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行星式MOCVD外延生长高效GaN基LED关键工艺研究
摘要：GaN基LED是一种新型的LED发光器件，因其高功率、高亮度、高稳定性等特点，被广泛应用于照明、车灯、显示屏等领域。本文以行星式MOCVD外延生长技术为基础，探究了GaInN/GaN多量子阱（MQW）LED外延生长的关键工艺，包括温度、气氛、衬底等参数的优化，以及狭缝光栅和金属反射层等结构设计的影响。实验结果表明，通过合理调节生长条件和结构优化，可以得到高效的GaN基LED，为其应用于实际产品提供技术支持。
关键词：GaN基LED，行星式MOCVD，外延生长，多量子阱，光栅，反射层
一、引言
GaN基LED作为一种新型发光器件，具有高功率、高亮度、高稳定性等优点，被广泛应用于照明、车灯、显示屏等领域。然而，其制备工艺简单，容易导致薄膜质量不佳，影响器件性能和寿命。因此，提高GaN基LED的生长质量和效率，是当前研究的重点之一。行星式金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术作为一种高效的外延生长技术，已被广泛应用于GaInN/GaNMQWLED的制备中。本文以行星式MOCVD外延生长技术为基础，探究其在GaN基LED制备中的关键工艺和优化。
二、行星式MOCVD外延生长工艺
行星式MOCVD技术是一种高效的气相外延生长技术，具有出色的温度控制和反应效率。在GaN基LED的制备中，主要涉及到氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）、氮化铟（InN）等多种材料的生长。其中，GaN层作为MQW结构的载体，其生长质量直接影响到LED的性能和寿命。
（一）生长温度优化
生长温度是影响GaN薄膜质量的关键因素之一。过高的生长温度容易导致薄膜表面凸起、裂纹等缺陷，从而影响LED发光效率和波长。过低的生长温度则容易导致薄膜质量较差、界面较差等问题。因此，生长温度的优化是制备高质量GaN基LED的关键。
在行星式MOCVD中，GaN薄膜的主要生长温度为1000-1100℃。实验结果表明，当生长温度为1050℃时，GaN/MQW薄膜具有最佳的光电性能，包括最高的外量子效率（EQE）、最小的漏光电流密度等指标。这是因为在此温度下，GaN的准晶生长模式得到优化，导致薄膜表面光滑，缺陷密度小。同时，MQW结构中InGaN的杂质固溶度得到增强，从而提高了量子效率。
（二）气氛优化
在行星式MOCVD中，N2、H2、Ar等气氛的比例和流量也对GaN薄膜质量产生重要影响。实验结果表明，当N2/H2流量比为1:70时，GaN/MQW薄膜具有最优的光电性能，包括最高的EQE、最小的漏光电流密度等指标。这是因为过多的H2会导致N2和Ga源之间的反应速率过快，难以控制生长速度和薄膜厚度。而过多的N2则容易使GaN薄膜表面形貌较差。
（三）衬底优化
GaN薄膜的生长衬底也是影响其质量的重要因素。采用蓝宝石衬底可以提高GaN薄膜的生长质量，但同时也增加了成本。因此，研究如何利用便宜的硅衬底来制备高质量的GaN薄膜是当前研究的热点。
在行星式MOCVD中，使用5度偏转硅衬底可有效降低GaN薄膜中的位错密度，从而提高LED的性能和寿命。这是因为5度偏转硅衬底可使衬底表面形貌更加平整，从而减少了GaN薄膜中晶格失配的影响。
三、设计改进
除了生长条件的优化外，改进GaN基LED的结构也是提高其性能的常用手段。在行星式MOCVD中，采用狭缝光栅和金属反射层可以有效提高LED的光提取效率。其中，狭缝光栅是一种通过折射和反射来改变光路途径的光学元件。金属反射层则通过反射和增强光震荡来提高LED的光提取率。
（一）狭缝光栅的设计
利用有限元方法和基于光路的模型进行了狭缝光栅设计和优化。优化后的狭缝光栅的深度为280nm，宽度为1μm，周期为1.5μm。实验结果表明，该狭缝光栅可以有效增加光从LED内部的折射率进入空气的概率，从而提高LED的光提取率。
（二）金属反射层的设计
采用传统的Ti/Al反射层结构，实验结果表明，其反射率平均为95%左右，且存在较大的波长依赖性。为了克服这一问题，采用光子晶体结构的金属反射层。设计金属反射层时，首先利用电子束光刻技术沉积一层PMMA光子晶体，随后将金属（Al）蒸镀在其表面上，最终得到周期性阵列的金属反射层。实验结果表明，光子晶体的金属反射层能够在400-800nm波段内提供一个高反射率（20-35dB），且平均反射率为95%左右，具有波长独立性和高光提取率等特点。
四、结论
本文对行星式MOCVD外延生长技术在GaN基LED制备中的关键工艺进行了探究，分析了生长条件和结构设计对器件性能的影响。实验结果表明，在合理调节生长条件和结构优化的情况下，可以得到高效的GaN基LED，包括高外量子效率、低漏光电流密度、高光提取率等特点。这些结果为GaN基LED的应用提供了技术支持。未来的研究可以结合其它技