（光学专业论文）硅衬底gan基发光二极管设计与外延生长.pdf

中山大学博士学位论文 论文题目：硅衬底g a n 基发光二极管设计与外延生长 专业：光学 博士生：招瑜 指导教师：王钢( 教授) 摘要 近年来，作为固体照明的l e d 光源发展迅速，正逐渐进入到室内照明领域， 并以其节能和环保的特点，受到世界各国政府的重视和支持。单晶硅，是目前应 用最广泛的半导体材料，硅具有良好的导电，导热性，晶体质量高，尺寸大，成 本低，易加工，此外硅技术在半导体工业中已相当成熟。以硅作为g a n 外延生 长的衬底材料是非常引入注目的，因为有可能将半导体器件与硅器件集成。然而， 由于g a n 与硅材料晶格和热应力的不匹配，在硅衬底上生长高质量的g a n 厚膜 非常困难。硅衬底l e d 的生长和制作还许多没有解决的问题，如何提高硅衬底 g a n 外延材料的质量，制作高亮度的硅衬底l e d ，成为世界各国研究机构争抢 的制高点。争取在硅衬底l e d 上有所突破，对我国l e d 产业的发展具有重要的 意义。 本文围绕硅衬底l e d 的设计和硅衬底的g a n 外延生长展开研究。硅衬底 l e d 理论设计的重点是采用光子晶体的结构提高l e d 器件的出光效率；在实验 上，我们研究了缓冲层和插入层对硅衬底的g a n 薄膜的影响，并在硅衬底上尝 试了微纳尺寸的周期性图形掩膜的制作。主要工作和创新点如下： 1 我们发展了一套用于模拟面发射器件如l e d 和o l e d 等光学特性的计算平 台，首次提出了用面光源辐射的方法来处理l e d 器件的出光，和传统的点光 源模型相比，模拟结果更接近实验的结论。 2 我们应用光子晶体l e d 的模拟平台，首次提出了具有内嵌光子晶体反射层的 硅衬底l e d 结构。这种结构利用了衬底与外延层接口处的光子晶体的高反射 特性，可有效的减少发光层的出光进入到吸光的衬底当中。经过合理的设计， 可以将硅衬底l e d 的出光效率提高5 0 1 0 0 。 3 我们分别使用了高温a 1 n 缓冲层，s i c 中间层和低温a l n 插入层的方法，对 硅衬底g a n 的材料生长进行了研究。对a 1 n 缓冲层的研究表明，a i n 缓冲层 的生长温度1 0 0 0 以上时，g a n 可获得较好的晶体质量；我们发现s i c 表 面形貌对后续生长的a i n 和g a n 表面有重要的影响，同时，g a n 薄膜的应 力随着s i c 中间层厚度的增加而逐渐释放；我们对低温a 1 n 插入层的厚度进 行了优化，在硅衬底上成功的获得1 5l am 的无龟裂的g a n 外延薄膜。 4 最后，我们还尝试了微纳尺寸的光子晶体图形硅衬底的制作。我们采用阳极 v 硅衬底g a n 基发光二极管设计与外延生长 氧化铝和激光全息的方法，分别在硅衬底上制作出周期约为1 0 0n n l 和8 5 0 n m ，孔洞直径大小约为8 0a m 和4 0 0n m 的掩模。 关键词：发光二极管，硅衬底，光子晶体 v l 中山大学博士学位论文 t i t l e ：d e s i g na n de p i t a x i a lg r o w t ho fg a n b a s e dl i g h te m i t t i n g d i o d e so ns ili c o ns u b s t r a t e m a j o r ：o p t i c s n a m e ：y uz h a o s u p e r v i s o r ：p r o f g a n gw a n g a b s t r a c t l i g h te m i t t i n gd i o d e s ( l e d s ) ，a sr e f e r r e dt ob et h e “u l t i m a t el a m p ”f o rf u t u r e ， h a sa d v a n c e dt r e m e n d o u s l yi nt h el a s tt w od e c a d e s o w i n gt oi t sl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，l o n gl i f e t i m ea n de n v i r o n m e n tf r i e n d l y ，l e d sh a sg a i ng r e a ta t t e n t i o n a n ds u p p o r tf r o mg o v e r n m e n t sa n do r g a n i z a t i o n sa l la r o u n dt h ew o r l d s i l i c o ni st h e m o s tw i d e l yu s e ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l ，t h ef a v o r a b l ep r o p e r t i e so fs i l i c o n ，s u c ha s h i g h l yt h e