喷淋头高度对AlGaN生长的影响

宋世巍，柯昀洁

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)

GaN作为第三代半导体材料的代表，具有较宽的直接带隙，自发现起便成为制作高亮度蓝光LED的首选材料[1]。2014年，中村修二因GaN基高亮度蓝光LED商业化捧得诺贝尔奖，引发新一轮GaN基LED研究热潮[2]。然而近年，GaN基LED广泛应用仍受限于寿命、成本、散热以及发光效率等因素[3]，其中发光效率作为照明光源的重要指标，成为推广LED照明亟需解决的重要课题。目前，多数学者认为大电流下发光效率的衰减是由于有源层中电子溢出[4-5]，导致电子-空穴复合减少，故常在LED结构中插入电子阻挡层(Electron Blocking Layer,EBL)[6]。电子阻挡层利用自身带隙优势，将有源层中电子很好地限制在有源层中，改善了效率衰减的问题。AlGaN材料具有的3.4～6.2eV宽禁带使其成为电子阻挡层的完美材料，目前多应用于氮化物光电器件中[7]。

生长AlGaN材料，最为广泛应用的生长设备为金属有机化学气相沉积MOCVD系统。研究表明，调节生长系统中反应气体流速、反应室压力、反应室温度等参数，可以实现AlGaN材料的组分控制、生长质量控制等[8-9]；同时，调节MOCVD中的喷淋头高度，会影响反应室的温度场、气流场[10-11]。因此，MOCVD生长系统中喷淋头高度的改变，必然会影响AlGaN薄膜的生长，但尚未有针对该问题的深入研究。故采用MOCVD生长系统，调节喷淋头高度生长4个AlGaN样品，通过表面形貌与晶体质量的表征分析，探究喷淋头高度调节对AlGaN薄膜生长的影响。

1 AlGaN生长实验

实验采用三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)作为生长中使用的Ga、Al源，氨气(NH3)作为N源，进行AlGaN生长。在蓝宝石衬底上，依次生长GaN buffer层、u-GaN与n-GaN层，最后调节不同喷淋头高度生长AlGaN层，选取高度为：7 mm、10 mm、13 mm与16 mm。通过原子力扫描显微镜(AFM)和X射线衍射仪(XRD)测试图样，并对样品进行表征。

2 实验结果与讨论

2.1 金相显微镜

通过金相显微镜观察样品表面，不同喷淋头高度下生长的AlGaN薄膜表面均呈现裂纹状，如图1所示。产生该现象的原因是AlGaN与GaN存在晶格失配。常见纤锌矿结构GaN的面内晶格常数a为0.318 9 nm，AlN的面内晶格常数a为0.311 2 nm。根据Vegard定律，三元化合物AlGaN晶格常数应介于AlN与GaN的晶格常数之间，并随掺入Al组分的不同而不同，满足方程[12]：

a(AxB1-xN)=x·a(AN)+(1-x)·a(BN)

因此，AlGaN薄膜的晶格常数必然小于GaN的晶格常数，在GaN上生长的AlGaN会受到张应力，当应力释放即产生裂纹，调节喷淋头高度并未影响裂纹的出现。

图1 AlGaN样品表面

2.2 原子力显微镜AFM

为进一步表征样品表面信息，对4个AlGaN样品进行AFM测试，测试区域为2×2 μm，测试模式为轻敲模式。

由图2可以看出，4个样品表面由一系列高度约 10 mm 的台阶组成， 呈现出不同程度的台阶流生长。在喷淋头高度为10 mm和13 mm时，台阶流呈现最为明显，表明该高度下样品表面较为光滑，表面质量好于另两个高度的样品表面，其中喷淋头高度为13 mm时样品表面质量最好，16 mm时样品表面质量最差。

