噴淋頭高度對(duì)AlGaN生長(zhǎng)的影響

宋世巍，柯昀潔

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

GaN作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，具有較寬的直接帶隙，自發(fā)現(xiàn)起便成為制作高亮度藍(lán)光LED的首選材料[1]。2014年，中村修二因GaN基高亮度藍(lán)光LED商業(yè)化捧得諾貝爾獎(jiǎng)，引發(fā)新一輪GaN基LED研究熱潮[2]。然而近年，GaN基LED廣泛應(yīng)用仍受限于壽命、成本、散熱以及發(fā)光效率等因素[3]，其中發(fā)光效率作為照明光源的重要指標(biāo)，成為推廣LED照明亟需解決的重要課題。目前，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為大電流下發(fā)光效率的衰減是由于有源層中電子溢出[4-5]，導(dǎo)致電子-空穴復(fù)合減少，故常在LED結(jié)構(gòu)中插入電子阻擋層(Electron Blocking Layer,EBL)[6]。電子阻擋層利用自身帶隙優(yōu)勢(shì)，將有源層中電子很好地限制在有源層中，改善了效率衰減的問(wèn)題。AlGaN材料具有的3.4～6.2eV寬禁帶使其成為電子阻擋層的完美材料，目前多應(yīng)用于氮化物光電器件中[7]。

生長(zhǎng)AlGaN材料，最為廣泛應(yīng)用的生長(zhǎng)設(shè)備為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積MOCVD系統(tǒng)。研究表明，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)系統(tǒng)中反應(yīng)氣體流速、反應(yīng)室壓力、反應(yīng)室溫度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)AlGaN材料的組分控制、生長(zhǎng)質(zhì)量控制等[8-9]；同時(shí)，調(diào)節(jié)MOCVD中的噴淋頭高度，會(huì)影響反應(yīng)室的溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)[10-11]。因此，MOCVD生長(zhǎng)系統(tǒng)中噴淋頭高度的改變，必然會(huì)影響AlGaN薄膜的生長(zhǎng)，但尚未有針對(duì)該問(wèn)題的深入研究。故采用MOCVD生長(zhǎng)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)噴淋頭高度生長(zhǎng)4個(gè)AlGaN樣品，通過(guò)表面形貌與晶體質(zhì)量的表征分析，探究噴淋頭高度調(diào)節(jié)對(duì)AlGaN薄膜生長(zhǎng)的影響。

1 AlGaN生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)作為生長(zhǎng)中使用的Ga、Al源，氨氣(NH3)作為N源，進(jìn)行AlGaN生長(zhǎng)。在藍(lán)寶石襯底上，依次生長(zhǎng)GaN buffer層、u-GaN與n-GaN層，最后調(diào)節(jié)不同噴淋頭高度生長(zhǎng)AlGaN層，選取高度為：7 mm、10 mm、13 mm與16 mm。通過(guò)原子力掃描顯微鏡(AFM)和X射線(xiàn)衍射儀(XRD)測(cè)試圖樣，并對(duì)樣品進(jìn)行表征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金相顯微鏡

通過(guò)金相顯微鏡觀(guān)察樣品表面，不同噴淋頭高度下生長(zhǎng)的AlGaN薄膜表面均呈現(xiàn)裂紋狀，如圖1所示。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是AlGaN與GaN存在晶格失配。常見(jiàn)纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN的面內(nèi)晶格常數(shù)a為0.318 9 nm，AlN的面內(nèi)晶格常數(shù)a為0.311 2 nm。根據(jù)Vegard定律，三元化合物AlGaN晶格常數(shù)應(yīng)介于A(yíng)lN與GaN的晶格常數(shù)之間，并隨摻入Al組分的不同而不同，滿(mǎn)足方程[12]：

a(AxB1-xN)=x·a(AN)+(1-x)·a(BN)

因此，AlGaN薄膜的晶格常數(shù)必然小于GaN的晶格常數(shù)，在GaN上生長(zhǎng)的AlGaN會(huì)受到張應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力釋放即產(chǎn)生裂紋，調(diào)節(jié)噴淋頭高度并未影響裂紋的出現(xiàn)。

