书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：深紫外 LED 应用
编号：JFKJ-21-1187
作者：华林科

引言
在物理气相传输制备的低位错密度(< 103 em2) AlN晶片(PVT)上，研究了氢化物气相外延(HVPE)生长厚AlN层的同轴生长。由HVPE层制备的氮化铝晶片具有与PVT氮化铝晶片相同的高结构质量和深紫外光透明度，光学截止波长为206.5纳米及以下，发现深紫外光透明度的发展与HVPE氮化铝晶片中碳杂质浓度较低有关。通过金属有机化学气相沉积法在HVPE-艾因晶片上制备的深紫外发光二极管的强电致发光峰在268纳米，可以通过HVPE氮化铝晶片提取，在250毫安的注入电流下，连续波输出功率达到28毫瓦，获得了2.4%的外量子效率。

实验
由于核酸（DNA，RNA）的吸收峰在260 nm附近，因此通过开发260 nm波段的AlxGa1-xN基深紫外发光二极管(LED)来代替传统的低压汞灯（254 nm）的高效杀菌和病毒灭活引起了人们的注意。当从AlxGa1-xN混合晶体获得260 nm波段的光时，其组成为x=0.75左右，因此，需要开发与高Al组成AlxGa1-xN混合晶体具有小晶格常数差并且透射260 nm波段的光的AlN单晶晶片，并且许多研究机构和公司正在研究该问题。
作为能够制作AlN单晶晶圆的块状AlN的生长法，研究最多的方法是升华法，必须将晶片加工至20μm左右的厚度，以减少由晶片的吸收引起的损失。因此，最终需要阐明使AlN单晶的深紫外光透过性劣化的机理，实现低位错密度和深紫外光透过性并存的AlN晶片。
该方法通过Ⅲ族元素氯化物气体和氨（NH3）气体之间的化学反应来生长晶体。
在AlN的HVPE生长中，与升华法不同，具有较少杂质的高纯度晶体可以以几十μm/h的生长速度生长，另一方面，由于生长需要初始衬底，晶格常数差引起的位错发生和热膨胀系数差引起的裂解是一个很大的问题。目前的一个解决方案是，在AlN的HVPE生长的初始衬底中使用低位错密度的升华法AlN晶片，通过同质外延生长实现低位错密度，以及HVPE方法的特征。
图1氯化铝与石英玻璃反应的平衡常数。AlCl和石英的反应的平衡常数非常大，在AlCl3中LogK在0以下，即存在成为非自发反应的领域。因此，如果在HVPE生长炉的原料部分能够选择性地生成AlCl3，就有可能在不损伤石英炉的情况下进行AlN生长。

图2是相对于Al金属的保持温度绘制的上述条件下各气体种类的平衡分压。Al金属的保持温度在790℃以上时，主要生成AlCl，另一方面，将Al金属的保持温度设定为500℃左右的低温，在这样的低温下，虽然担心热平衡达不到，但是在实际进行原料气体发生实验时，确认了通过增加Al金属的装料量，并且将Al金属制成颗粒来获得表面积，从而达到平衡。从图3可以看出，在500-1500℃的生长温度范围内，与石英反应的AlCl和AlCl2的平衡分压随着生长温度的增加而增加，但平衡分压在10-5 atm以下的低压下，石英的损伤可以忽略不计。

以上述气相原料的研究、原料部热力学分析、AlN生长部热力学分析结果为基础，构筑的AlN常压HVPE生长装置的概略图如 图4所示。本装置并用电炉的热壁加热（500℃）和基板局部加热加热器。基板局部加热加热器是用热分解氮化硼（pBN）涂覆石墨加热器，通过通电加热可以将基板升温到1500℃。在石英玻璃制反应炉的上游设置高纯度Al金属（6N等级），导入HCl生成AlCl3.作为氮源另外导入NH3，在反应炉的下游部使其与AlCl3反应进行AlN生长。载气中使用氢和氮的混合气体（H2/)。
使用图4所示的HVPE生长炉，在升华法AlN晶圆上进行了AlN的同质外延生长。 图5是作为初期基板使用的升华法AlN晶圆以及以升华法AlN为初期基板制作的HVPE―AlN晶圆的照片。与升华法AlN晶圆着色相对， HVPE―AlN晶圆是无色透明的。其次，比较了升华法AlN晶圆和HVPE―AlN晶圆的光透过率光谱。为了进行比较，对升华法AlN晶圆和HVPE―AlN晶圆的正面和背面进行光学等级研磨，在相同的板厚114μm下，测定包含反射损耗的外部光透过率光谱的结果，虽然两者的结构特性相同，但其光透过率光谱有很大的不同。
为此，我们实施了二次离子质量分析(SIMS)测量， 在升华法的AlN晶片中含有高浓度的碳，氧和硅杂质，在HVPE-AlN晶片中显著降低。我们推测，这些杂质的减少导致了波长小于300 nm的透光率的提高。因此，我们在使用HVPE法的AlN生长过程中有意掺杂碳，并研究了不同碳浓度的HVPE-AlN晶片对透光率的影响，碳浓度增加得到了非常小的值。
如果在升华法除去AlN晶圆后进行测量的话， 由于HVPE―AlN基板的高深紫外光透过性， 可以观测到以268 nm为中心的活性层的发光峰值。因此，接下来，将上述深紫外LED倒装芯片安装在由AlN烧结体构成的子安装上，对连续注入电流的输出功率以及外部量子效率进行评价的结果。随着注入电流量的增加，输出功率增加，在注入250 mA时，输出功率达到28 mW。另一方面，EQE随着注入电流量的增加，从1.3%增加到2.4%。可以理解，这是由于自发热引起的p型层的热活性化引起的空穴浓度的增加。

结果
作为新型杀菌·病毒灭活光源代替低压水银灯 260 nm波段的AlGaN系深紫外LED的开发受到了关注。在本稿中，关于作为该深紫外LED制作的关键材料的AlN晶圆的HVPE法的制作， 基于热力学分析的原料分子种类选择，原料部分的分子种类选择生成， 首先就成长部反应分析等基础研究进行解说， 显示了基于该研究结果的装置构筑。
其次，虽然深紫外光透过性差，但是通过将低位错密度的升华法AlN晶圆作为HVPE成长的初期基板，完全抑制了HVPE法的缺点高密度的位错发生，显示了可以实现具有低位错密度和深紫外光透过性两者的AlN晶圆。在这个HVPEAlN晶圆上试制260 nm波段的深紫外光LED的时候，可以不发生位错成长LED结构，证实了通过HVPE-AIN晶片可以取出来自活性层的光.倒装芯片安装的LED在注入250mA电流时的输出功率和EQE分别达到了28mW、2.4%。根据今后的进一步研究，如果能够廉价地提供更高效率的深紫外LED的话，其使用有望迅速扩大。