r m a la n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v e ，h i g hq u a l i t y ，l a r g es i z e ，l o wc o s tm a k ei ta v e r ya t t r a c t i v es u b s t r a t ef o rg a n b a s e dd e v i c e s m sa l s oo p e n sar o u t et o w a r d sa n i n t e g r a t i o no fl i g h te m i t t e r sa n dh i g hs p e e de l e c t r o n i c sw i t hs it e c h n o l o g y h o w e v e r ， t h el a r g el a t t i c ea n dt h e r m a lm i s m a t c hb e t w e e ns i l i c o na n dg a nh i n d e r st h eg r o w t ho f l l i 曲- q u a l i t yg a n t h i c kf i l m t r e m e n d o u se f f o r t sa r en e e d e dt oa d d r e s st h em a n y t e c h n i c a li s s u e si nt h ee p i t a x yo fi i i - n i t r i d em a t e r i a lo ns i l i c o n r e s e a r c hl a b sf r o m h o m ea n da b r o a da r et a k i n gg r e a tp a i ni ne n h a n c i n gt h eq u a l i t yo fg a na n d f a b r i c a t i n gh i g hb r i g h t n e s sl e d so ns i l i c o n b r e a k t h r o u g h si ns u c hf i e l dw i l lb e n e f i t t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fl e d si n d u s t r y i nt h i st h e s i s ，r e s e a r c hi sf o c u so nt h ed e s i g na n de p i t a x i a lg r o w t ho fg a nb a s e d l e d so ns i l i c o ns u b s t r a t e w et h e o r e t i c a l l yi n v e s t i g a t et h eu t i l i z a t i o no fp h o t o n i c c r y s t a l ( p c ) s t n i c t u r et oe n h a n c et h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fl e d so ns i l i c o n w e a l s oe x p e r i m e n t a l l ys t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fb u f f e rl a y e ra n di n t e r l a y e rt ot h eg a n f i l mg r o w t ho ns i l i c o n f i n a l l y ，w et r i e dt of a b r i c a t em a s ko fn a n o - s c a l er e g u l a r p a t t e r n so ns i l i c o ns u b s t r a t e s o m eo f t h er e s u l t sa r el i s tb e l l o w ： 1 w ed e v e l o p e dat h e o r e t i c a lt r e a t m e n tf o rs i m u l a t i o no fp h o t o e l e c t r o n i cd e v i c el i k e l e d sa n do l e d w ef o rt h ef i r s tt i m eu s e dt h ep l a n a rs o u r c em o d e lt od e a lw i t h t h er a d i a t i o no fl e d s ，w h i c hp r o v i d e dc l o s e rr e s u l t st ot h ee x p e r i m