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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
氮化鎵族光電材料與元件之研發(3/3)─子計畫一:氮化物藍
光波段元件結構磊晶研究
Development of GaN-Based Optoelectronics Devices Processing Technology
計畫編號：NSC 89-2218-E-009-058
執行期限：89 年 8 月 1 日至 90 年 10 月 31 日
主持人：陳衛國 交通大學電子物理系
一、中文摘要 本計畫為整合型總計畫氮化鎵族光電 材料與元件之研發之子計畫一：氮化物藍 光波段元件結構磊晶研究。本計畫於本年 度執行之主要目的在於 GaN 族光電元件結 構之研究與磊晶成長。在此計畫中我們成 功的利用化學氣相磊晶法完成 p 型氮化鎵 成長，InxGa1-xN/GaN 多重量子井結構之磊 晶成長與特性分析和 LD 元件結構之磊晶 成長之預定目標。 關鍵詞：InxGa1-xN/GaN 多重量子井、 AbstractThis project is focused on the studies of the
growth of GaN-based optoelectronic device structures. Several achievements have been made in this study, such as p-type GaN growth,
InxGa1-xN/GaN multi-quantum well growth and
studies and LD device growth.
Keywords: InxGa1-xN/GaN multi-quantum well
二、緣由與目的 三五族氮化物半導體元件已經被廣泛 應用在藍、紫光波長的光電元件上，在市 面上也已有商業型的相關產品，包括發光 二極體以及二極體雷射。這種藍光發光二 極體(LED)，可以應用在全彩之室外顯示看 板，以及紫光或藍光之照明，如辨識偽鈔、 廣告燈、交通號誌等；如此，不僅增加了 交通號誌之壽命，增加交通之安全性，更 節省大量的能源，使國家之經費能做更有 效之運用。另外，紫外光波長或藍光波長 之二極體雷射，可以應用在高容量、高密 度的光學資訊儲存系統上。目前市場上之 CD-ROM 光碟機而言，其光源為 AlGaAs 之半導體雷射，波長為 0.78 ?m，而光碟容 量 僅 僅 只 有 680 MB ； 另 外 ， 現 行 之 DVD-ROM 光碟系統，其光源為 0.65 ?m 之 紅光 AlGaInP 半導體雷射讀取頭，目前其光 碟容量為 4.7 GB；對於下一代 DVD 系統， 若 以 紫 光 之 氮 化 鎵 雷 射 做 為 光 源(~0.41 ?m)，則其所能容納之資訊將達到 18 GB。 另外，對於目前之電腦週邊之雷射印表機 而言，藍光雷射之應用也將大大提昇其列 印品質與速度。同時，紫光雷射也可用於 產生白光 LED 之激發螢光材料之光源。 這種紫外光波長或藍光波長之二極體 雷射，可以應用在高容量、高密度的光學 資訊儲存系統上。也正因為三五族氮化物 半導體是現代高科技產業極重要的材料， 近來更引起產業界與學術界的積極投入相 關的研究。雖然，目前已有商業型的產品 問世，但是對於三五族氮化物的研發仍有 相當的挑戰性，例如提高發光二極體的亮 度，增長二極體雷射之壽命，降低材料及 元件之缺陷等。 三、結果與討論 1. p-type 氮化鎵薄膜成長 氮化鎵材料為目前製作藍光發光二極 體與藍光半導體雷射等光電元件之主要材 料。在製造這些元件的過程中，主要的研 究課題之一就是如何在電極製作上產生低 阻值之歐姆接觸效應，由於在成長 P 型 GaN 材料時，因為在磊晶成長系統的極限及其 材料本身具有的特性影響下，所成長之傳 統式 P 型氮化鎵材料，其載子（電洞）濃
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度大約均介於~2-3 x 1017
cm-3
這個範 圍。因為載子（電洞）濃度不夠高以及 P 型 GaN 的高功函數（work function）~ 7.5eV，一般金屬的功函數並不能符合 P 型 GaN 之歐姆接觸的要求。為了使元件能 具有更佳的表現效果。我們藉由更改磊晶 參數有效提昇載子濃度(電洞)至 4-5 x 1017 cm-3 。 我們從霍爾量測得到 p 型氮化鎵薄膜 載子濃度和不同壓力的關係圖(圖一) 。藉 由控制反應腔的壓力可以有效幫助鎂擴散 入氮化鎵薄膜，且在同樣 750 度，45 分鐘 的退火條件下,可以發現載子濃度由原先的 1016 cm-3 提升到 4.7 x 1017 cm-3 。 50 100 150 200 250 300 0.0 5.0x1016 1.0x1017 1.5x1017 2.0x1017 2.5x1017 3.0x1017 3.5x1017 4.0x1017 4.5x1017 5.0x1017 Hole Concentration
Chamber Pressure (Torr)
