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%。

　　美國(guó)能源署認(rèn)為，LED照明的廣泛使用，將對(duì)成本更低、效率更高的商業(yè)器件提出了要求。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)被記錄到LED的路線圖中，比如，到2015年LED燈的發(fā)光效率達(dá)到150lm/W，成本低于5美元/千流明。

　　現(xiàn)今LED照明的成本比這個(gè)目標(biāo)高了1倍以上，僅芯片成本這一項(xiàng)就占去了約一半的成本。但是，通過把生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)向更大尺寸、更低成本的襯底，加工的成本得到控制，芯片的成本因此會(huì)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　我們的英國(guó)研究聯(lián)盟是由RFMD英國(guó)公司領(lǐng)頭，其余成員來自劍橋大學(xué)、Aixtron UK、QinetiQ和Forge Europa，利用2007年4月開啟的英國(guó)政府基金，我們得到了450美元的資助，以求達(dá)成上述目標(biāo)。我們的研究工作致力于在150mm的硅平臺(tái)上開發(fā)出高質(zhì)量的LED?，F(xiàn)在，RFMD已經(jīng)制備出內(nèi)量子效率（IQE）近40%的器件。

　　整項(xiàng)工作有具體的分配。劍橋大學(xué)負(fù)責(zé)前段，開發(fā)出制備高質(zhì)量器件材料的生長(zhǎng)工藝；QinetiQ為其提供生長(zhǎng)及工藝支持，利用豐富的半導(dǎo)體專業(yè)技術(shù)來確保材料開發(fā)能有效地進(jìn)行；之后交由LED制造商RFMD擴(kuò)大生產(chǎn)；當(dāng)器件制造商啟動(dòng)之后，市場(chǎng)工作就交給LED應(yīng)用專家Forge Europa公司來打理。

　　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。

         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）。

　　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。

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。

　　橫截面透射電子顯微鏡圖（TEM）顯示，器件層結(jié)構(gòu)中的SiNx層會(huì)改變?nèi)毕莸姆较蛏踔劣械南Р灰娏?，因而?dǎo)致了低位錯(cuò)密度（圖3）。與AlN相比GaN的面內(nèi)晶格參數(shù)更大，它產(chǎn)生的壓應(yīng)力使得AlGaN/GaN界面也出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

圖3.TEM圖中的淡線和深色區(qū)域展示出，SiN層有助于降低InGaN/GaN LED中的位錯(cuò)密度。圖中純螺旋式/混合型的位錯(cuò)清晰可見。

　　用TEM的平面圖來評(píng)估外延片中的位錯(cuò)密度。匯同其它的原子力顯微鏡圖像（在860°C時(shí)將表面暴露在硅烷助熔劑下面，可突出凹坑），最終測(cè)得硅上GaN材料的位錯(cuò)密度值低于109cm-2。
在曼切斯特大學(xué)，研究人員使用光致光測(cè)量法PL（受溫度的影響）來評(píng)估材料的IQE值，在室溫下約為50%。使用這種方法的前提是，假定非輻射復(fù)合接近零基本予以忽略。生長(zhǎng)在藍(lán)寶石上的類似結(jié)構(gòu)，它的位錯(cuò)密度是108cm-2，典型的IQE值是70%；這表明在硅平臺(tái)上制備高性能LED的時(shí)候，硅上氮化物的位錯(cuò)密度不可能成為一個(gè)主要的問題。我們?cè)赒inetiQ繼續(xù)制備LED。通過刻蝕一個(gè)n型GaN層的臺(tái)面。接著，往上面沉積一層Ti/Al/Pt/Au合金以產(chǎn)生n型接觸；p型接觸是一個(gè)退火后的半透明NiAu和一個(gè)更厚的金接觸焊盤。

　　我們最好的0.5×0.5mm LED，它所呈現(xiàn)的I-V特性與藍(lán)寶石上GaN器件極其相似，開通電壓約是2.5V（圖4），使用相同的光學(xué)方法測(cè)量?jī)煞N器件的頂部光輸出，結(jié)果發(fā)現(xiàn)藍(lán)寶石基LED產(chǎn)生的光輸出是硅器件的兩倍?？紤]到硅襯底的光吸收較大，對(duì)LED正向的總發(fā)光量進(jìn)行測(cè)量，據(jù)計(jì)算硅上LED的IQE是37%。

圖4. 硅上GaN LED產(chǎn)生了與常用器件非常相似的I-V曲線（a）；但這種類型器件的光輸出不到一半左右（b）

圖5 硅、藍(lán)寶石和SiC之比較

　　硅上LED仍處于早期階段，但初始結(jié)果令我們非常振奮。移除硅襯底可防止光吸收，但它將不再對(duì)制造商構(gòu)成威脅，原因是高亮度LED生產(chǎn)通常會(huì)采取倒裝焊接和襯底移除。通過使用先進(jìn)的封裝及合適的熒光粉，我們現(xiàn)有的器件的發(fā)光效率可達(dá)70lm/W，這與基于藍(lán)寶石的LED形成了對(duì)照。由于硅的成本低，這意味著，在硅上生長(zhǎng)的GaN LED將接近美國(guó)能源署關(guān)于2012年每千流明成本所需達(dá)到的目標(biāo)。這些將促使我們的器件成為固態(tài)照明應(yīng)用中名副其實(shí)的競(jìng)爭(zhēng)者。隨著原位生長(zhǎng)技術(shù)的提高，帶來了更高質(zhì)量的材料，為此器件的性能只會(huì)變得更好。