e n tf i n d i n g w h e nc o m p a r e dt ot h a tf r o mt r a d i t i o n a lp o i n ts o u r c em o d e l 2 b yu s i n go u rs i m u l a t i o np l a t f o r m , w ef o rt h ef i r s tt i m ep r o p o s e dt h el e d s s t r u c t u r ew i t hi n t e r r a c i a lp h o t o n i cc r y s t a lr e f l e c t o r s u c hs t r u c t u r eu t i l i z e dt h eh i g h r e f l e c t i v i t yo fe m b e d d e dp cl a y e rt oa v o i dl i g h ta b s o r p t i o ni nt h ea b s o r b e d v i l 硅衬底g a n 基发光二极管设计与外延生长 s u b s t r a t e t h ee x t r a c t i o ne f f i c i e n c yo fl e d so ns i l i c o nc a l l b ee n h a n c e db y 5 0 10 0 a f t e ro p t i m i z a t i o n w ei n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c e o fh i g h t e m p e r a t u r ea 1 nb u f f e rl a y e r ，s i c i n t e r m e d i a t el a y e ra n dl o w - t e m p e r a t u r ea 1 ni n t e r l a y e rt ot h eg a nf i l mo ns i l i c o n s u b s t r a t e o u rr e s e a r c ho na 1 nb u f f e rs h o w e dt h a t ，c r y s t a l sq u a l i t yo fg a nf i l m c a nb ei m p r o v e dw h e nu s i n gg r o w t ht e m p e r a t u r eo fa i n b u f f e ra b o v e10 0 0 ： w ef o u n dt h a tt h er o u g h n e s so fs i cs u r f a c eg r e a t l yi n f l u e n c et h em o r p h o l o g yo f s u b s e q u e n tg r o w t ha i na n dg a n ，a n dt h i c k e rs i ci n t e r m e d i a t el a y e ri s m o r e e f f e c t i v ef o rt h es t r e s sr e l a x a t i o ni ng a n ；b yo p t i m i z i n gt h et h i c k n e s so fl ta i n ， w eo b t a i n e d1 5 i lmc r a c k f r e eg a nf i l mo ns i l i c o ns u b s t r a t e f i n a l l y ，w et r i e dt o f a b r i c a t em a s ko fn a n o s c a l er e g u l a rp a t t e r n so ns i l i c o n s u b s t r a t e u s i n gt h em e t h o do fa n o d i ca l u m i n u mo x i d e ( a a o ) a n dh o l o g r a p h i c l i t h o g r a p h y ，w es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e dm a s ko fn a n o - s c a l er e g u l a rp a t t e r n s o n s i l i c o n t h ep e r i o do fr e g u l a rh o l ef a b r i c a t e du s i n gt h ea b o v em e t h o di sa b o u t10 0 n n la n d8 5 0n n lr e s p e c t i v e l y ，t h ed i a m e t e ro fh o l ei sa b o u t8 0n l i la n d4 0 0n l