高性能GaN基白光LED器件研制及關(guān)鍵技術(shù)研究

1、中山大學(xué)博士學(xué)位論文高性能GaN基白光LED器件研制及關(guān)鍵技術(shù)研究姓名：范冰豐申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：光學(xué)工程指導(dǎo)教師：王鋼20100430高性能基白光器件研制及關(guān)鍵技術(shù)研究專業(yè)：光學(xué)工程博士生：范冰豐指導(dǎo)教師：王鋼教授摘要年，日本日亞公司的提出了藍(lán)光的發(fā)明技術(shù)，年，日亞公司利用藍(lán)光激發(fā)熒光粉獲得白光成分。這種白光技術(shù)擁有省電、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，并且潛在巨大的市場前景，吸引了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界極大關(guān)注，它被譽(yù)為第四代照明光源，引發(fā)了一場光源革命。短短十余年間，半導(dǎo)體照明技術(shù)日新月異，逐年提高的流明效率使得擁有更多的應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)從傳統(tǒng)的指示燈逐步走向了背光、照明、顯示等應(yīng)用領(lǐng)域。白光技術(shù)中最核心的是

2、芯片技術(shù)，為了滿足高光通量的需求，人們采用各種手段來提高的內(nèi)量子效率和萃取效率，其中結(jié)構(gòu)和工藝的優(yōu)化是提高內(nèi)量子效率的主要途徑，而采用圖形藍(lán)寶石襯底技術(shù)制備是獲得高萃取效率的一種有效手段。另外，高電流密度下的芯片遇到的熱問題越來越嚴(yán)重，對白光從芯片到封裝層面的熱管理技術(shù)提出了更高的要求。本文采用系統(tǒng)，在圖形藍(lán)寶石襯底上制備高質(zhì)量器件，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝，我們獲得了能夠達(dá)到產(chǎn)業(yè)化水平的器件。同時，我們對白光從芯片到封裝層面的熱管理技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出了一種熱隔離封裝結(jié)構(gòu)。全文獲得了如下創(chuàng)新和有意義的結(jié)果：通過控制生長模式和優(yōu)化生長工藝，在圓錐形藍(lán)寶石圖形襯底（）采用低溫緩沖層技術(shù)制備了厚表

3、面光滑的基板，并解釋了圖形藍(lán)寶石襯底上的生長機(jī)理。測試結(jié)果顯示，基板（）與（）搖擺曲線（）衍射峰的半峰寬值（）分別達(dá)到了”和”；測試結(jié)果表明，材料與襯底界面結(jié)合緊密，無孔洞。中山大學(xué)博士學(xué)位論文在襯底上生長了完整的結(jié)構(gòu)并制作成器件，其發(fā)光效率比平面藍(lán)寶石襯底上制備的提升了，并且器件漏電流小于釁。采用高低溫生長方法制備，通過改善阱壘的過渡和調(diào)節(jié)的阱壘寬度，對結(jié)構(gòu)和生長工藝進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后未切片的器件測試結(jié)果表明其發(fā)光波長在之間，波長半波寬為，中心發(fā)光強(qiáng)度大于，各項(xiàng)光電參數(shù)達(dá)到實(shí)用水平。在前引入低組分的應(yīng)力釋放層結(jié)構(gòu)，研究了插入層生長條件和厚度對器件性能的影響，優(yōu)化生長參數(shù)后的結(jié)構(gòu)使得器件光效提升

