MOCVD和LED基礎(chǔ)知識介紹課案

1、MOCVD設(shè)備和外延生長2007. 01外延技術(shù)與設(shè)備是外延片制造技術(shù)的關(guān)鍵所在。氣相外延（VPE ）,液相外延（LPE ），分子束外延（MBE ）和金屬有機(jī)化合物氣相外延 （MOCVD ）都是常用的外延技術(shù)。當(dāng)前，MOCVD工藝已成為制造絕大多數(shù)光電子材料的基本技術(shù)。（氣相外延-在含有外延生長所需原子的化合物的氣相環(huán)境中，通過一定方法獲取外延生長所需原子，使其按規(guī)定要求排列而生成外延層的外延生長過程。（Vapor Phase Epitaxy）液相外延-襯底片的待生長面浸入外延生長的液體環(huán)境中生長外延層的外延生長過程。（Liquid Phase Epitaxy ）分子束外延-在高真空中，外延生

2、長所需原子（無中間化學(xué)反應(yīng)過程）由源直接轉(zhuǎn)移到待生長表面上，按規(guī)定要求排列生成外延層的外延生長過程。（Molecular Beam Epitaxy）MOCVD （ Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）設(shè)備作為化合物半導(dǎo)體材料研究和生產(chǎn) 的手段，特別是作為工業(yè)化生產(chǎn)的設(shè)備，它的高質(zhì)量、穩(wěn)定性、重復(fù)性及規(guī)模化是其它的半導(dǎo)體材料生長設(shè)備無法替代的。它是當(dāng)今世界上生產(chǎn)半導(dǎo)體光電器件和微波器件材料的主要 手段，如激光器、探測器、發(fā)光二極管、高效太陽能電池、光電陰極等，是光電子等產(chǎn)業(yè)不 可缺少的設(shè)備。但我國至今沒有生產(chǎn)該設(shè)備的專業(yè)廠家，各單位都是花費(fèi)大量外匯從

3、國外購買，使用過程中的維護(hù)和零配件的采購都存在很多的不便，且價格昂貴。全球最大的 MOCVD設(shè)備制造商 AIXTRON,美國Veeco公司.MOCVD設(shè)備1. 發(fā)展史：國際上起源于 80年代初，我國在80年代中（85年）。國際上發(fā)展特點：專業(yè)化分工，我國發(fā)展特點：小而全，小作坊式。技術(shù)條件：a.MO源：難合成，操作困難。b. 設(shè)備控制精度：流量及壓力控制c. 反應(yīng)室設(shè)計： Vecco :高速旋轉(zhuǎn)Aixtron:氣浮式旋轉(zhuǎn)Tomax Swan :CCS系統(tǒng)（結(jié)合前兩種設(shè)備特點）Nichia:雙流式2. MOCVD 組成Substrate: GaAsJOO).DMZn-TEN1000nn圖I生產(chǎn)工

4、藝流穆方楫圖MO源即高純金屬有機(jī)化合物是先進(jìn)的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（簡稱 MOCVD ）、金屬有機(jī)分子束外延（簡稱MOMBE）等技術(shù)生長半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的支撐材料。由于M0源產(chǎn)品要求純度極高， 而絕大多數(shù)MO源化合物對氧氣、水汽極其敏感，遇空氣可發(fā)生自燃，遇水可發(fā)生爆炸，且毒性大，所以M0源的研制是集極端條件下的合成制備、超純純化、超純分析、超純灌裝等于一體的高新技術(shù)。純度在 99.999 99.9999常用M0源：TMGa（三甲基鎵，液態(tài)）TMAI （三甲基鋁，液態(tài)）TMIn （三甲基銦，固態(tài)，現(xiàn)已有液態(tài)）TEGa （三乙基鎵，液態(tài)）Cp2Mg （二茂基鎂，固態(tài)，現(xiàn)已有液態(tài)）載氣為純度很高（

