不同規(guī)格襯底在不同MOCVD的外延生長方法

[摘要]使用不同規(guī)格的襯底在不同MOCVD進(jìn)行外延生長，研究分析外延底部的生長方法。

1、引言

在藍(lán)光GaN外延產(chǎn)業(yè)中，國內(nèi)主要使用的襯底是藍(lán)寶石（Al2O3），選擇生長的晶體方向為C面（0001）；且為提高外延片的出光效率，均會將藍(lán)寶石襯底的表面進(jìn)行圖形化，即制作成PSS襯底。當(dāng)前，國內(nèi)襯底廠家越來越多，可共外延廠進(jìn)行選擇的也就變多了。這的確有利于實現(xiàn)國產(chǎn)化替代，降本增效，但同時也讓外延廠面臨難以抉擇的現(xiàn)狀，應(yīng)該選擇什么規(guī)格的襯底。本文利用不同MOCVD，研究了不同規(guī)格的藍(lán)寶石PSS襯底上生長緩沖層、成核層以及u型GaN的方法，并用金相顯微鏡觀察外延片的表面形貌，用XRD、光致發(fā)光儀、測量了GaN的結(jié)晶性能及光學(xué)性能，并送至芯片廠制成芯片測試光電性能。

2、試驗

進(jìn)行使用下表不同規(guī)格襯底分別在CriusⅠ（31片/37片）、CriusⅡ（55片）以及K465i/C4 MOCVD（54片）不同MOCVD進(jìn)行生長。通過工藝調(diào)整，分析找到最適合的生長方法，穩(wěn)定各項光電參數(shù)。

3、結(jié)果與分析

2類比1類的底徑要寬，高度要高，島與島間隔要小，如圖所示。成核層時，2類在間隔處GaN晶粒數(shù)量要少。2類高度高，斜面長度較長，成核層時在斜面處的GaN晶粒數(shù)量要多。即間隔減小、高度增加，長uGaN層要填充的體積增大。

3.1CriusⅠ（31片/37片）生長，在EpiTT原位監(jiān)控中，可以看到：

基于上述差異，2類轉(zhuǎn)1類時，需進(jìn)行加厚緩沖層，加溫成核層的工藝調(diào)整；如此可以有效改善外觀和波長STD，促進(jìn)ESD穩(wěn)定。但在實際生產(chǎn)中，CriusⅠ切換襯底時，還需要多爐少片穩(wěn)定生長。因為CriusⅠ底部工藝窗口很窄，即品質(zhì)波動大，ESD變差。

3.2CriusⅠ（31片/37片）生長，統(tǒng)計A廠和B廠襯底，發(fā)現(xiàn)A廠生長的外延片表面外觀降級率（X品率）偏高，如下圖。A廠高達(dá)20%，而B廠較穩(wěn)定。

利用金相顯微鏡對表面進(jìn)行外觀分析，發(fā)現(xiàn)A廠生長的外延片表面粗化不平。

對比襯底規(guī)格，標(biāo)記平面晶向有差異，A廠0.03°，B廠0.1°?？梢源_定A廠和B廠襯底在切割方向上有差異，最終導(dǎo)致外延片生長結(jié)果迥異。

鑒于上述結(jié)果，工藝改善時，需要對緩沖層、成核層和uGaN進(jìn)行綜合調(diào)整。

3.3CriusⅡ（55片）生長，EpiTT原位監(jiān)控中，溫度相差不大，生長曲線見下圖。紅色是B廠2類，簡稱B2，藍(lán)色是B1。B2緩沖層反射率高，起振時間長，約1200S，而B1約800s。B1生長uGaN很快到振幅高點，B2兩周期后才到高點，反射率也低。

下表是制成芯片后的數(shù)據(jù)，B2亮度低10.5mW，VRD低1V，IR較小，ESD偏差。

實際生產(chǎn)結(jié)果表明，CriusⅡ底部工藝窗口也很窄，光電參數(shù)變化較大。B2圖形高度高，間隔小，緩沖層會偏厚長平，故反射率較高。而再結(jié)晶成核時，會生成較大晶粒，應(yīng)力變大無法釋放；在晶粒合并時將以更多的缺陷形式釋放，所以起振時間長，不能較快到振幅高點。由此造成B2底部缺陷多，光電參數(shù)波動大。

所以不同襯底切換，主要解決緩沖層厚度過大或過小，控制橫向與縱向生長速率。對于B1轉(zhuǎn)B2，可以將緩沖層長速變慢，或者時間減少。

3.4K465i/C4 MOCVD（54片）生長，實際生產(chǎn)結(jié)果表明，K465i/C4底部工藝窗口較寬，襯底切換比較容易。不過在亮度和波長STD上，有明顯區(qū)別，需要調(diào)整。

同工藝下，B2比B1亮度高。如下圖，光致發(fā)光儀測試的PIn值（亮度峰值強度），所激的發(fā)光經(jīng)GaN層輻射到空氣，很容易形成全反射現(xiàn)象。而被反射回的光，經(jīng)過襯底時，改變了發(fā)射角度，增加了輻射幾率。而B2規(guī)格更利于增加輻射幾率。

同工藝下，B1和B2波長Std分布也有差異。

B2波長分布有同心圓，中心偏短，邊緣偏長。這是溫度過高、升降溫過快，導(dǎo)致襯底表面溫度分布不均勻產(chǎn)生應(yīng)力，從而發(fā)生翹曲；使襯底在生長過程中呈現(xiàn)碗狀，進(jìn)一步使后面量子阱的溫度也不均勻，形成波長同心圓現(xiàn)象，造成std偏大。

亮度的差異只有改變襯底規(guī)格。降低波長Std的根本措施是釋放應(yīng)力，降低翹曲，使襯底表面溫度分布均勻。有效方法是減薄或加厚緩沖層，減小或加大成核層和uGaN溫差。

4、結(jié)論

對于CriusⅠ（31片/37片）MOCVD，在1類轉(zhuǎn)2類時，工藝調(diào)整：加厚緩沖層，升溫成核層；2類轉(zhuǎn)1類，反之即可。另需要多爐少片進(jìn)行穩(wěn)定品質(zhì)的工藝調(diào)整。A廠和B廠襯底在切割方向上有差異，工藝調(diào)整：綜合調(diào)整緩沖層、成核層和uGaN進(jìn)行。

對于CriusⅡ（55片）MOCVD，襯底切換時，主要控制好緩沖層厚度過大或者過小，并控制好橫向生長與縱向生長速率。

對于K465i/C4（54片）MOCVD，亮度的差異源于襯底規(guī)格；波長Std的工藝調(diào)整方法是減薄或加厚緩沖層，減小或加大成核層和uGaN溫差。