4、。利用有限元軟件建立了白光從芯片到系統(tǒng)的熱模型，并結(jié)合紅外測溫技術(shù)，分析了封裝材料、封裝方式以及缺陷對白光熱阻以及溫差分布的影響。然后對芯片采用倒裝焊（）封裝方式的焊點(diǎn)失效進(jìn)行系統(tǒng)分析，并提出焊點(diǎn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。分析了白光中熒光粉與芯片的熱相互作用，提出了一種熱隔離封裝結(jié)構(gòu)。熱隔離封裝方式在注入電流從增加到時，色溫僅變化，光色穩(wěn)定性大大優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且它能夠在更高的飽和電流下驅(qū)動。光色性能的改善得益于熱隔離封裝結(jié)構(gòu)降低了熒光粉的溫度，提高了熒光粉的轉(zhuǎn)化效率。提出了一種基于熱隔離封裝方式的熒光粉覆膜方法，該方法能夠通過具體出光分布優(yōu)化熒光粉膜層形狀，避免了傳統(tǒng)熒光粉點(diǎn)膠工藝中光色不均勻的現(xiàn)象，

5、并且簡單實(shí)用，能夠用于工業(yè)化生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：襯底；熱管理技術(shù)；熱隔離結(jié)構(gòu)：，研，（），曲，中山大學(xué)博士學(xué)位論文：，、析（），（）（），（）”，謝，（塒釁，（）（），、析謝，；，、橢，中山大學(xué)博士學(xué)位論文，：口）；（）；論文原創(chuàng)性聲明內(nèi)容本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中己經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：蕩舯洶日期：勿歸年多月髟日學(xué)位論文使用授權(quán)聲明本人完全了解中山大學(xué)有關(guān)保

6、留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文并向國家主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的電子版和紙質(zhì)版，有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書館、院系資料室被查閱，有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用復(fù)印、縮印或其他方法保存學(xué)位論文。學(xué)位論文作者簽名：為切弋手日期：刎年月宇日導(dǎo)師簽名：日期：形年歹月髟日知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)聲明本人鄭重聲明：我所提交答辯的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的成果，該成果屬于中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，受國家知識產(chǎn)權(quán)法保護(hù)。在學(xué)期間與畢業(yè)后以任何形式公開發(fā)表論文或申請專利，均須由導(dǎo)師作為通訊聯(lián)系人，未經(jīng)導(dǎo)師的書面許可，本人不得以任何方

7、式，以任何其它單位做全部和局部署名公布學(xué)位論文成果。本人完全意識到本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：瑾）張辛日期刎年夕月孑日中山大學(xué)博士學(xué)位論文弟一旱硒睨第一章緒論研究背景和意義年，日本日亞公司的提出了藍(lán)光的發(fā)明技術(shù)，年，日亞公司利用藍(lán)光激發(fā)熒光粉獲得白光成分。這種獲得白光的技術(shù)擁有省電、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，并且潛在巨大的市場前景，吸引了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界極大關(guān)注，它被譽(yù)為第四代照明光源，引發(fā)了一場光源革命。短短十余年間，半導(dǎo)體照明技術(shù)日新月異，逐年提高的流明效率）使得己經(jīng)從傳統(tǒng)的指示燈單一應(yīng)用走向了背光、照明、顯示等應(yīng)用領(lǐng)域。為了迎接新光源的挑戰(zhàn)，美國、歐盟、日本和中國都出臺了相應(yīng)的半導(dǎo)

8、體照明計(jì)劃。美國能源部（）通過了己逐年提高流明效率為目標(biāo)的半導(dǎo)體照明計(jì)劃，推動白光技術(shù)的迅猛發(fā)展；日本提出把半導(dǎo)體照明作為世紀(jì)的光照明；歐盟則通過“彩虹計(jì)劃推廣白光的應(yīng)用；中國也啟動了國家半導(dǎo)體照明工程，持續(xù)推動國內(nèi)的發(fā)展。分析并歸納了年到年間，白光在實(shí)驗(yàn)室和商業(yè)化方面所取得的重要成就【】，如圖各個數(shù)據(jù)點(diǎn)所示，并且他們預(yù)測到年，白光的流明效率將達(dá)到，而傳統(tǒng)的熒光燈只有的發(fā)光效率。目前，白光流明效率最好的結(jié)果是由年月由美國公司創(chuàng)造的。白光流明效率的提高，也使得逐步走向通用照明領(lǐng)域，各國都相應(yīng)的提出了逐步廢除白熾燈而采用的政策，年下半年，、歐司朗和六大制造巨頭紛紛推出了各自的燈泡，已經(jīng)步入通用照明