5、99.999999% ）的氫氣和氮?dú)?。特氣：高純度?9.9999%）的AsH3（砷烷，液態(tài)）PH3 （磷烷，液態(tài)）Si2H6 （乙硅烷，氣態(tài)）（前三種為紅 黃光生產(chǎn)使用）NH3 （氨氣，液態(tài)）SiH4 （硅烷，氣態(tài)）（后兩種為藍(lán)綠光生產(chǎn)使用）氣控單元：主要由 MFC （流量計）、PC （壓力計）和一些管道組成，用于氣體的控制和輸送。氣體處理系統(tǒng)的功能是向反應(yīng)室輸送各種反應(yīng)劑，并精確控制其濃度、送入的時間和順序以及流過反應(yīng)室的總氣體流速等，以便生長特定成分與結(jié)構(gòu)的外延層控制單元：根據(jù)PC機(jī)輸入的生長程序，對工藝進(jìn)行控制。反應(yīng)室：a.按壓力分可分為常壓反應(yīng)室（如 Nichia公司的設(shè)備）和低壓反

6、應(yīng)室（如 Veeco和Aixtron公司的 設(shè)備）。兩者區(qū)別：氣體流速。低壓反應(yīng)室優(yōu)點：氣體切換快，停滯層薄，預(yù)反應(yīng)小，界面轉(zhuǎn)換快。B.按形狀分：水平式（Aixtron ）、立式（Vecco和Tomax Swan）、桶式（常用于 Si外延）和雙流式（Nichia ）。襯底：紅黃光生長用 GaAs（砷化鎵），藍(lán)綠光生長用AI2O3（藍(lán)寶石）（最通用）、SiC（ Cree）和GaAs（砷化鎵）、 Si（硅）（后兩種仍處于實驗室階段）等。尾氣處理器：主要用于生長后的廢氣處理，使其達(dá)到無污染排放。紅黃光生長產(chǎn)生尾氣用化學(xué)尾氣處理器 處理，藍(lán)綠光生長產(chǎn)生的尾氣用濕法尾氣處理器處理。二, LED的MOCV

7、D外延生長概念：外延-在一定條件下，通過一定方法獲得所需原子，并使這些原子有規(guī) 則地排列在襯底上；在排列時控制有關(guān)工藝條件，使排列的結(jié)果形成具有一定 導(dǎo)電類型、一定電阻率、一定厚度。晶格完美的新單晶層的過程。外延片生長工藝LED GaN外延片是一個由多個區(qū)域組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。為使該結(jié)構(gòu)具有很高的電光轉(zhuǎn)換效 率，首先應(yīng)該獲得性能優(yōu)良的單層外延材料，然后再實現(xiàn)完美的結(jié)構(gòu)組合。高質(zhì)量外延片生長技術(shù)的最終掌握必然立足于在自己設(shè)備上大量反復(fù)的單項實驗，真正掌握并理解各外延層組分、摻雜和厚度的特性參數(shù)，以及由這些參數(shù)表征的外延層質(zhì)量。外延生長的基本原理是，在一塊加熱至適當(dāng)溫度的藍(lán)寶石（Al2O3 ）襯底基片

8、上，氣態(tài)物質(zhì)Ga, N, In,Al, Mg有控制地輸送到藍(lán)寶石（AI2O3）襯底表面，生長出具有特定組分，特定厚 度，特定電學(xué)和光學(xué)參數(shù)的半導(dǎo)體薄膜外延材料。III族與V族的源物質(zhì)分別為 TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、Cp2Mg、NH3與2。通過摻Si或摻Mg，Al生長N型與P型薄膜材料。為 獲得合適的長晶速度及優(yōu)良的晶體結(jié)構(gòu)，襯底旋轉(zhuǎn)速度和生長溫度的優(yōu)化與匹配至關(guān)重要。細(xì)致調(diào)節(jié)生長腔體內(nèi)的熱場分布，將有利于獲得均勻分布的組分與厚度，進(jìn)而提高了外延材料光電性能的一致性。同時針對不同的界面要求，在工藝中分別采用了生長中止或連續(xù)的工藝條件取得了良好的效果。*市場上的藍(lán)光及紫光LED都是

