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。英國一個研究小組通過原位工具監(jiān)測溫度和晶片曲率,，制備出低位錯密度的扁平型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%。

　　美國能源署認為,，LED照明的廣泛使用,，將對成本更低、效率更高的商業(yè)器件提出了要求,。這兩項標(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照明的成本比這個目標(biāo)高了1倍以上,，僅芯片成本這一項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，芯片的成本因此會降低一個數(shù)量級,。

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

　　整項工作有具體的分配。劍橋大學(xué)負責(zé)前段,，開發(fā)出制備高質(zhì)量器件材料的生長工藝,；QinetiQ為其提供生長及工藝支持，利用豐富的半導(dǎo)體專業(yè)技術(shù)來確保材料開發(fā)能有效地進行,；之后交由LED制造商RFMD擴大生產(chǎn),；當(dāng)器件制造商啟動之后，市場工作就交給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,，結(jié)合以上特點,，硅襯底被選作生長氮化物的平臺。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,。

         一個由英國政府資助,、領(lǐng)軍企業(yè)和研究機構(gòu)牽頭的項目，用MOCVD設(shè)備在150mm的硅（111）襯底上開發(fā)出硅上GaN LED,，包括RFMD英國團隊,、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寶石和SiC，比起它們硅有著重要的優(yōu)勢,，但也有一個致命的弱點,，那就是硅與GaN的晶格和熱膨脹系數(shù)極度失配。在典型的生長溫度1000℃時,，若GaN直接被沉積到硅襯底上,，自此刻起在生長薄膜中產(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,，這會讓面向硅加工設(shè)計的自動化設(shè)備束手無策。作為比較,，當(dāng)?shù)锷L在SiC襯底上,，彼此的熱膨脹和晶格系數(shù)相當(dāng)；然而在藍寶石上生長時它們會引起GaN薄膜的緊縮,，但這不會產(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密度相對高一些,。雖然氮化物L(fēng)ED對高度位錯表現(xiàn)出難以置信的適應(yīng)性,，藍光LED的位錯密度還是跌破109cm-2，IQE值也會隨之下降,。
在初期生長階段,，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,，這是硅的另一弱點,。

　　劍橋大學(xué)開發(fā)的藍光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)備適合生長單個150mm晶片（或多個2英寸晶片），并配有原位監(jiān)測儀器用于測量晶片翹曲及溫度,。在150mm的硅（111）襯底上,，先沉積一層復(fù)雜的勢壘結(jié)構(gòu)，以控制應(yīng)力和晶片曲率,；接著,，生長一個帶InGaN量子阱和GaN勢壘層的多量子阱（MQW）LED結(jié)構(gòu)，能發(fā)出460nm的光,；最后才是一個摻鎂p型GaN（圖1a）,。

　　圖1.LED的結(jié)構(gòu)包括一個降低位錯的SiNx層（a）；Aixtron的Argus工具與LayTec提供的Epicurve監(jiān)測器一起,，可測量出晶片翹曲以及晶片溫度（b）,。生長過程可分為四個步驟：預(yù)生長熱處理,，AlN晶核層,、勢壘層和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)體層并形成一個梯田狀,，并回流至硅表面,。生長過程如下：先沉積一個AlN晶核層，確保硅表面不會分解,；接著是一個復(fù)雜的勢壘結(jié)構(gòu),。通過對勢壘層的成分和厚度進行仔細的控制以平衡應(yīng)力；當(dāng)生長溫度降至室溫時,，熱膨脹失配在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生了應(yīng)力,。
為了降低位錯密度、提高LED的性能,，在勢壘層上又沉積GaN和AlGaN層,。插入SiNX層是一項用于生長藍寶石上氮化物薄膜的技術(shù)，在很大程度上能降低線位錯密度,。

　　原位工具持續(xù)地監(jiān)測晶片的溫度和曲率是成功的關(guān)鍵,，可再次生長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工具進行圖形表征,，并利用LayTec的Epicurve提供實時的晶片曲率測量,。

　　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變成凹型,，這是因為,，此時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,，但隨著勢壘層以及摻硅GaN層的生長,，表面又呈現(xiàn)凸起狀，壓應(yīng)力隨之增加,。量子阱的生長和勢壘層導(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,，反應(yīng)腔內(nèi)的溫度會增加,，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）

　　生長工藝的開發(fā)把150mm外延片的生產(chǎn)帶入更佳狀態(tài),，整個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保持表面平整,，必須在生長溫度時引入翹曲,；由于襯底與基座之間有著距離差異，整塊晶片的溫度會有明顯的變動,。溫度變化對InGaN LED生長不利,，他們改變了量子阱中的銦組分以及發(fā)光波長。幸運的是我們能用Argus分布圖來監(jiān)測這些溫度變化,，并通過調(diào)整三個加熱區(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層會改變?nèi)毕莸姆较蛏踔劣械南Р灰娏?，因而?dǎo)致了低位錯密度（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中的位錯密度。圖中純螺旋式/混合型的位錯清晰可見,。

　　用TEM的平面圖來評估外延片中的位錯密度,。匯同其它的原子力顯微鏡圖像（在860°C時將表面暴露在硅烷助熔劑下面,，可突出凹坑），最終測得硅上GaN材料的位錯密度值低于109cm-2,。
在曼切斯特大學(xué),，研究人員使用光致光測量法PL（受溫度的影響）來評估材料的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。生長在藍寶石上的類似結(jié)構(gòu),，它的位錯密度是108cm-2,，典型的IQE值是70%；這表明在硅平臺上制備高性能LED的時候,，硅上氮化物的位錯密度不可能成為一個主要的問題,。我們在QinetiQ繼續(xù)制備LED。通過刻蝕一個n型GaN層的臺面,。接著,，往上面沉積一層Ti/Al/Pt/Au合金以產(chǎn)生n型接觸；p型接觸是一個退火后的半透明NiAu和一個更厚的金接觸焊盤,。

　　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)方法測量兩種器件的頂部光輸出,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)藍寶石基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LED正向的總發(fā)光量進行測量,，據(jù)計算硅上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,，但它將不再對制造商構(gòu)成威脅,，原因是高亮度LED生產(chǎn)通常會采取倒裝焊接和襯底移除。通過使用先進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70lm/W,，這與基于藍寶石的LED形成了對照。由于硅的成本低,，這意味著,，在硅上生長的GaN LED將接近美國能源署關(guān)于2012年每千流明成本所需達到的目標(biāo),。這些將促使我們的器件成為固態(tài)照明應(yīng)用中名副其實的競爭者。隨著原位生長技術(shù)的提高,，帶來了更高質(zhì)量的材料,，為此器件的性能只會變得更好。