n r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：l i g h te m i t t i n gd i o d e s ，s i l i c o ns u b s t r a t e ，p h o t o n i cc r y s t a l 生 t 中山大学博士学位论文 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：寇乏掘、 ，r 、 日期：凇lo 年6 月拶日 中山大学博士学位论文 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系数据室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其它方法保存学位论文。 导师签名： 曰期：z 叫睥6 月孑日 孤 1 易 日态了 名 月 签 万 者 u l 懈 哞 文 戤 一 位 期 学 日 中山大学博士学位论文 中山大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“中山大学硕士、博士( 硕士) 学位论文版权 使用规定”，同意中山大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权中山大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名：濂 业年月l 日 中山大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 i i i 族氮化物材料及其器件的进展 1 9 4 7 年第一个晶体管发明以后，硅成为了半导体产业的主导材料。最近三十 年来，无线通信和光电器件发展迅猛，对半导体器件的高频工作和能带调制性能 提出了更高的要求。由于无线器件需求增大，可见光红外发光器件的i n p ，g a a s 基i i i v 族材料得到快速的发展。然而，硅是非直接带隙材料，g a a s ，i n p 及其化 合物的发光带隙处于红光和红外区域，他们并不适合制作应用潜力巨大的蓝光和 紫外光的短波长发光器件。另一方面，g a a s 和i n p 基器件不能在高温下工作，硅 基器件在高频下寄生现象严重，这影响了它们在高频高功率器件上的应用。 i i i 族氮化物材料可以解决传统半导体材料面临的问题。i i i 族氮化物包括 g a n ，a 1 n ， i n n 和它们的合作物。它们都是直接带隙半导体材料，具有很高 的量子效率，带隙为0 8 6 2e v ，带隙发光覆盖了黄绿光，蓝光和紫外光。i i i 族 氮化物制作的短波长l e d 有广泛的市场，可应用于全彩显示，白光l e d ，液晶背 光显示，闪光灯，交通灯和u v 杀菌等。使用蓝光激光器的蓝光d v d ，其存储能 力比传统的红光d v d 提高六倍。另外，i i i 族氮化物带隙宽，原子键能强，具有 良好的抗化学腐蚀的能力，使得相关的器件可工作在高功率，高温和恶劣的环境。 潜在的应力包括高温环境中的电子传感器，蜂窝基站的高功率放大器，军用宽带 通信，高功率高速开关，高功率电源等。基于上述原因，过去的二十年问，世界 各个科研机构作了大量的研究，不断改善g a n 基氮化物的晶体质量，并制作出各 种g a n 基的光电器件。 1 1 1i i i 族氮化物材料生长 热动力学稳定的g a n 结构是具有六方对称性的纤锌矿( w u r t z i t e ) 结构。 纤锌矿结构是由六角单胞组成，因而具有水平方向和垂直方向两个晶格常数q 和c 。每个单胞由两套沿c 轴方向错位( 3 8 ) c 的六角密堆积( h e x a g o n a lc l o s ep a c k ， h c p ) 的子晶格构成，如图1 1 所示。每纤锌矿结构的晶面由一套晶勒指数i i j 来确定，t , i ，k 存在k = 弋i + j ) 的关系。图1 1 显示了沿 0 0 0 1 晶向的g a n 原子 结构。每个子晶格由种原子组成，即g a 和n 双原子面沿 0 0 0 1 方向交替堆垛 而成，沿 0 0 0 1 方向原子堆积顺序为：g a a n a g a a n a g a a n a g a a n a 。 硅村底g a n 摹发光二极管设计与外延生长 幽i - li i i 族氢化物纤锌矿结构示意矧【l 】 用密勒指数标注晶向可保证同晶向的指数相同，但确定过稃较难掌握。也可 使用二三轴坐标系i u v w j 的方法来杯注，两种坐标存在以f 转换关系： i = 1 3 ( z u - v 、 j = 1 ，3 ( 2v u ) k = 一1 3 ( u + v ) l = w 在：方晶系的衬底，! 【l s i ( 0 0 1 1 和g a a s 上生长，可获得g a n 闽锌矿( z i n c b l e n d ) 结构。沿【1 1 1 】方向原子堆积顺序为：g a n g a b n b g a c n c g a a n g a b n b g a c n c 。 