9、采用GaN基材料生產(chǎn)岀來的。GaN是極穩(wěn)定的化合物和堅硬的高熔點材料。1. 基本反應(yīng)：紅黃光：TMGa+AsH3 -k GaAs+CH4TMGa+PH3 GaP+CH4藍(lán)綠光：TMGa+ NH3GaN+CH4反應(yīng)特點：a遠(yuǎn)離化學(xué)平衡：V /山1b. 晶體生長速率主要由山族元素決定2. 外延層結(jié)構(gòu)及生長過程（1）紅黃光LED18P GaP P1*1017P-(AI 0.95Ga0.05)0.5ln0.5PP2*10Active layer(MQW)17n-(Al 0.95Ga0.05)0.5In 0.5P n5*10 n-GaAs(100)襯底DBR(GaAs/AIAs) n1*1018GaAs

10、 buffer n1*1018a. 首先對襯底進(jìn)行高溫處理，以清潔其表面b. 生長一層GaAs buffer （緩沖層），其晶格質(zhì)量較襯底好，可除襯底影響，但不能消除位錯。c. 生長一套DBR （分布布拉格反射器）。它是利用GaAs和AlAs反射率不同，可達(dá)到增反射效果，提高反射率。每層厚度：d=X /4n（ d：厚度，入：波長，n：材料折射率），這一層相當(dāng)于鏡子的作用，減少襯底的吸收。d. 生長一層N型（Al 0.95Ga0.05）0.5ln0.5P，為active layer（有源區(qū)）提供輻射復(fù)合電子。e. Actrive layer （有源層），其成分是（Al xGa1-x）0.5ln0

11、.5P /（AlyGa1-y）0.5ln0.5P，是主要的發(fā)光層，光強(qiáng)和波長主要由此層決定。它通過調(diào)節(jié)MQW （多量子阱）中的 Al（鋁）的組分，達(dá)到調(diào)節(jié)波長的作用，通過優(yōu)化此層的參數(shù)（如：阱的個數(shù)，材料組分，量子阱周期厚度），可明顯提高發(fā)光效率。f. 生長一層P型（Al 0.95Gac.05）0.5ln0.5P，此層因Al組分很高，對載流子起到限制的作用，可明顯提高 發(fā)光效率。g. 生長一層P型GaP層，此層為電流擴(kuò)展層，擴(kuò)展層越厚，電流擴(kuò)展得越好，亮度越高。（但有一個成本問題）（2）藍(lán)綠光LEDP-electrodeP-GaN(P: 3-5 xi017cm-3)p-AlGaNActive

12、layer(MQW)N-GaN(4 g, N:3-5 xi018cm-3)n-electrodeBufferSapphirea. 首先對襯底進(jìn)行高溫處理，以清潔其表面。b. 因AI2O3與GaN失配非常大（達(dá)到 13.6%）,因此必須在低溫下生長一層buffer（緩沖層）約2030n m,若此層生長有問題，將極大影響上層晶格質(zhì)量。c. 生長一層約4卩m厚的N型GaN,此層主要為active layer （有源層），提供輻射復(fù)合電子。h. 生長一套active layer（MQW）,其成分是InxGai-xN/GaN，是主要的發(fā)光層，光強(qiáng)和波長主要由此層決定。它通過調(diào)節(jié) MQW （多量子阱）中的