9、應(yīng)用，步入尋常百姓家。圖自光流明效率目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室水平和產(chǎn)業(yè)化水平【】中山大學(xué)博士學(xué)位論文針對當(dāng)前發(fā)展的現(xiàn)狀，年月，美國能源部（）分析了固態(tài)照明潛在的節(jié)能優(yōu)勢。他們最新的研究結(jié)果表明【】，對于高顯色指數(shù)（）的固態(tài)照明燈具而言，預(yù)測其光效會由目前的提升到年的，在年這個光效值將達(dá)到。而相應(yīng)的價格會由現(xiàn)在的美元干流明下降到年的美元千流明。而對于固態(tài)照明在節(jié)能環(huán)保上的貢獻(xiàn)，預(yù)測，在未來的年間，固態(tài)照明產(chǎn)品可節(jié)約兆瓦時的能源，相當(dāng)于節(jié)約億美元，同時固態(tài)照明燈具可望減少億噸的二氧化碳排放量。固態(tài)照明應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展離不開白光技術(shù)的不斷革新和推進(jìn)，反觀白光的照明藍(lán)圖，所有白光最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和產(chǎn)業(yè)化水平，都是由美

10、、日等國外公司完成的。作為關(guān)系國計(jì)民生的固態(tài)照明產(chǎn)業(yè)，其核心技術(shù)至今仍把持在國外公司的手中。因此，我們對白光的研究是一項(xiàng)緊迫而重要的課題。半導(dǎo)體照明技術(shù)的關(guān)鍵問題固態(tài)半導(dǎo)體照明技術(shù)中，最核心的是的材料生長和芯片制備技術(shù)。其中兩個關(guān)鍵科學(xué)問題是出光和散熱。為了提高的流明效率，一方面通過生長工藝的改進(jìn)和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不斷優(yōu)化的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)，提高芯片的內(nèi)量子效率。同時，又通過反射襯底、襯底剝離、引入光子晶體、表面粗化等技術(shù)手段提高芯片的萃取效率，使得更多的光從芯片里面提取出來。工作時，電子和空穴非輻射復(fù)合將注入的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱量，對于流明效率為的白光而言，的電能注入中約有需要轉(zhuǎn)化為熱量，在尺寸為

11、的芯片中，其熱流密度約為，而在、電能注入的情況下，芯片的熱流密度將高達(dá)：，這個值遠(yuǎn)高于其它電子元件所承受的熱流密度，根據(jù)的封裝技術(shù)規(guī)劃，微電子元件在年能達(dá)到的熱流密度值為。有人認(rèn)為流明效率的持續(xù)提高會使更多的注入能量轉(zhuǎn)化為光能，熱問題也隨之緩解。即使在流明效率為的情況下，情況下芯片的熱流密度仍有，而通用照明所需的高光通量使得單顆芯片注入更高的功率，隨著而來的熱問題又日趨嚴(yán)峻。同時芯片因其尺寸小和熱流密度大，散熱問題尤為突出。的熱量不能有效傳導(dǎo)到外部的話，會導(dǎo)致器件內(nèi)部結(jié)溫升高，直接影響器件的性能。因此，必須對從芯片、封裝及應(yīng)用層面實(shí)施有效的熱管理。本論文相關(guān)工作本論文的安排為：第二章為本論文用

