材料外延與評測技術對半導體照明光源的影響
以功率型GaN 基藍光LED 為核心的半導體照明器件制作流程是以材料外延為基礎。為提高LED 器件的流明效率，要改善晶體質量，采用ECR 等離子體輔助MOVPE 方法進行GaN 材料的外延生長。低溫生長的關鍵是解決活性氮源并為生長表面提供活化能，以ECR 等離子體提供活化氮源，在GaAs（001）襯底生長出晶質好的純立方GaN 單晶膜。減少材料缺陷密度，降低材料的吸收損耗；要改善材料結構，減小材料極化效應，減小非輻射復合中心，提高電流注入效率和體內量子效率；還要提高p 型材料的空穴濃度，以降低器件工作電壓等。
由于GaN 基材料具有極高的熔點和非常大的氮氣飽和蒸氣壓，難以獲得大面積、高質量的GaN 襯底，一般采用存在晶格失配和熱膨脹系數失配的異質襯底來進行外延生長。目前國際上主要采用金屬有機化合物氣相外延（MOVPE）技術在藍寶石襯底上沿（0001）晶向進行異質外延。由于采用異質外延生長，GaN 晶體缺陷密度較大，往往需要襯底預處理技術、AlN 緩沖層技術、雙束流外延生長技術、橫向外延技術、準同質外延襯底等來提高晶體質量。
目前使用的Ⅲ族氮化物LED 大多通過MOVPE 技術生長外延材料，外延過程是以物質從氣相向固相轉移為主的過程。含外延膜成分的氣體輸運到加熱的襯底上，通過氣體分子熱分解，擴散在外延表面上的化學反應，就構成外延膜的原子沉積在襯底上，按一定晶體結構排列形成外延片。通常NH3 作為氮源，三甲基鎵（TMG）為鎵源，以高純H2 為載體，在高溫（大于1 000 ℃）進行外延生長。在襯底和外延面上的化學反應為
GaN（CH33（V）+NH3（V）→GaN（S）+3CH3（V）
式中V 表示氣相，S 表示固相。
GaN 基材料外延技術決定了LED 器件的內量子效率、光譜性能等指標，是半導體照明技術的基礎。圖3給出了LED 的光譜特性。由圖可見：1）隨著注入電流從2 mA 增加至80 mA，LED 發光峰值波長向短波方向移動，即發生藍移，并且藍移量達到5 nm；2）光譜展寬，LED 光譜的半峰全寬（FWHM）從2 mA 下的26 nm，增加到了80 mA 下的35 nm，增加了9 nm。這種藍移現象和展寬效應會造成實際應用中器件色彩漂移，影響熒光粉的激發效率，降低流明效率，并使器件偏離白光光譜，影響色溫指標。因此，獲得高波長穩定性的LED 器件的材料外延中研究的重點。
圖3 一般LED 的光譜特性
人們普遍認為，藍光LED 發光波長隨注入電流的變化主要來自于InGaN/GaN 多量子阱區強烈的極化效應。GaN 基材料體系內的極化包括沿（0001）晶向生長的纖鋅礦結構GaN 材料所固有的自發極化和在有應變情況下產生的壓電極化，并且其極化系數較傳統Ⅲ-Ⅴ族GaN材料要高。在InGaN 材料中，壓電極化居主導地位，極化效應會在InGaN/GaN 多量子阱區產生很強的內建電場（約為106 eV/cm）,導致顯著的量子限制斯塔克效應（QCSE）引起能帶傾斜，使得發光波長紅移。隨著注入電流的增大，量子阱區產生大量的自由載流子，在一定程度上屏蔽了內建電場，削弱了QCSE 效應，從而使LED 的峰值波長產生藍移。通常當InGaN/GaN 量子阱的阱寬超過3 nm 時，由于QCSE 效應的影響，量子阱中電子空穴波函數空間分離嚴重，波函數重疊積分減小，電子空穴對復合輻射幾率降低，限制了器件內量子效率的提高。而LED 光譜的展寬效應主要由材料生長過程中，量子阱界面粗糙、組分和阱寬不均勻、GaN 晶體不完整、總應變量（單量子阱應變量與量子阱總厚度的乘積）增加等因素引起。
為提高內量子效率，解決LED 的電流注入藍移效應和光譜展寬效應，保持LED 光譜的穩定性，必須控制并降低總應變量。為此，可通過優化量子阱阱寬、量子阱阱數等措施改善量子阱結構，提高晶體質量，降低界面粗糙度，改善器件性能。
此外，GaN 材料屬于寬禁帶（帶隙能量3.4eV）材料，其典型受主雜質Mg 的能級屬于深受主能級，室溫下電離度僅為1%。而且生長中Mg 還容易與H 形成Mg-H 絡合物而發生鈍化。基于GaN 材料的生長技術，尚無法獲得高空穴的p 型GaN 材料，其空穴濃度通常為1×1018cm-3。為提高空穴濃度，人們提出了采用表面接觸層p 型InGaN/GaN 超晶格結構、p 型InGaN/GaN 異質結或超晶格結構等生長方案。還采取了如表面Si 處理/Mg 處理等外延粗糙化技術、應變補償技術、漸變生長技術等，以提高光提取效率和內量子效率，改善器件的光譜性能。
需要指出的是由于InGaN 外延層存在較大的應變，其晶格的完整性較差，對于量子阱阱寬和阱In 組分的精確評測需要在高分辨率X 射線衍射儀測試基礎上，結合透射電子顯微鏡盧瑟福背散射等手段加以綜合分析。
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