虽然理论l j 下方品系的g a i n 的电学特性要优于六方晶系的g a n 但实际生长得到 的正方晶系的g a n 的晶体质量比六方品系的g a n 要差，且通常是包括了两种晶系 的混合相。本论文中涉及的都是纤锌矿结构的六方晶系的g a n 结构。 日前，i i i 族氮化物材料生长最大的挑战是投有适合同质外延的g a n 衬底，表 1 一l 列出了日前经常使用的一些衬底的参数。由于生长过程中须要非常高v 族偏 压，且g a b 的熔点较高g a b 体材料很难获得。= i 匠近，无史撑的g a n 外延片2 3 1 受到关注。通过氢化物汽相外延( h y d r i d ev a p o r p h a s ee p i t a x y h v p e ) ，可以在 监宝石或其它衬底上生长3 0 0 4 0 0um 厚的g a n 4 1 。再通过高功率u v 激光器对 蓝宝石上的g a n 进行村底剥离。这种方法町获得最人3 ”的g a n ，b 延片，通过表面 化学或机械的抛光，可作为氯化物外延生长的衬底，牛长岛质量的氯化物薄膜。 h v p e 生长的g a n 厚膜，缺陷密度可降低年1 0 5 c m 。5 1 ，晶体质量得到明幂的提 高。然而，无支撑的g a n # b 延片尺寸难以打大成本非常高，且背景载流子浓度 较高，影响了它的进一步应用。日前，无支撑的g a n 器件仅限于垂直结构的l e d 6 1 中山人学博士学位论文 表1 1g a n ，a i n ，s i ，s i c 和豫p p h i r e 的材料参数( 热膨胀系为平均值，在不同温度下测量会有 一定的偏差) 【7 1 a l n3 1 l4 9 82 8 54 22 42 5 6 h s i c3 0 8 01 5 1 23 0 3 84 23 52 5 s a p p h i r e 4 7 5 81 2 9 9 11 6 生长g a n 目前用得最多的是蓝宝石( a 1 2 0 s ) 衬底。从上世纪六十年代第一 次使用蓝宝石衬底生长g a n 薄膜开始，蓝宝石一直是氮化物生长的主要衬底。研 究表明【5 】，g a n 材料生长在蓝宝石衬底的c 面可比其它面获得更好的晶体质量。 蓝宝石衬底熔点高，化学性能稳定，晶体质量高，成本相对较低，可获得大至6 ” 衬底。但是，蓝宝石衬底和g a n 存在较大的晶格失配( 1 6 ) 和热膨胀系数失配 ( 3 4 ) ，g a n 的缺陷密度量级在1 0 9 c m 2 ，薄膜存在压应力，厚度一般在1 0l a1 1 1 以下。蓝宝石衬底上的g a n 生长一般须要二步生长( t w o s t e pg r o w t h ) 【8 】或侧向 外延生长( 1 a t e r a le p i t a x i a lo v e r g r o w t h ，l e o ) 9 】的方法来释放g a n 与衬底间的应 力。蓝宝石材料热导系数很低，g a n 材料从衬底方向的导热很差，限制了蓝宝石 衬底g a n 材料在高功率器件上的应用。 从导热系数的匹配角度来看，6 h 或4 h 的s i c 衬底非常适合作为g a n 基材料异 质外延的衬底。s i c 在室温下的高导热特性使得s i c 衬底的器件散热非常好，可在 高功率下工作。在1 0 0 0k 时，s i c 导热系数为3 o 3 8w c m k ，高于蓝宝石和硅衬 底的o 5 1 5w c m k 。良好的导热性，使得s i c 衬底的g a n 基场效应管在高达3 8w ( 1 0g h z ) 的功率下工作 1 0 1 。另外，根据须要制作绝缘或导电的s i c 衬底，可 用于制作侧向的f e t 器件或制作垂直结构的耿氏二极管( g u r md i o d e ，h b t ) 【1 1 】。 然而，和蓝宝石衬底生长的g a n 相比，s i c 衬底生长的g a n 的缺陷密度( 1 0 8 c m 七) 和晶体质量并没有明显改善【1 2 1 ，而且s i c 衬底成本较高。目前，s i c 衬底氮化物 的生长的研究仅局限于产业和大型的研究机构。 单晶硅，是目前应用最广泛的半导体材料。以硅作为g a n 夕b 延生长的衬底材 料是非常引人注目的，因为有可能将i i i 族氮化物器件与硅器件集成。与其它衬底 相比，硅材料晶体质量高，成本低。而且，硅具有良好的导电，导热性，尺寸大， 硅加工工艺技术在半导体工业中已相当成熟。可以想象，如果在硅的衬底上能生 硅衬底g a n 基发光二极管设计与外延生长 长出器件质量的g a n 夕b 延层，这样将大大简化半导体器件的制作工艺，减小器件 的尺寸。在硅衬底上外延生长已经成为当前研究的热点。硅( 1 1 1 ) 面与g a n ( 0 0 0 1 ) 面原子排列相似，一般采用硅( 1 l1 ) 面作为g a n 的外延生长。但由于o a n 夕b 延 材料与硅衬底之间存在巨大的晶格失配和热膨胀系数差别，将在g a n 多 b 延层中造 成高的位错密度( 1 0 9 c m = 2 1 0 1 0 c m 。2 ) 并导致g a n 膜出现龟裂。另外，硅衬底与 g a n 的界面会形成s i n 。层，且g a n 在高温下出现g a 回融的现象，这严重影响了 g a n 夕b 延层的结晶质量。