圖一 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 PL intensity (a.u) Wavelength (nm) 圖二 且根據冷激光光譜(圖二) （photoluminescence, PL）的分析，peak 的 位置落上 443 nm 上，證實有大量的鎂進入 氮化鎵薄膜且在活化之後，形成一個能階 以提供大量的載子(電洞)。 2. InxGa1-xN/GaN 多重量子井結構 之磊晶成長 由於主動層（active layer）在藍光發光 二極體（Blue-LED）與二極體雷射（LD） 中，是主導元件成功與品質之重要因子。 而主動層支援見結構中，又以量子井結構 最為重要，包括量子井結構的設計與磊晶 成長，以藍光發光波長而言，當以三元混 晶之氮化銦鎵/氮化鎵之多重量子井結構 （InxGa1-xN/GaN MQW）為主要設計與製作 LED、LD 之考量。 由於，在高溫成長氮化銦鎵薄膜 （InxGa1-xN）時，In 不易融入而使 In 之固 態組成 x 無法提高；為了提高 In 之固態組 成，我們必須降低磊晶成長溫度，而降低 薄膜晶體之品質。因此，為了成長高品質 之藍光多重量子井結構，我們必須兼顧 In 之含量與薄膜之品質。為了達到藍光波長 之發光元件（LED, LD），In 之固態組成必 須到達 0.2。我們利用 Emcore D75 型之低 壓化學氣相磊晶系統來成長 InxGa1-xN/GaN 之多重量子井結構，使用 TMGa 與 TMIn 做為 III 族之反應源。對於 In 固態組成以及 多重量子井之厚度分析，我們利用 X-ray 量測來分析。 圖三為 730℃磊晶成長之多重量子井 結構之 X-ray 譜圖，而 InxGa1-xN/GaN 之對 數共有 10 對，而 TMGa 與 TMIn 之流量分 別為 1.7 與 100 sccm。從圖中，我們可看見 多重量子井之 sideline peak，根據分析，此 多重量子井之 In 組成約為 0.055，而 InGaN （well）之厚度為 28 Å ，GaN（barrier）為 47 Å 。藉由調整 In 之組成與 well/barrier 厚 度，以及其他磊晶參數，我們將得到更優 良品質之 MQWs。當 In 組成 x 增為 0.06， well 為 25 Å ，barrier 為 50 Å 時。
3 -14000 -12000 -10000 -8000 -6000 In000329a MQW structure DCX Si crystal 50 KeV 1mA GaN (0004) InGaN n= 0 -760sec InGaN n= -1 -3308sec
DC X-ray Intensity (a.u.)
Theta (arc sec)
圖三 當磊晶溫度降到 690℃時，In 之固態組 成以達 0.1，well 為 25 Å ，barrier 為 42 Å 。 (圖四) -14000 -12000 -10000 -8000 -6000 10 100 1000 10000 InGaN (0004) -1 -4300 sec InGaN (0004) + 0 -1360 sec In000406b MQW structure DCX Si crystal 50 KeV 1mA GaN (0004)
DC X-ray Intensity (a.u.)
Theta (arc sec)
圖四 當 In 組成提高到 0.126 時，well 54 Å ， barrier 41.5 Å，其 X-ray 與 PL 如圖五所示， 發光波長為 454 nm，半高寬為 32 nm。總括 以上之討論，本研究群已能控制 In 之融入 率，並達成 450 nm 發光波長之高品質 InxGa1-xN /GaN MQWs，我們也成功地運用 此 MQWs 於 LD 結構上。 -12000 -10000 -8000 -6000 -4000 10 100 1000 10000 InGaN (0004) -1 -3780 sec InGaN (0004) +0 -1730 sec In000411b MQW structure DCX Si crystal 50 KeV 1mA GaN (0004)
DC X-ray Intensity (a.u.)
Theta (arc sec)
400 500 600 700
Intensity (arb. unit)
Wavelength (nm)
4 3. LD 元件結構之磊晶成長 雷射二極體之元件結構如下: A l2O3 S u b s t r a t e B u f f e r L a y e r 3 0 n m u n d o p e d G a N 1 u m n - t y p e G a N : S i l a y e r 1 u m n - t y p e A l G a N : S i L a y e r 1 u m p - t y p e G a N : M g 0 . 4 u m I n G a N / G a N M Q W 5 - p a i r a c t i v e d l a y e r p - t y p e A l G a N : M g L a y e r 0 . 8 u m 將上述之 MQW 結構運用於 LD 上:n 型 GaN:Si 、 n 型 AlGaN:Si 、 發 光 層 (GaN/InGaN 5-pair MQW) 、 p 型
AlGaN:Mg 、p 型 GaN:Mg，採用 x-ray 繞射 (圖六)分析組成、PL 光譜量測兩吋晶片之 磊晶特性(圖七) 。
圖六
從 x-ray 繞 射 可 以 知 道 In 組成為 0.0464 時，well 43 Å ，barrier 37 Å ，其 X-ray 與 PL 如圖六所示，發光波長為 430 nm，半 高寬為 32 nm。且在 PL 光譜中定義發光波 長，利用調變 InGaN/GaN 結構之 well 與 barrier 之厚度可提高 In 含量之組成， 利用能階在量子井結構中量化後產生高電 子侷限及高光譜侷限效應，調變光激光之 發光波長，所成長發光二極體結構之 PL 光 譜中觀察到調變到 430 nm 之藍光波段，將 利用此晶片進行元件製作。 4.結論 總結而言，在本計劃之中我們已經成 功的磊晶成長 p 型 GaN、三元 InxGa1-xN、 InxGa1-xN/GaN 多重量子井結構、LD 結構。 目前，我們已對這些材料之基本物理性質 與磊晶參數已有了深入的瞭解，已掌握氮 化鎵元件結構之品質控制。 圖七
