外延结构基础知识

外延结构基础知识衬底Al2O3优点：化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟缺点：晶格失配和热失配、导电性和机械性差SiC市场上的占有率位居第2优点：化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等缺点：价格太高、晶体品质难以达到Al2O3和Si那麼好、机械加工性能比较差Si优点：晶体品质高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。缺点：由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si衬底上很难得到无龟裂及器件级品质的GaN材料（si掺过多同样会出现）。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。GaN材料和常用衬底材料的晶格失配和热失配衬底晶格常数(A)晶格失配度GaN/衬底%热膨胀系数X10-6/K热膨胀系数失配度GaN/衬底%GaN3.189----------5.59----------蓝宝石(0001)4.75816缓冲层解决7.5-346H-SiC(0001)3.08354.225Si(111)5.43-16.93.5936以上晶格常数在300K下测量，热膨胀系数在1073K下测量H2Anneal高温处理表面（H2状态下）主要起到清洁表面作用、时间不宜过长、否则对衬底本身会有一定的影响，尤其是pss衬底高温处理的时间和温度是关键的控制因素如果生长前衬底不进行高温热处理，即使缓冲层工艺控制得很好，位错密度也会高一些Buffer连接Al2O3与GaN的中间剂，粘合剂(Al2O3和GaN适配率高）。Bufferratio反应Buffer的厚度，最好是在25nm左右（非晶体结构）缓冲层Rough高温下退火，退火实际本身就是一种再结晶的过程，但一般的退火过程不会有明显的晶粒长大现象，经过高温退火后形成高温GaN相，是纤维锌矿结构。GaN是60%离子化合物半导体，纤维锌矿结构是它最稳定的晶格结构退火结束后，开始进行GaN的重结晶过程（3D生长）。初时在蓝宝石基板上的GaN量子点（buffer生成的）的密度和尺寸应遵守正态分布，重结晶过程是大尺寸GaN晶粒吞噬小尺寸GaN晶粒的过程，这是一个释放体系能量的过程，所以重结晶之后的GaN岛的尺寸和密度也应遵守正态分布。这样的结晶效果并不是最理想的GaN岛长到一定尺寸时就不会再有明显的横向生长，转而进行高速的纵向生长，想要通过降低GaN岛的密度来降低螺形位错密度受GaN的晶体特性限制。缓冲层本身的作用就是给后续GaN的生长提供成核中心，蓝宝石基板对成核中心进行晶体定向，这样才不会长出多晶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。其生长过程和质量可由工艺参数(Ⅴ/Ⅲ比、生长温度和压力等)去控制和调节GR（recovery）高温下生长不掺杂GaN，获得结晶质量好，表面平坦的外延层，为下面生长NGaN作准备杂质浓度尽量低NGaN高温下，重掺Si，作为电极层，提供电子，掺杂浓度在5 *1018左右、厚度一般在4um左右、生长速率一般在2.0um/h左右。浓度太高、厚度太厚、生长速率过快都会使晶体质量变差；相反会影响电子的提供量较低的生长温度导致迁移率的下降。GaN（3价）里掺入Si（4价）Si掺杂掺杂浓度低，高阻的nGaN会影响电子向有源区的注入，并增加焦耳热，影响器件的可靠性。Si的掺杂浓度较高:GaN材料的结晶完整性会随着Si原子的掺入而降低，同时一般LED的P型GaN盖层的生长温度较高，Si原子的二次，扩散作用也会随着Si掺入量的增加而增加，如果Si穿过有源区而扩散到p型欧姆接触层，还会严重影响pGaN盖层的电学特性SL（superlattice）对后面的MQW起到承接过度作用聚集电子、提高亮度缓解了量子阱有源区中的应力，改善了多量子阱表面形貌，减少了V型缺陷密度，而且提高了多量子阱的光致发光强度，从而也改进了LED的发光效率MQW(多量子阱）InGaN/GaN量子阱是LED材料的核心结构，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。包括WELL和Barrier，提高电子和空穴的复合效率厚度范围：Well：约20埃=2nm,barrier:140-150埃=15-16nmMQW(多量子阱）Well:外延片的核心部分，电子聚集的地方，在N2中生长，掺InCappinglayer:紧随WELL后面长的一层GaN,其目的是盖入WELL，防止生长Barrier升温时，掺入的In跑掉。Barrier:使之质量变好，界面平坦。Barrier温度越高，结晶质量会越好，但温度过高会影响WELL的结构，well中的In会扰动（In→In+N）LTPGaN提高亮度（温度低表面会粗）Mg下降IV会降低、过高会有雾化P-AlGaN（电子阻挡层）ALN作为栅栏防止电子跑掉，如果P层发光，IV降低，光衰很大HTP-ALGaN在全H2高温环境中，AL很容易掺入HTPGaN提供空穴，掺杂效率较低Mg过高会有雾化,表面产生粗化现象为了避免对已生长的InGaN/GaNMQW造成损坏，P-GaN的生长温度不能过高。P型掺杂困难非故意掺杂的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；Mg等受主掺杂剂的能级较深，激活能较高，离化率低；Mg作为受主在反应过程中会被H钝化而形成Mg-H络合物；Mg具有相对