LED外延片外延工艺.docx

:LED 外延片 外延工艺由 LED 工作原理可知，外延材料是 LED 的核心局部，事实上，LED 的波长、亮度、正向电压等主要光电参数根本上取决于外延材料。发光二极管对外延片的技术主要有以下四条：禁带宽度适合。可获得电导率高的 P 型和 N 型材料。可获得完整性好的优质晶体。发光复合几率大。外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在，金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称 MOCVD)技术生长 III-V 族，II-VI 族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。II、III 族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物，如： Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3 等，它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸汽，与V 族的氢化物(如 NH3，PH3，AsH3)混合，再通入反响室，在加热的衬底外表发生反响，外延生长化合物晶体薄膜。MOCVD 具有以下优点：用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反响室中，可以通过掌握各种气体的流量来掌握外延层的组分，导电类型，载流子浓度，厚度等特性。因有抽气装置，反响室中气体流速快，对于异质外延时，反响气体切换很快，可以得到陡峭的界面。外延发生在加热的衬底的外表上，通过监控衬底的温度可以掌握反响过程。在肯定条件下，外延层的生长速度与金属有机源的供给量成正比。MOCVD 及相关设备技术进呈现状：MOCVD 技术自二十世纪六十年月首先提出以来，经过七十至八十年月的进展，九十年月已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术。目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子材料生产中得到广泛应用。日本科学家 Nakamura 将 MOCVD 应用氮化镓材料制备，利用他自己研制的 MOCVD 设备(一种格外特别的反响室构造)，于 1994 年首先生产出高亮度蓝光和绿光发光二极管，1998 年实现了室温下连续激射 10,000 小时，取得了划时代的进展。到目前为止，MOCVD 是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产本钱等主要指标来看，还没有其它方法能与之相比。1国际上 MOCVD 设备制造商主要有三家：德国的 AIXTRON 公司、美国的EMCORE 公司(Veeco)、英国的 Thomas Swan 公司(目前 Thomas Swan 公司被AIXTRON 公司收购)，这三家公司产品的主要区分在于反响室。这些公司生产 MOCVD 设备都有较长的历史，但对氮化镓基材料而言，由于材料本身争论时间不长，对材料生长的一些物理化学过程还有待生疏，因此目前对适合氮化镓基材料的 MOCVD 设备还在完善和进展之中。国际上这些设备商也只是 1994 年以后才开头生产适合氮化镓的 MOCVD 设备。目前生产氮化镓中最大 MOCVD 设备一次生长 24 片(AIXTRON 公司产品)。国际上对氮化镓争论得最成功的单位是日本日亚公司和丰田合成，恰恰这些公司不出售氮化镓生产的 MOCVD 设备。日本酸素公司生产的氮化镓-MOCVD 设备性能优良，但该公司的设备只在日本出售。MOCVD 设备的进展趋势：研制大型化的 MOCVD 设备。为了满足大规模生产的要求，MOCVD 设备更大型化。目前一次生产 24 片 2 英寸外延片的设备已经有商品出售，以后将会生产更大规模的设备，不过这些设备一般只能生产中低档产品；研制有自己特色的专用 MOCVD 设备。这些设备一般只能一次生产 1 片 2 英寸外延片，但其外延片质量很高。目前高档产品主要由这些设备生产，不过这些设备一般不出售。1)InGaAlP四元系 InGaAlP 化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光二极管的最正确材料，InGaAlP 外延片制造的 LED 发光波段处在 550650nm 之间，这一发光波段范围内，外延层的晶格常数能够与 GaAs 衬底完善地匹配，这是稳定批量生产超高亮度 LED 外延材料的重要前提。