12、到的基本理論和背景知識，包括材料及其合金的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，基的發(fā)光原理和基本生長工藝；然后對實(shí)驗(yàn)采用的外延生長設(shè)備中山大學(xué)博士學(xué)位論文系統(tǒng)以及基本的外延表征手段進(jìn)行了簡單描述；最后對白光的形成原理以及白光光源的效率評價進(jìn)行了敘述。第三章主要利用設(shè)備在圖形藍(lán)寶石（）襯底上制備模板，研究了圖形藍(lán)寶石襯底上的生長機(jī)理，分析了影響襯底上成膜質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并制作了襯底上器件，比較其光電參數(shù)。第四章進(jìn)行完整器件的制備和通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)提高內(nèi)量子效率的措施，采取阱壘過渡的處理、阱寬壘寬的調(diào)整、以及插入層的引入，提升了器件的光電性能。第五章提出了白光從芯片到系統(tǒng)的熱模型，利用有限元和紅外測溫技術(shù)，分析了白光中封

13、裝材料、封裝結(jié)構(gòu)和焊面缺陷對白光熱阻和溫場分布的影響，并對采用倒裝焊封裝方式制備的焊點(diǎn)失效進(jìn)行分析，同時提出了焊點(diǎn)優(yōu)化方案。第六章主要提出了白光提升性能的措施，分析了白光中熒光粉與芯片的熱相互作用，提出了熱隔離的封裝結(jié)構(gòu)，優(yōu)化白光整體器件的性能。第七章為全文總結(jié)。中山大學(xué)博士學(xué)位論文第二章基本理論弟一早墊令埋比本章中，我們將介紹與本論文研究內(nèi)容相關(guān)的背景知識，涉及材料性質(zhì)、發(fā)光理論、生長機(jī)理、材料表征技術(shù)以及白光的形成。材料性質(zhì)及其器件制備藍(lán)光的核心材料是族氮化物，包括、以及三元四元合金，其中與、和金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中被譽(yù)為第三代電子材料，是目前半導(dǎo)體研究的前沿和熱點(diǎn)。

14、寬禁帶半導(dǎo)體材料因其具有直接帶隙寬、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好等性質(zhì)，在光電子、高溫器件、高頻器件應(yīng)用方面有著廣泛的前景。在族氮化物中，可以通過調(diào)節(jié)組分使得半導(dǎo)體的帶隙在到范圍內(nèi)變化，適合做從紫外到可見光波段的光電子器件，如、等器件。三元化合物可以調(diào)節(jié)控制和的比例，使得帶隙從連續(xù)變化到，基本覆蓋了整個可見光波段和部分紅外波段，它是制備藍(lán)綠光發(fā)光層的核心材料；而三元化合物可以通過調(diào)節(jié)的組分，使帶隙從連續(xù)變化到，能夠制備紫外的發(fā)光器件以及探測器等器件，如紫外、太陽盲紫外探測器等器件。及其合晶的基本結(jié)構(gòu)和性質(zhì)主要分為鉛鋅礦（：）和閃鋅礦（：）兩種結(jié)構(gòu)，其中為密排的六方點(diǎn)陣，為面心立方點(diǎn)陣。

15、通常情況下，熱力學(xué)穩(wěn)定相是六方對稱的鉛鋅礦結(jié)構(gòu)，而面心立方的閃鋅礦為亞穩(wěn)相。兩種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于原子層的堆積方式不同，鉛鋅礦結(jié)構(gòu)的是由兩套六方密堆積結(jié)構(gòu)沿軸方向平移套構(gòu)而成，而閃鋅礦結(jié)構(gòu)的則是由兩套面心立方密堆積結(jié)構(gòu)沿對角線方向平移對角線長度套構(gòu)而成。結(jié)構(gòu)沿軸（）面堆垛順序?yàn)椋Y(jié)構(gòu)沿（）面的堆垛順序?yàn)?。結(jié)構(gòu)上的差別使得這兩類晶體在性質(zhì)上有差別，目前，大多數(shù)高質(zhì)量的都是結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)的難以通過外延方式獲得。圖展示了結(jié)構(gòu)的沿，【和晶向的原子結(jié)構(gòu)示意。圖展示了結(jié)構(gòu)的沿【，【】和【】晶向的原子結(jié)構(gòu)示意。在結(jié)構(gòu)中，的晶格常數(shù)為，為。中山丈學(xué)博±學(xué)位論文玲靜璐囤結(jié)構(gòu)的不同晶向的結(jié)構(gòu)示意：（曲；