硅在可见光波段有较高的吸光系数，有源层的光进入到 较厚的硅衬底中，将被完全吸收掉，降低了硅衬底发光器件的出光效率。近年来， 硅衬底g a n 夕b 延技术不断发展，g a n 的晶体质量不断提高，已经很接近蓝宝石衬 底的g a n 。在下一节，我们会重点介绍硅衬底g a n 基材料生长的进展。 a l n 厚薄可以通过升华浓缩( s u b l i m a t i o n - r e c o n d e n s a t i o n ，s _ r ) 和物理汽相 传输( p h y s i c a lv a p o u rt r a n s p o r t ，p v t ) 的方法获得【13 1 4 】，这使得用a i n 作为l i i 族 氮化物生长的衬底成为可能。a i n 是生长g a n 材料理想的衬底材料，它结构上与 g a n 相似，与其它衬底相比，a 1 n 和g a n 的晶格和热失配最小，a 1 n 热导率高， 绝缘性能好。a 1 n 作为衬底，可生长高质量的用于短波段的高a l 组分a i g a n 薄膜， 还可应用于须要绝缘衬底的微波器件上。目前，使用s r 的方法获得的最大的a l n 面积为4 7 0m m 2 1 3 ，1 5 1 ，面积小于l 英寸，但成本却非常高，这影响了它的进一步 的应用。如果a 1 n 衬底的尺寸可做到2 英寸以上，且成本可降下来，它将会是氮 化物外延最为理想的衬底材料。 1 1 2i i i 族氮化物材料器件 上世纪九十年代初，高质量的g a n 生长取得重大的突破，以i i i 族氮化物异质 结构为基础的发光二极管( 1 i g h te m i t t i n gd i o d e s ，l e d ) ，固体激光器( 1 a s e rd i o d e s ， l d ) ，场效应管( f i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ，f e t ) 开始被大量研究。a k a s a k i 1 6 在1 9 8 9 年制作了第一个p n 结g a nl e d ，n a k a m u r a 和他所在的n i c h i a 化工在g a n 基l e d 方面做了大量的研究，他们在1 9 9 6 年制作了第一批可商用化的g a n 基l e d 1 7 随后在1 9 9 6 年，n a k a m u r a $ 1 作了第一个室温下工作的g a n 基固体激光器r 1 7 】。从 那以后，g a n 基器件发展迅速。1 9 9 0 年，k h a n 使用m o c v d 的方法成功制作了第 一个a 1 g a n 量子阱异质结构【1 8 】。1 9 9 3 年，k h a n 又制作了第一个g a n 基的场效应 管【1 9 】，它是一个简单的g a n 金属场效应管( m e s f e t ) ，最大的跨导为2 3 m s m m 。从这些开创性的工作之后，g a n 基器件研究引起了人们的广泛关注。 g a n 基场效应管大多数是基于低刖组分的a i g a n g a n 异质结构。m o c v d 方 法生长的蓝宝石衬底a 1 g a n g a n 场效应管在室温下的二维电子气( 2 d e g ) 超过 1 6 0 0c m z m sf 2 0 】，6 h s i c 衬底生长的场效应管迁移率大于2 0 0 0 1 2 1 。另外，基于 金属绝缘体半导体结构的场效应管( m i s f e t s ) 由于采用了高温下稳定的a 1 n 作为栅极，可稳定工作在高温环境t 2 2 2 3 】。 4 中山大学博士学位论文 g a n 氮化物最广泛的应用是在l e d 领域。近二十年来，l e d 的发展迅速，蓝 光l e d 的外量子效率( e q e s ) 可达到5 6 2 4 】，与荧光粉结合而成的白光l e d ， 实验室水平超过1 5 0l m w ，有望取代传统的白炽灯和荧光灯，成为下一代的照明 光源。蓝绿光l e d 一般采用i n g a n 作为发光层材料的双异质结构或多量子阱结 构，紫外光l e d 采用a i g a n 作为发光层材料。研究人员一直致力于提高g a n 基 l e d 的出光效率。作为发光材料的i n g a n 和a 1 g a n 的质量决定了发光器件的内量 子效率( i q e s ) 。异质外延薄膜由于晶格和热应力的失配，薄膜中引入了一定的 应力，应力状态对于发光层材料影响较大，特别是高i n 和高a l 组分的量子阱结构。 以i n g a n 为例，i n n 和g a n 晶格存在失配( 1 1 ) ，在应力状态下会引起压电场【2 5 】， 在i n g a n g a n 量子阱中产生所谓的量子局域s t a r k 效应( q u a n t u mc o n f i n e ds t a r k e f f e c t ) 【2 6 2 7 ，同时，应力状态下的i n g a n 存在i n 组分局域的问题 2 8 2 9 ，引起 能带的漂移( b a n dt a i l i n g ) 【3 0 。