AlGaInP 超高亮度 LED 承受了MOCVD 的外延生长技术和多量子阱构造，波长 625nm 四周其外延片的内量子效率可到达 100%，已接近极限。目前 MOCVD 生长 InGaAlP 外延片技术已相当成熟。InGaAlP 外延生长的根本原理是，在一块加热至适当温度的 GaAs 衬底基片上，气态物质 In,Ga,Al,P 有掌握的输送到 GaAs 衬底外表，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电学和光学参数的半导体薄膜外延材料。III 族与 V 族的源物质分别为 TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3 与 AsH3。通过掺 Si 或掺 Te 以及掺 Mg 或掺 Zn 生长 N 型与 P 型薄膜材料。对于 InGaAlP 薄膜材料生长，所选用的 III 族元素流量通常为(1-5)×10-5 克分子，V 族元素的流量为(1- 2)×10-3 克分子。为获得适宜的长晶速度及优良的晶体构造，衬底旋转速度和长晶温度的优化与匹配至关重要。细致调整生长腔体内的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提高了外延材料光电性能的全都性。2)lGaInN氮化物半导体是制备白光 LED 的基石，GaN 基 LED 外延片和芯片技术，是白光 LED 的核心技术，被称之为半导体照明的发动机。因此，为了获得高质量的 LED，降低位错等缺陷密度，提高晶体质量，是半导体照明技术开发的核心。GaN 外延片的主要生长方法：GaN 外延片产业化方面广泛使用的两步生长法，工艺简述如下：由于 GaN 和常用的衬底材料的晶格失配度大，为了获得晶体质量较好的GaN 外延层，一般承受两步生长工艺。首先在较低的温度下(500600)生长一层很薄的 GaN 和 AIN 作为缓冲层，再将温度调整到较高值生长 GaN 外延层。Akasaki 首先以 AIN 作为缓冲层生长得到了高质量的 GaN 晶体。AlN 能与 GaN 较好匹配，而和蓝宝石衬底匹配不好，但由于它很薄，低温沉积的无定型性 质，会在高温生长 GaN 外延层时成为结晶体。随后 Nakamura 觉察以 GaN 为缓冲层可以得到更高质量的 GaN 晶体。为了得到高质量的外延层，已经提出很多改进的方法，主要如下：常规 LEO 法LEO 是一种 SAE(selective area epitaxy)方法，可追溯到 Nishinaga 于1988 年对 LPE(liquid phase epitaxy)的深入争论，LEO 常用 SiO2 或 SiNx 作为掩膜(mask)，mask 平行或者垂直衬底的11-20面而放置于 buffer 或高温生长的薄膜上，mask 的两种取向的侧向生长速率比为 1.5，不过一般常选用平行方向(1-100)。LEO 具体生长过程如图 2-11 所示，GaN 在窗口区向上生长， 当到达掩膜高度时就开头了侧向生长，直到两侧侧向生长的 GaN 集合成平坦的薄膜。图 2-11 GaN 的 LEO 生长过程示意图PE(Pendeo epitaxy)法生长示意图如以下图 2-12 所示：图 2-12 GaN 的 PE 生长过程示意图衬底上长缓冲层，再长一层高温 GaN 选择腐蚀形式周期性的 stripe 及trench，stripe 沿(1-100)方向，侧面为11-20PE 生长，有二种模式，如图2-13 所示。图 2-13 PE 法生长 GaN 的两种生长模式示意图。Model A：侧面11-20生长速率大于(0001)面垂直生长速率；Model B：开头(0001)面生长快，紧接着又有从形成的11-20面的侧面生长。一般生长温度上升，model A 可能性增大，有时在同一个 PE 生长会同时消灭两种生长模式，这是由于生长参数的微小波动造成集中特性的转变，从而也提醒了与生长运动学有关的参数(如平均自由程，平均寿命)相联系的阈值能量很低。PE 生长得到的 GaN TD 密度下降了 4-5 个个量级，SEM 显示侧面生长的 GaN 集合处或者是无位错或者是空洞，但在这些空洞上方的 GaN 仍为无位错区；AFM 显示 PE 生长的 GaN 外表粗糙度仅为原子级，相当光滑；试验说明， PE 生长比一样构造的 LEO 生长快 4-5 倍，且 PE GaN 的应力比 LEO GaN 中的小5-10 倍。