圖1 AlGaN樣品表面

2.2 原子力顯微鏡AFM

為進(jìn)一步表征樣品表面信息，對(duì)4個(gè)AlGaN樣品進(jìn)行AFM測(cè)試，測(cè)試區(qū)域?yàn)?×2 μm，測(cè)試模式為輕敲模式。

由圖2可以看出，4個(gè)樣品表面由一系列高度約 10 mm 的臺(tái)階組成， 呈現(xiàn)出不同程度的臺(tái)階流生長(zhǎng)。在噴淋頭高度為10 mm和13 mm時(shí)，臺(tái)階流呈現(xiàn)最為明顯，表明該高度下樣品表面較為光滑，表面質(zhì)量好于另兩個(gè)高度的樣品表面，其中噴淋頭高度為13 mm時(shí)樣品表面質(zhì)量最好，16 mm時(shí)樣品表面質(zhì)量最差。

圖2 AlGaN樣品表面的AFM測(cè)試結(jié)果

為更清晰地說(shuō)明表面質(zhì)量的差異，提取均方根粗糙度RMS數(shù)據(jù)，如圖3所示。從圖中可明顯看出，不同噴淋頭高度生長(zhǎng)的AlGaN薄膜表面粗糙度不一：噴淋頭高度由7 mm升至13 mm時(shí)，粗糙度線(xiàn)性減??；當(dāng)噴淋頭升至16 mm時(shí)，粗糙度增大，且較7 mm時(shí)粗糙度略大。因此，噴淋頭高度在13 mm時(shí)粗糙度最小，表面最為光滑平整，而在16 mm時(shí)粗糙度最大，表面最為粗糙，該結(jié)果與AFM圖像相吻合。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于噴淋頭高度過(guò)低時(shí)，Ⅲ族和Ⅴ族的反應(yīng)氣體到達(dá)襯底表面距離過(guò)短，在襯底處氣體流速不均勻，使生長(zhǎng)速度和均勻性受到影響；同時(shí)，因?yàn)锳l的遷移能力差，生長(zhǎng)表面容易出現(xiàn)島狀生長(zhǎng)，因此低噴淋頭高度生長(zhǎng)的AlGaN表面粗糙度較大。當(dāng)噴淋頭高度逐漸升高時(shí)，這一現(xiàn)象得到有效緩解，因而呈現(xiàn)臺(tái)階流狀較光滑的表面；但是當(dāng)噴淋頭高度繼續(xù)升高至16 mm時(shí)，TMAl與NH3預(yù)反應(yīng)嚴(yán)重，快速生成的反應(yīng)物顆粒在表面形成小島，當(dāng)厚度較薄時(shí)小島未完全融合，加之刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)等穿透位錯(cuò)的存在，在表面形成位錯(cuò)的露頭點(diǎn)，從而導(dǎo)致樣品的表面粗糙度較其他樣品增大。

圖3 AlGaN樣品的均方根粗糙度RMS

2.3 X射線(xiàn)衍射XRD

對(duì)樣品進(jìn)行XRD測(cè)試表征。在(002)晶向上做θ-2θ掃描，通過(guò)θ-2θ掃描曲線(xiàn)中AlGaN的衍射峰峰位，比對(duì)組分公式得出樣品摻入Al組分；在(002)和(102)晶向上做ω-2θ掃描，根據(jù)ω-2θ掃描曲線(xiàn)的半高寬(FWHM)，比較結(jié)晶質(zhì)量差異。

通過(guò)XRD RADS軟件對(duì)樣品在(002)晶向上θ-2θ掃描譜線(xiàn)擬合，得出樣品Al組分。譜線(xiàn)信息和Al組分如表1所示。由表1中AlGaN峰位和擬合得到的Al組分可以看出，Al組分并入越多，AlGaN峰位越大，符合衍射角度與晶格常數(shù)的理論關(guān)系。噴淋頭高度增大，并入Al組分線(xiàn)性減小，這是因?yàn)楦叨鹊脑龃筇峁┙o預(yù)反應(yīng)更大的空間，從而使到達(dá)襯底表面的反應(yīng)物減少，必然會(huì)使并入Al組分減小。

