金属有机化学气相沉积（MOCVD）丨助力 LED 缓冲层性能优化

 

在现代生活中，氮化镓（GaN）基LED应用广泛，其性能受GaN缓冲层厚度显著影响。科研人员通过HVPE与 MOCVD结合技术，在蓝宝石衬底上制备了不同缓冲层厚度的LED。美能显示作为专注显示行业精密高效检测设备研发的企业，将持续关注核心材料的最新应用及动态，深入探究其性能奥秘。

 

 

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研究背景

在LED制造中，蓝宝石衬底是关键支撑材料，具备多重优势：化学性质稳定，可耐受高低温及腐蚀性气体，保障外延生长与器件长期稳定性；机械强度高，能承受复杂工艺应力，减少破损；紫外-可见光透过率超85%，可降低光吸收损耗、提升光提取效率；且成本低于碳化硅、硅等材料，依托成熟工艺与供应链，利于大规模生产。

 

但其与GaN存在晶格失配及热膨胀系数差异，会导致量子阱产生压应变和高位错密度，影响LED效率。

 

 

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实验方法

 

在实验过程中，研究人员选择 c 面蓝宝石作为衬底，采用 MOCVD（金属有机化学气相沉积）和 HVPE（氢化物气相外延）相结合的技术，成功生长出两种不同的 LED 外延结构，其缓冲层总厚度分别控制在约 12μm 和 30μm。

 

金属有机化学气相沉积（MOCVD）

 

气相沉积技术对LED制造意义重大，金属有机化学气相沉积（MOCVD）是其中一种常用方法。MOCVD把气态金属有机化合物和反应气体送进反应室，在高温下，气体在衬底表面反应，生长出高质量半导体薄膜。在LED制造时，MOCVD用于生长GaN缓冲层、InGaN/GaN量子阱等关键层，能精准控制薄膜的厚度、成分和结构，进而调控LED性能。 

 

氢化物气相外延（HVPE）

 

氢化物气相外延（HVPE）也是一种重要的气相沉积技术。与 MOCVD 相比，HVPE 具有生长速度快、成本低的优势。HVPE 用氢气携带卤化物源气体，在高温下与衬底反应生成外延层。在 LED 制造时，常先由 MOCVD 在蓝宝石衬底上生长薄 GaN 缓冲层，再用 HVPE 生长厚 GaN 层，既能降低成本，又能提升 LED 性能，如同建高楼，先打基础再快速搭建主体。

 

 

MOCVD和HVPE生长的LED的示意结构图

 

 

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实验结果

 

降低位错密度

 

CL 映射结果显示，12μm 和 30μm GaN 缓冲层表面的位错密度分别约为1.3×108cm−2和1.0×108cm−2，较厚的 GaN 缓冲层使位错密度降低了约 30% 

 

 

HVPE生长的GaN表面的CL映射结果图

 

 

应力松弛

 

随着缓冲层厚度从 12μm 增加到 30μm，CL 峰能量发生红移，拉曼光谱表明应力得到松弛，12μm 和 30μm 样品的E2-high 模式分别约为569.2cm−1和568.7cm−1，应力松弛约 0.08GPa。PL 光谱中，12μm 和 30μm GaN 缓冲层的 LED 的 PL 峰波长分别为 469nm 和 448nm，有明显蓝移，主要由量子限制斯塔克效应（QCSE ）引起，表明量子阱中的压应力降低。这一变化对 LED 的发光性能有着重要影响，使 LED 发出的光更加纯净、明亮。

 

 

CL线扫描峰值能量和HVPE-GaN表面拉曼光谱（左图）

 

 

LED的PL光谱和拉曼光谱（右图）

 

 

 

效率提升

 

综合降低位错密度和应力松弛的效果使30μm GaN 缓冲层的 LED 效率得到了显著提升。在 20mA 电流下，其外部量子效率（EQE）比 12μm 缓冲层 LED 提高了 50%；在 140mA 电流下，提高了 16%。这意味着在相同功耗下，采用 30μm 缓冲层 LED 的设备可以发出更亮的光，或者在保持相同亮度时消耗更少的能量，更加节能环保。

 

 

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结论与展望

 

随着科技发展，蓝宝石衬底技术与气相沉积技术持续进步。研究人员将优化这两项技术，降低蓝宝石衬底与GaN的晶格失配及热膨胀系数差异，提升气相沉积的精确性和效率，从而增强LED性能。未来，更高效、节能、环保的LED产品将走进生活，带来更优质的视觉体验。美能显示将持续关注LED的优化技术，协助推进其商业可行性。随着这些挑战得到应对和解决，LED技术可能彻底改变照明行业。

原文出处:《Characteristics of GaN-based light emitting  diodes with different thicknesses of buffer  layer grown by HVPE and MOCVD》 

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