在現(xiàn)代生活中，氮化鎵（GaN）基LED應(yīng)用廣泛，其性能受GaN緩沖層厚度顯著影響?？蒲腥藛T通過HVPE與MOCVD結(jié)合技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底上制備了不同緩沖層厚度的LED。美能顯示作為專注顯示行業(yè)精密高效檢測(cè)設(shè)備研發(fā)的企業(yè)，將持續(xù)關(guān)注核心材料的最新應(yīng)用及動(dòng)態(tài)，深入探究其性能奧秘。

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研究背景

在LED制造中，藍(lán)寶石襯底是關(guān)鍵支撐材料，具備多重優(yōu)勢(shì)：化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可耐受高低溫及腐蝕性氣體，保障外延生長(zhǎng)與器件長(zhǎng)期穩(wěn)定性；機(jī)械強(qiáng)度高，能承受復(fù)雜工藝應(yīng)力，減少破損；紫外-可見光透過率超85%，可降低光吸收損耗、提升光提取效率；且成本低于碳化硅、硅等材料，依托成熟工藝與供應(yīng)鏈，利于大規(guī)模生產(chǎn)。

但其與GaN存在晶格失配及熱膨脹系數(shù)差異，會(huì)導(dǎo)致量子阱產(chǎn)生壓應(yīng)變和高位錯(cuò)密度，影響LED效率。

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實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員選擇c 面藍(lán)寶石作為襯底，采用 MOCVD（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積）和 HVPE（氫化物氣相外延）相結(jié)合的技術(shù)，成功生長(zhǎng)出兩種不同的 LED 外延結(jié)構(gòu)，其緩沖層總厚度分別控制在約 12μm 和 30μm。

金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）

氣相沉積技術(shù)對(duì)LED制造意義重大，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）是其中一種常用方法。MOCVD把氣態(tài)金屬有機(jī)化合物和反應(yīng)氣體送進(jìn)反應(yīng)室，在高溫下，氣體在襯底表面反應(yīng)，生長(zhǎng)出高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜。在LED制造時(shí)，MOCVD用于生長(zhǎng)GaN緩沖層、InGaN/GaN量子阱等關(guān)鍵層，能精準(zhǔn)控制薄膜的厚度、成分和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)控LED性能。

氫化物氣相外延（HVPE）

氫化物氣相外延（HVPE）也是一種重要的氣相沉積技術(shù)。與 MOCVD 相比，HVPE 具有生長(zhǎng)速度快、成本低的優(yōu)勢(shì)。HVPE 用氫氣攜帶鹵化物源氣體，在高溫下與襯底反應(yīng)生成外延層。在 LED 制造時(shí)，常先由 MOCVD 在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)薄 GaN 緩沖層，再用 HVPE 生長(zhǎng)厚 GaN 層，既能降低成本，又能提升 LED 性能，如同建高樓，先打基礎(chǔ)再快速搭建主體。

MOCVD和HVPE生長(zhǎng)的LED的示意結(jié)構(gòu)圖

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果

降低位錯(cuò)密度

CL 映射結(jié)果顯示，12μm 和 30μm GaN 緩沖層表面的位錯(cuò)密度分別約為1.3×108cm?2和1.0×108cm?2，較厚的GaN 緩沖層使位錯(cuò)密度降低了約 30%

HVPE生長(zhǎng)的GaN表面的CL映射結(jié)果圖

應(yīng)力松弛

隨著緩沖層厚度從12μm 增加到 30μm，CL 峰能量發(fā)生紅移，拉曼光譜表明應(yīng)力得到松弛，12μm 和 30μm 樣品的E2-high 模式分別約為569.2cm?1和568.7cm?1，應(yīng)力松弛約0.08GPa。PL 光譜中，12μm 和 30μm GaN 緩沖層的 LED 的 PL 峰波長(zhǎng)分別為 469nm 和 448nm，有明顯藍(lán)移，主要由量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）引起，表明量子阱中的壓應(yīng)力降低。這一變化對(duì)LED 的發(fā)光性能有著重要影響，使 LED 發(fā)出的光更加純凈、明亮。

CL線掃描峰值能量和HVPE-GaN表面拉曼光譜（左圖）

LED的PL光譜和拉曼光譜（右圖）

效率提升

綜合降低位錯(cuò)密度和應(yīng)力松弛的效果使30μm GaN 緩沖層的 LED 效率得到了顯著提升。在 20mA 電流下，其外部量子效率（EQE）比 12μm 緩沖層 LED提高了50%；在140mA 電流下，提高了16%。這意味著在相同功耗下，采用30μm 緩沖層 LED 的設(shè)備可以發(fā)出更亮的光，或者在保持相同亮度時(shí)消耗更少的能量，更加節(jié)能環(huán)保。

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結(jié)論與展望

隨著科技發(fā)展，藍(lán)寶石襯底技術(shù)與氣相沉積技術(shù)持續(xù)進(jìn)步。研究人員將優(yōu)化這兩項(xiàng)技術(shù)，降低藍(lán)寶石襯底與GaN的晶格失配及熱膨脹系數(shù)差異，提升氣相沉積的精確性和效率，從而增強(qiáng)LED性能。未來(lái)，更高效、節(jié)能、環(huán)保的LED產(chǎn)品將走進(jìn)生活，帶來(lái)更優(yōu)質(zhì)的視覺體驗(yàn)。美能顯示將持續(xù)關(guān)注LED的優(yōu)化技術(shù)，協(xié)助推進(jìn)其商業(yè)可行性。隨著這些挑戰(zhàn)得到應(yīng)對(duì)和解決，LED技術(shù)可能徹底改變照明行業(yè)。

原文出處:《Characteristics of GaN-based light emitting diodes with different thicknesses of buffer layer grown by HVPE and MOCVD》

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