16、（吣【；（【焱豢黲圖二結(jié)構(gòu)的不同晶向的結(jié)構(gòu)示意：（劬】；（時；（）【】【對于族氰化物合金而言，我的形式來表示其臺金成分，則其帶隙啪可以表示為：一加。，一屯。（寸一舢（十力瓷冀冀翟魯。川一力口，上式中，、分別為和元素的組分，。、肋、則分別對應(yīng)、的帶隙，值為系數(shù)。其晶格常數(shù)可以表示為：（，糾，）（一一，）（，），（一，）一這樣，對于、三元合金以及四元合金，我們根據(jù)各元素的臺金組分來推算其合金的帶隙以及合金的晶格常數(shù)。在材料生長時，我們往往不知道具體的合金組分，一種方法是借助射線光電子能譜分析（）、一次離子質(zhì)譜（）、盧瑟福背散射（）等設(shè)備確定合金中各組分的具體含量；另外，也可以通過射線衍射儀（）、光

17、致發(fā)光（）等方式間接得到組分值。對于材料，它是組成發(fā)光層的主要成分。理論上，的帶隙通過調(diào)節(jié)組分可以實(shí)現(xiàn)到的連續(xù)變化。但是的高飽和蒸汽壓，生長出來的中山大學(xué)博士學(xué)位論文中組分比較低（），通過降低溫度（如），雖然低溫下組分含量高，但是晶體質(zhì)量降低，發(fā)光性能也受到影響，不能滿足實(shí)用化的需求，容易出現(xiàn)相分離（）的現(xiàn)象。所以，獲得高質(zhì)量和高組分的材料一直是個難點(diǎn)。在第四章的生長中，我們將對材料采用生長進(jìn)行詳細(xì)介紹。的生長襯底材料生長中存在的問題是：一方面由于單晶體材料難以獲得，另外就是缺少生長晶格匹配的合適襯底。盡管目前在體材料的制備上取得了一些進(jìn)展，比如采用氨合法合成材料，或者采用生長厚膜的方法來制備

18、襯底。但這些方法制備的材料尺寸小、產(chǎn)量低，遠(yuǎn)滿足不了光電子產(chǎn)業(yè)界對于襯底的需求。體材料的制備仍期待技術(shù)上的突破。鑒于此，目前薄膜材料的主流制備技術(shù)都是在晶格失配的、和襯底上生長。這三種襯底中，藍(lán)寶石襯底因?yàn)榕c襯底的晶格失配（與的晶格失配）本不是一種適合生長的理想襯底，但是材料或器件上很多激動人心的進(jìn)展都是在藍(lán)寶石襯底上完成的，現(xiàn)今藍(lán)寶石襯底上制備膜已是一項(xiàng)主流技術(shù)，被產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣為采用。我們比較一下適合充當(dāng)夕延的襯底優(yōu)劣，然后對各種襯底發(fā)展的現(xiàn)狀做個概括。圖展示的是和三種主流襯底藍(lán)寶石、和的晶格失配度和熱失配度。將襯底和的晶格失配度和熱失配度作為參考，是因?yàn)檫@些襯底上的生長屬于異質(zhì)外延，其

19、晶格失配度影響夕延薄膜中的成膜質(zhì)量，一般而言，晶格失配度越小，成膜質(zhì)量越高。其中，襯底是比較適合延的，晶格失配度和熱失配度都不大，熱導(dǎo)率高，但目前上生長的技術(shù)目前被、等公司技術(shù)壟斷，而且也存在吸光的現(xiàn)象。熱失配度反映的外延薄膜和襯底的熱膨脹系數(shù)差異，溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力會使得外延片翹曲或者龜裂，這個尤以襯底上生長夕延最為突出，襯底上多延最大的問題就是由于材料高溫生長降溫時產(chǎn)生的熱應(yīng)力使得延龜裂。襯底本身由于廉價，能夠制成大尺寸，未來能發(fā)展成硅光集成，并且能與傳統(tǒng)工藝集成這些優(yōu)勢的驅(qū)動，人們努力改進(jìn)基的生長工藝，力圖解決缺陷密度高和龜裂的問題，目前也取得了不錯的進(jìn)展。本文主要在藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)的