13、In（銦）的組分，達(dá)到調(diào)節(jié)波長的作用，通過優(yōu)化此層 的參數(shù)（如：阱的個數(shù)，材料組分，量子阱周期厚度及摻雜濃度），可明顯提高發(fā)光效率，其晶格質(zhì)量對ESD有很大的影響。i. 生長一層P型AIxGai-xN層,因此層AI組分較高，對載流子起到限制的作用，可明顯提高發(fā)光效 率。d. 生長一層P型GaN，為active layer（有源區(qū)）提供輻射復(fù)合電子。紅黃光和藍(lán)綠光外延生長完后均須退火，以活化P層，紅黃光是在反應(yīng)室內(nèi)退火，而藍(lán)綠光是在退火爐內(nèi)退火（也有公司在反應(yīng)室內(nèi)退火）。外延生長以提高內(nèi)量子效率為主，芯片及封裝工藝提高的是外量子效率。n in=產(chǎn)生光子數(shù)/注入電子空穴對n in:內(nèi)量子效率n e

14、x=取出光子數(shù)/注入電子空穴對n ex :外量子效率3. 測試外延工藝測試主要有：顯微鏡觀察，PL （光致發(fā)光），X- ray ，E-CV （電化學(xué)）和 EL （電致發(fā)光）。測試項目顯微鏡PLX rayE CVEL測試項目觀察其表面形 貌，一旦出現(xiàn) 異常（如：有 黑點），將隔離 處理測量外延片的 光致發(fā)光波長，相對強(qiáng)度，F(xiàn)WHM （半高寬），整爐波長 均勻性測量外延片晶 格質(zhì)量（用FWHM :半高寬 表示），材料組 分，量子阱周期其厚度測量外延片的摻雜濃度測量外延片20mA下的光強(qiáng)和波長測試頻率每爐都做視機(jī)臺而定視機(jī)臺而定GaAs專用每爐都做4. 發(fā)展方向GaAs:提高外量子效率，女口 ：加厚

15、P-GaP,采用表面粗化技術(shù)（粗化P型層），采用bonding技術(shù)（bonding 金屬）。GaN:提高內(nèi)量子效率，如：采用ELOG （橫向外延過生長）技術(shù)，減少外延缺陷，提高晶格質(zhì)量，優(yōu)化MQW （多量子阱）的生長質(zhì)量，達(dá)到提高光強(qiáng)目的，改變器件結(jié)構(gòu)，提高光強(qiáng)和光電性能（如：在P層采用AlGaN/GaN superlatic結(jié)構(gòu)）；提高外量子效率，如：采用表面粗化技術(shù)（粗化 P型層或粗化N型層或粗 化襯底表面），采用ITO技術(shù)；增大芯片面積，加大注入電流（即 flip-chip ）。LED基礎(chǔ)知識介紹LED是取自Light Emitting Diode 三個字的縮寫，中文譯為發(fā)光二極管”，顧

16、名思義發(fā)光二極管是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為光能的電子器件具有二極管的特性. LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識，第一個商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光 的半導(dǎo)體材料， 置于一個有引線的架子上， 然后四周用環(huán)氧樹脂密封， 起到保護(hù)內(nèi)部芯線的 作用，所以 LED 的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心部分是由 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體組成的晶片，在 p 型半導(dǎo)體和 n 型半 導(dǎo)體之間有一個過渡層，稱為 p-n 結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的 PN 結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與 多數(shù)載流

17、子復(fù)合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。 PN 結(jié)加反向電壓， 少數(shù)載流子難以注入， 故不發(fā)光。 這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極 管叫發(fā)光二極管，通稱 LED 。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從 LED 陽極流向陰極時，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流 有關(guān)。 LED 光源的特點1. 電壓： LED 使用低壓電源，供電電壓在6-24V 之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。2. 效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%3. 適用性：很小，每個單元 LED 小片是 3-5mm 的正方形， 所以可以制備成各種形狀的器件， 并且適合于易變的環(huán)境4. 穩(wěn)定性： 10 萬小時，光衰為初始的50%5. 響應(yīng)時間：其白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級， LED 燈的響應(yīng)時間為納秒級6. 對環(huán)境污染：無有害金屬汞7. 顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和 帶隙，實現(xiàn)紅黃綠