另一方面，l e d 芯片的材料和结构特性主要影 响了l e d 的外量子效率。氮化物与空气的界面存在着全反射的现象，只有在全射 角以内的发光层的发光能从器件里出去，导致了外量子效率只有4 【3 l 】。我们从 极化场，应力调制，结构改变几个方面来介绍提高l e d 器件出光效率的一些方法。 影响g a n 基量子阱复合效率的一个因素是纤锌矿结构内部的极化效应。 f 0 0 0 1 】晶向的压电效应和自发极化导致量子阱中形成强的静电场( 1m v c m ) 。 在这个静电场下，电子和空穴在空间上分离，导致载流子辐射复合机率下降。i i l 一 组分会局域在应力积聚的地方，使得辐射波长变长，发生红移现象。量子阱的极 化效应也影响了不同注入功率下辐射波长的稳定性，在大功率注入的情况下，量 子阱的光致和电致发光均发生蓝移 2 6 2 7 ，3 2 。为了解决这个问题，许多研究人 员把目光放在了非极化面( 如，m 面( 1t o o ) 或q 面( 11 2 0 ) ) 或半极化面( 如( 11 2 2 ) 面) g a n 的研究上。把量子阱生长在这种非传统的晶面上，可以减少甚至消除氮 化物材料的极化效应 3 3 3 4 】。研究的初期，通过异质外延的方法生长在q 面g a n 和y 面蓝宝石衬底上的非极性g a n 的缺陷密度非常高，这些缺陷主要是异质外延 引入的线位错( t h r e a d i n gd i s l o c a t i o n s ) ( 1 0 1 0c m - z ) 和堆叠层错( s t a c k i n g f a u l t s ) ( 1 0 5c m - 1 ) 【3 5 1 。最近，使用h v p e 生长的无支撑的非极性g a n 衬底，已经 开始商用化，它是在高质量的c 面厚薄衬底上切下小面积的非极性取向的晶片所 获得 3 6 3 7 】。通过使用线缺陷密度小于5x10 6c m - 2 的m 面衬底，c a l i f o m i a 大学 的圣巴巴拉小组取得重要的进展，辐射在4 0 2i l n a 的l e d # f 量子效率达到4 5 ，与 生长在极化面( c 面) 的i n g a nl e d 相近【3 8 】，而且在高注入功率下，辐射波长 更稳定 3 8 - 4 0 。但是，非极性面g a n 的i n 组分的结合效率比极性面的g a n 要低2 到3 倍，这使得非极性面g a n 基l e d 的辐射波长主要在短波段，蓝光或更长波段 的l e d 难以获得【4 l 】。通过改变量子阱的结构，非极性面g a n 模板上生长的蓝光 ( 4 6 8n m ) l e d 2 0 m a 下的外量子效率为1 6 8 【4 2 。半极性的l e d 在半极性面 硅衬底g a n 基发光二极管设计与外延生长 ( 11 2 2 ) _ j 2 减少了压电极化效应，同时也可获得与极性( c 面) l e d 相近的i n 组分 【4 3 ，这使得半极性的l e d 可获得蓝光，绿光和黄绿光的辐射 4 4 。绿光( 5 1 6 n m ) l e d2 0m a 下的外量子效率为1 0 5 4 3 】，黄绿光( 5 6 2n m ) l e d2 0m a 下的外 量子效率为9 5 【4 5 ，这个参数要优于目前报导的其它黄绿光l e d 。 g a n 基氮化物异质外延引起的应力，不仅在量子阱中产生压电极化场，还会 在外延薄膜中引入大量的缺陷，外延生长中的应力调制对于提高l e d 的出光效应 有重要的影响，特别是晶格和热应力失配较大的硅衬底上的g a n 的生长。对于硅 衬底的外延，获得高质量g a n 的生长参数窗口较窄，各种应力调制的方法，包括 我们在1 1 3 节将介绍的缓冲层和插入层的技术，图形化生长技术等，将显得 尤为重要。为避免重复，这里仅介绍其它的应力调制方法。 侧向过生长( e p i t a x i a ll a t e r a lo v e r g r o w t h ，e l o ) 的方法可有效的释放应力， 减少g a n 薄膜缺陷密度 4 6 】。侧向过生长会在图形化的衬底上同时实现垂直和侧 向的外延生长。在平面的外延生长中，界面产生的线位错会向上层材料延伸，如 果没有结构或生长方式的阻断，位错将会进入到量子阱中，严重降低了量子阱中 的辐射复合效率。在侧向过生长过程中，线位错沿伸的方向阻断在图形界面处， 使用这种方法生长的g a n 和a 1 g a n ，缺陷密度小于5 1 0 7 c m - 2 1 4 7 4 8 1 。在有凹槽 图案的m 面g a n 模板上侧向过生长，可得到应力几乎完全释放的7l am 厚的 i n o 0 7 g a o 9 3 n 薄膜，线位错密度小于1 0 8c m - 2 【4 9 】。虽然侧向过生长增加了工艺和 成本，但它是获得高质量的应力释放的i n g a n 材料的重要手段。 另外，一维的g a n 基化合物可以有效的释放应力和和减少缺陷密度。一维的 g a n 基化合物一般是直径在10 2 0 0n n l ，长度大于1i jm 的纳米线或纳米棒。与平 面的异质外延的应力积聚不同，一维结构的应力可以在侧向得到释放，因此，它 可以允许界面大的晶格失配，抑制位错的产生 5 0 】。