm的光;最后才是一個(gè)摻鎂p型GaN(圖1a)。
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圖1.LED的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)降低位錯(cuò)的SiNx層(a);Aixtron的Argus工具與LayTec提供的Epicurve監(jiān)測(cè)器一起，可測(cè)量出晶片翹曲以及晶片溫度(b)。生長(zhǎng)過程可分為四個(gè)步驟：預(yù)生長(zhǎng)熱處理，AlN晶核層、勢(shì)壘層和n型GaN層，多量子阱區(qū)域和p型GaN層，以及退火/冷卻。
襯底在氫氣氛圍內(nèi)退火之后，移除本征半導(dǎo)體層并形成一個(gè)梯田狀，并回流至硅表面。生長(zhǎng)過程如下：先沉積一個(gè)AlN晶核層，確保硅表面不會(huì)分解;接著是一個(gè)復(fù)雜的勢(shì)壘結(jié)構(gòu)。通過對(duì)勢(shì)壘層的成分和厚度進(jìn)行仔細(xì)的控制以平衡應(yīng)力;當(dāng)生長(zhǎng)溫度降至室溫時(shí)，熱膨脹失配在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力。
為了降低位錯(cuò)密度、提高LED的性能，在勢(shì)壘層上又沉積GaN和AlGaN層。插入SiNX層是一項(xiàng)用于生長(zhǎng)藍(lán)寶石上氮化物薄膜的技術(shù)，在很大程度上能降低線位錯(cuò)密度。
原位工具持續(xù)地監(jiān)測(cè)晶片的溫度和曲率是成功的關(guān)鍵，可再次生長(zhǎng)出平整而無裂縫的材料。在劍橋大學(xué)，反應(yīng)室內(nèi)襯底的溫度通過Aixtron的Argus工具進(jìn)行圖形表征，并利用LayTec的Epicurve提供實(shí)時(shí)的晶片曲率測(cè)量。
我們所使用的硅有輕微的凸起翹曲，一經(jīng)加熱和在位式退火之后會(huì)變成凹型，這是因?yàn)?，此時(shí)襯底底端的溫度比頂面要高(圖1b)。AlN晶核層的添加使得凹型翹曲更為嚴(yán)重，但隨著勢(shì)壘層以及摻硅GaN層的生長(zhǎng)，表面又呈現(xiàn)凸起狀，壓應(yīng)力隨之增加。量子阱的生長(zhǎng)和勢(shì)壘層導(dǎo)致曲率發(fā)生了少許變化，我們能察覺到，之后往GaN層中摻雜鎂元素時(shí)，反應(yīng)腔內(nèi)的溫度會(huì)增加，晶片因而變得更加凸起。薄膜的拉應(yīng)力產(chǎn)生于GaN與硅之間存在的熱膨脹系數(shù)差異，通過沉積勢(shì)壘層匹配物，優(yōu)化其翹曲程度，這樣晶片在冷卻后還非常平整。
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圖2.Aixtron的Argus溫度分布圖顯示了整個(gè)150mm晶片的剖面溫度。通過調(diào)整反應(yīng)腔加熱器的放射區(qū)，能將任何差異逐一最小化(a, b, c)
生長(zhǎng)工藝的開發(fā)把150mm外延片的生產(chǎn)帶入更佳狀態(tài)，整個(gè)表面的高度變化低于50祄。這些晶片適合用RFMD的高產(chǎn)量生產(chǎn)設(shè)備來加工處理。
為確保晶片在冷卻時(shí)保持表面平整，必須在生長(zhǎng)溫度時(shí)引入翹曲;由于襯底與基座之間有著距離差異，整塊晶片的溫度會(huì)有明顯的變動(dòng)。溫度變化對(duì)InGaN LED生長(zhǎng)不利，他們改變了量子阱中的銦組分以及發(fā)光波長(zhǎng)。幸運(yùn)的是我們能用Argus分布圖來監(jiān)測(cè)這些溫度變化，并通過調(diào)整三個(gè)加熱區(qū)的輸出功率將這些變化降至最小。