3) 其它型外延材料ZnO 本身是一种有潜力的发光材料。ZnO 的禁带宽度为 3.37eV，属直接带隙，和 GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在 380nm 四周紫光波段进展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材 料。这是由于，ZnO 的激子束缚能高达 60meV，比其他半导体材料高得多(GaN 为 26meV)，因而具有比其他材料更高的发光效率。ZnO 材料的生长格外安全，既没有 GaAs 那样承受毒性很高的砷烷为原材料，也没有 GaN 那样承受毒性较小的氨气为原材料，而可以承受没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。因而，今后 ZnO 材料的生产是真正意义上的绿色生产，完全复合环保要求。生长 ZnO 的原材料锌和水资源丰富、价格廉价，有利于大规模生产和持续进展。目前，ZnO 半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平和 P 型掺杂问题没有真正解决，适合 ZnO 基半导体材料生长的设备尚未研制成功，这为我国进展ZnO 半导体材料和器件、实现技术上的跨越，供给了一次极好的进展机遇。ZnSe 材料的白光 LED 也是一种有潜力的白光 LED 技术。其技术是先在ZnSe 单晶基底上生长一层 CdZnSe 薄膜，通电后该薄膜发出的蓝光与基板 ZnSe 作用发出互补的黄光，从而形成白光光源。GaNAs 和 GaNP 材料目前正处于刚开头争论阶段，但作为一种有潜力的发光材料，国家在根底争论方面应赐予重视。4) 外延技术进展趋势：改进两步法生长工艺目前商业化生产承受的是两步生长工艺，但一次可装入衬底数有限，6 片机比较成熟，20 片左右的机台还在成熟中，片数较多后导致外延片均匀性不够。进展趋势是两个方向：一是开发可一次在反响室中装入更多个衬底外延生长，更加适合于规模化生产的技术，以降低本钱；另外一个方向是高度自动化的可重复性的单片设备。氢化物汽相外延(HVPE)技术人们最早就是承受了这种生长技术制备出了 GaN 单晶薄膜，承受这种技术可以快速生长出低位错密度的厚膜，可以用做承受其它方法进展同质外延生长的衬底。并且和衬底分别的 GaN 薄膜有可能成为体单晶 GaN 晶片的替代品。HVPE 的缺点是很难准确掌握膜厚，反响气体对设备具有腐蚀性，影响 GaN 材料纯度的进一步提高。选择性外延生长或侧向外延生长技术承受这种技术可以进一步削减位错密度，改善 GaN 外延层的晶体质量。首先在适宜的衬底上(蓝宝石或碳化硅)沉积一层 GaN，再在其上沉积一层多晶态的 SiO 掩膜层，然后利用光刻和刻蚀技术，形成 GaN 窗口和掩膜层条。在随后的生长过程中，外延 GaN 首先在 GaN 窗口上生长，然后再横向生长于 SiO 条上。悬空外延技术(Pendeo-epitaxy)承受这种方法可以大大削减由于衬底和外延层之间晶格失配和热失配引发的外延层中大量的晶格缺陷，从而进一步提高 GaN 外延层的晶体质量。首先在适宜的衬底上(6H-SiC 或 Si)承受两步工艺生长 GaN 外延层。然后对外延膜进展选区刻蚀，始终深入到衬底。这样就形成了 GaN/缓冲层/衬底的柱状构造和沟槽交替的外形。然后再进展 GaN 外延层的生长，此时生长的 GaN 外延层悬空于沟槽上方，是在原 GaN 外延层侧壁的横向外延生长。承受这种方法，不需要掩膜，因此避开了 GaN 和腌膜材料之间的接触。研发波长短的 UV LED 外延材料这项工作意义重大，它为进展 UV 三基色荧光粉白光 LED 奠定扎实根底。可供 UV 光激发的高效荧光粉很多，其发光效率比目前使用的 YAG：Ce 体系高很多，这样简洁使白光 LED 上到台阶。开发多量子阱型芯片技术多量子阱型是在芯片发光层的生长过程中，掺杂不同的杂质以制造构造不同的量子阱，通过不同量子阱发出的多种光子复合直接发出白光。该方法提高发光效率，可降低本钱，降低包装及电路的掌握难度；但技术难度相对较 大。开发“光子再循环“技术日本 Sumitomo 在 1999 年 1 月研制出 ZnSe 材料的白光 LED。其技术是先在 ZnSe 单晶基底上生长一层 CdZnSe 薄膜，通电后该薄膜发出的蓝光与基板ZnSe 作用发出互补的黄光，从而形成白光光源。美国 Boston 大学光子争论中心用同样的方法在蓝光 GaN-LED 上叠放一层 AlInGaP 半导体复合物，也生成了白光。MSN 空间完善搬家到浪博客！