包括硅衬底【5 1 1 在内的的各 种衬底上都可获得无位错的单晶纳米线结构。由于应力得到释放，一维的量子阱 结构可以有效的提高内外量子效率。k u y k e n d a l le ta l 使用h v p e 的方法生长了可 获得任意组分的单晶的i n x g a i - x n 纳米棒【5 2 】。m b e 5 1 和m o c v d 5 3 的方法同样 可以生长辐射为绿光或更长波段的i n g a n 纳米线。但是，一维的纳米线或纳米棒 结构的电极制作困难，影响了这种一维发光器件的进一步发展。 除了提高l e d 的内量子效率外，l e d 器件的光萃取的提高和出光的空间控制 也很重要。光的萃取主要是解决光线从高折射率材料( n 2 4 3 5 ) 到封装材料 ( n 1 3 1 5 ) 或空气介质的全反射问题。出光的空间控制主要应用于对出光有特 殊要求的光源，如投影系统，须要偏振控制的显示系统等。倒装芯片技术 ( f l i p c h i p ) 是提高光萃取的一种有效的方法【5 4 】，已经被应用于i n g a n 5 5 5 6 1 和a i i n g a p 5 7 】l e d 的制作当中。i n g a nl e d 包括p h i l i p s l u m i l e d s 公司的薄膜倒 装芯片( t h i n f i l mf l i p c h i p ) l e d 5 8 和o s r a m 的 t h i n g a n ”l e df 5 9 】。倒装 6 中山大学博十学位论文 芯片的制作过程为，首先将芯片倒转，共晶或键合于高反射的金属衬底上，然后 将蓝宝石或s i c 衬底去除，通过对n 型层减薄和表面处理，减少发光层光线传播 的路径，破坏其全反射表面，提高了光线的萃取效率。通过这种方法，可把l e d 的光萃取效率提高至8 0 2 4 。 使用光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 结构对l e d 器件内部发光进行光操控，是 一种有效提高l e d 出光效率，改变l e d 光强分布的方法，我们在1 2 节中作详细 的介绍。 1 1 3 硅衬底g a n 基材料生长 早在1 9 7 1 年，m a n a s e v i te ta 1 报导了m o c v d 的方法在硅( 111 ) 衬底上生长 a 1 n 的研究，但随后的1 5 2 0 年间，相关的研究较少。低温缓冲层 6 0 并f l p 型掺杂 【6 1 6 2 的成功获得，使得蓝宝石衬底的g a n 生长取得了突破，并带动了硅衬底 g a n # b 延的研究。自从使用m b e 的方法制作出第一个硅衬底的l e d 结构 6 3 6 4 】 之后，硅衬底l e d 的研究开始受到人们的关注。品格的失配使得衬底与g a n 界面 的位错密度高达1 0 1 3 c m 3 ，但是异质外延最大的问题来自衬底与外延材料热应力 的失配。特别对于硅材料，巨大的热应力失配，使得g a n 难以长厚，薄膜的龟裂 是硅衬底g a n 夕i 延最常见的问题。有趣的是，由于强的键能和位错激活能，晶格 失配引起的高密度的位错对g a n 基氮化物的影响要明显小于其它i i i v 族化合物。 商用的蓝宝石衬底l e d 的位错密度为1 0 9 c m 五，但其寿命可达到1 0 0 0 0 0 d 、时；蓝 光固体激光器位错密度为1 0 6c m 之，却可持续工作1 0 0 0 0 个小时 6 5 6 6 1 。而g a a s 和i n p 基的激光器仅能工作数秒钟。在传统的外延工艺参数下，在界面的g a n 材 料的位错密度非常地高，但不管是使用何种的衬底，随着g a n 厚度的增加，位错 密度都会迅速减少，在生长几百纳米之后，g a n 的位错密度降n10 1 0c m 五量级。 从这个角度来看，提高硅衬底g a n 基氮化物的质量的关键是生长厚的g a n 模板。 在生长g a n 前，通常要在异质的衬底上生长一层薄的缓冲层，它的作用是缓 冲衬底与外延材料的晶格失配，并为外延材料的生长提供成核。目前，最成熟的 缓冲层技术是在蓝宝石衬底上生长低温g a n 。首先在蓝宝石衬底上生长一层低温 的g a n ，然后提高温度，使低温的g a n 重结晶，在此重结晶的g a n 上高温生长g a n 厚膜1 8 ，6 0 。但是，低温g a n 缓冲层的方法并不适用于硅衬底，因为硅材料的表 面活性很高，生长g a n 时通入的氨气会优先和硅反应，生成非晶的s i n x ，在这种 氮化的硅表面生长的g a n 一般为多晶结构，质量非常差。另外，在升温过程中， g 棚硅会发生反应，发生所谓的g a 回融( m e l t b a c ke t c h i n g ) 现象 6 7 】。 也有研究人员想到在硅衬底上生长a 1 2 0 3 缓冲层，利用a 1 2 0 3 缓冲层作为g a n 生长的等效衬底。这种方法的好处是硅衬底和蓝宝石衬底外延生长的技术可以结 合起来。k o b a y a s h i 和其合作者使用a l a s 氧化物作为缓冲层，a l a s 氧化物中包含 了非晶或呈细