图2 AlGaN样品表面的AFM测试结果

为更清晰地说明表面质量的差异，提取均方根粗糙度RMS数据，如图3所示。从图中可明显看出，不同喷淋头高度生长的AlGaN薄膜表面粗糙度不一：喷淋头高度由7 mm升至13 mm时，粗糙度线性减小；当喷淋头升至16 mm时，粗糙度增大，且较7 mm时粗糙度略大。因此，喷淋头高度在13 mm时粗糙度最小，表面最为光滑平整，而在16 mm时粗糙度最大，表面最为粗糙，该结果与AFM图像相吻合。产生这一现象的原因是由于喷淋头高度过低时，Ⅲ族和Ⅴ族的反应气体到达衬底表面距离过短，在衬底处气体流速不均匀，使生长速度和均匀性受到影响；同时，因为Al的迁移能力差，生长表面容易出现岛状生长，因此低喷淋头高度生长的AlGaN表面粗糙度较大。当喷淋头高度逐渐升高时，这一现象得到有效缓解，因而呈现台阶流状较光滑的表面；但是当喷淋头高度继续升高至16 mm时，TMAl与NH3预反应严重，快速生成的反应物颗粒在表面形成小岛，当厚度较薄时小岛未完全融合，加之刃位错和螺位错等穿透位错的存在，在表面形成位错的露头点，从而导致样品的表面粗糙度较其他样品增大。

图3 AlGaN样品的均方根粗糙度RMS

2.3 X射线衍射XRD

对样品进行XRD测试表征。在(002)晶向上做θ-2θ扫描，通过θ-2θ扫描曲线中AlGaN的衍射峰峰位，比对组分公式得出样品掺入Al组分；在(002)和(102)晶向上做ω-2θ扫描，根据ω-2θ扫描曲线的半高宽(FWHM)，比较结晶质量差异。

通过XRD RADS软件对样品在(002)晶向上θ-2θ扫描谱线拟合，得出样品Al组分。谱线信息和Al组分如表1所示。由表1中AlGaN峰位和拟合得到的Al组分可以看出，Al组分并入越多，AlGaN峰位越大，符合衍射角度与晶格常数的理论关系。喷淋头高度增大，并入Al组分线性减小，这是因为高度的增大提供给预反应更大的空间，从而使到达衬底表面的反应物减少，必然会使并入Al组分减小。

表1 样品θ-2θ扫描谱线信息与Al组分

图4 样品ω-2θ扫描半高宽FWHM

利用高斯拟合ω-2θ扫描中样品AlGaN峰的半高宽(FWHM)，如图4所示。从图4中可以看出，(002)晶向上半高宽FWHM随高度的增大呈先下降再略微上升的变化趋势，这表明喷淋头高度由7 mm增大到13 mm时，外延取向一致性变好；继续增大到16 mm时，取向一致性稍差。这一现象的产生，是由于喷淋头高度过低时，反应气体到达衬底表面不均匀，造成生成物外延生长的取向性较差，导致晶体质量较差；喷淋头高度增加，晶体质量提升，但当喷淋头高度达到16 mm时，晶体质量较之前略微下降，这是由于预反应产物的干扰导致，但影响较小，故此时晶体质量仍好于喷淋头高度7 mm时样品的晶体质量。因此，喷淋头高度对晶体质量的影响较大，且此时低喷淋头高度导致的不均匀性较高喷淋头高度产生的预反应对晶体质量的影响更大。(102)晶向上半高宽FWHM变化趋势与(002)晶向上相同，表明喷淋头高度的变化对晶体内部位错密度也产生类似影响。因此，喷淋头高度的变化会影响AlGaN样品的结晶质量，产生的影响效果与表面信息一致。

3 结 论

以4个喷淋头高度生长AlGaN薄膜为研究对象，对样品表面形貌、晶体质量进行表征，研究结果发现：

1)喷淋头高度为7 mm时，由于反应气体的不均匀，导致样品表面粗糙度较大，晶体质量较差，但此时并入Al组分最大。

2)在7～13 mm范围内，当喷淋头高度逐渐增大，喷淋头距衬底距离增加，反应气体得以充分混合到达衬底，使得样品表面趋于光滑，晶体质量转好，但由于预反应存在消耗Al源三甲基铝(TMAl)，故并入Al组分线性减少。

3)继续增加喷淋头高度至16 mm时，样品表面形貌变得粗糙。这是由于预反应产物的影响，使得表面岛状增多导致粗糙度增大，但并未过多影响界面及缺陷，故晶体质量只受些微影响。此时，并入Al组分由于预反应的消耗继续减小，但幅度不大，认为是预反应趋于饱和的结果。

4)采用表面形貌测试方法，与XRD结果交叉分析，得出最终结论，即喷淋头高度变化对AlGaN薄膜的表面形貌、并入Al组分有较大影响，对晶体质量影响较小，可以作为AlGaN薄膜生长中一个调节优化参数。

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