表1 樣品θ-2θ掃描譜線(xiàn)信息與Al組分

圖4 樣品ω-2θ掃描半高寬FWHM

利用高斯擬合ω-2θ掃描中樣品AlGaN峰的半高寬(FWHM)，如圖4所示。從圖4中可以看出，(002)晶向上半高寬FWHM隨高度的增大呈先下降再略微上升的變化趨勢(shì)，這表明噴淋頭高度由7 mm增大到13 mm時(shí)，外延取向一致性變好；繼續(xù)增大到16 mm時(shí)，取向一致性稍差。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，是由于噴淋頭高度過(guò)低時(shí)，反應(yīng)氣體到達(dá)襯底表面不均勻，造成生成物外延生長(zhǎng)的取向性較差，導(dǎo)致晶體質(zhì)量較差；噴淋頭高度增加，晶體質(zhì)量提升，但當(dāng)噴淋頭高度達(dá)到16 mm時(shí)，晶體質(zhì)量較之前略微下降，這是由于預(yù)反應(yīng)產(chǎn)物的干擾導(dǎo)致，但影響較小，故此時(shí)晶體質(zhì)量仍好于噴淋頭高度7 mm時(shí)樣品的晶體質(zhì)量。因此，噴淋頭高度對(duì)晶體質(zhì)量的影響較大，且此時(shí)低噴淋頭高度導(dǎo)致的不均勻性較高噴淋頭高度產(chǎn)生的預(yù)反應(yīng)對(duì)晶體質(zhì)量的影響更大。(102)晶向上半高寬FWHM變化趨勢(shì)與(002)晶向上相同，表明噴淋頭高度的變化對(duì)晶體內(nèi)部位錯(cuò)密度也產(chǎn)生類(lèi)似影響。因此，噴淋頭高度的變化會(huì)影響AlGaN樣品的結(jié)晶質(zhì)量，產(chǎn)生的影響效果與表面信息一致。

3 結(jié) 論

以4個(gè)噴淋頭高度生長(zhǎng)AlGaN薄膜為研究對(duì)象，對(duì)樣品表面形貌、晶體質(zhì)量進(jìn)行表征，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)噴淋頭高度為7 mm時(shí)，由于反應(yīng)氣體的不均勻，導(dǎo)致樣品表面粗糙度較大，晶體質(zhì)量較差，但此時(shí)并入Al組分最大。

2)在7～13 mm范圍內(nèi)，當(dāng)噴淋頭高度逐漸增大，噴淋頭距襯底距離增加，反應(yīng)氣體得以充分混合到達(dá)襯底，使得樣品表面趨于光滑，晶體質(zhì)量轉(zhuǎn)好，但由于預(yù)反應(yīng)存在消耗Al源三甲基鋁(TMAl)，故并入Al組分線(xiàn)性減少。

3)繼續(xù)增加噴淋頭高度至16 mm時(shí)，樣品表面形貌變得粗糙。這是由于預(yù)反應(yīng)產(chǎn)物的影響，使得表面島狀增多導(dǎo)致粗糙度增大，但并未過(guò)多影響界面及缺陷，故晶體質(zhì)量只受些微影響。此時(shí)，并入Al組分由于預(yù)反應(yīng)的消耗繼續(xù)減小，但幅度不大，認(rèn)為是預(yù)反應(yīng)趨于飽和的結(jié)果。

4)采用表面形貌測(cè)試方法，與XRD結(jié)果交叉分析，得出最終結(jié)論，即噴淋頭高度變化對(duì)AlGaN薄膜的表面形貌、并入Al組分有較大影響，對(duì)晶體質(zhì)量影響較小，可以作為AlGaN薄膜生長(zhǎng)中一個(gè)調(diào)節(jié)優(yōu)化參數(shù)。

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