20、生長?；骷纠碚撟詈唵蔚慕Y(jié)構(gòu)為結(jié)，結(jié)的界面有一個薄的有源層。施加正向電壓后，型層注入的電子和型層注入的空穴在有源層內(nèi)部發(fā)生復(fù)合，其中輻射復(fù)合部分轉(zhuǎn)化為光，非輻射復(fù)合部分轉(zhuǎn)化為晶格的振動，以熱的形式表現(xiàn)出來。量子阱是一類異質(zhì)結(jié)，由兩種不同的半導(dǎo)體材料相間排列形成、具有明顯量子限制效應(yīng)的電子或空穴的勢阱。量子阱最基本的特征是，由于量子阱寬度的限制，導(dǎo)致載流子波函數(shù)在一維方向上的局域化。為了提高的內(nèi)量子效率，人們引入兩種半導(dǎo)體薄層交替生長形成的多層結(jié)中大學(xué)博士學(xué)位論文構(gòu)，當(dāng)勢壘層較厚，相鄰勢阱之間載流子波函數(shù)之間耦臺很少，多層結(jié)構(gòu)形成許多分離的量子阱，稱為多量子阱。圖展示的是個周期的多量子阱結(jié)構(gòu)

21、，阱由組成，壘由組成。一母工目圖二各種襯底與其上的外延材料品格失配度和熱失配度（報告，深圳）丁”。”。量氣蘭圈結(jié)構(gòu)及能帶示意（柚卸，）藍(lán)寶石襯底上生長過程高光效的器件，是材料質(zhì)量和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的統(tǒng)一體。利用技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長結(jié)構(gòu)，分為若干重要的步驟。為了獲得高質(zhì)量的材料，每一個步驟都需要極為關(guān)注。村底的清理：襯底表面的清潔程度影響外延的質(zhì)量?，F(xiàn)在藍(lán)寶石襯底太多可以開蓋中山大學(xué)博士學(xué)位論文即用，襯底放入反應(yīng)腔之后，需要經(jīng)過高溫的烘烤，除去反應(yīng)腔和襯底的雜質(zhì)。襯底的氮化：在低溫緩沖層生長之前，通入一定量的氮化藍(lán)寶石襯底能夠影響外延層的質(zhì)量。襯底在氮化時，能與藍(lán)寶石襯底發(fā)生反應(yīng)，原子會取代原子，并且

22、使襯底表面形成一層平整的多晶層。氮化時間、氮化溫度以及流量都能影響后續(xù)生長的質(zhì)量，需要根據(jù)實(shí)際工藝選擇合適的氮化參數(shù)。低溫緩沖層：由于和藍(lán)寶石襯底晶格不匹配，利用和在的溫度范圍內(nèi)生長左右的緩沖層，低溫生長的緩沖層結(jié)晶質(zhì)量很差。緩沖層高溫重結(jié)晶階段：緩沖層結(jié)束之后，將襯底加熱到，并穩(wěn)定一段時間，這時緩沖層發(fā)生分解形成島狀晶粒，為后續(xù)高溫生長提供晶核。生長階段：在高溫下（）進(jìn)行的高溫生長，通過等參數(shù)的選擇，控制的生長模式，使重結(jié)晶階段的晶核增大，逐步愈合，然后生產(chǎn)平整的生長面。生長階段：在的生長過程中，通入，摻形成。生長階段：由于三元合金受溫度影響明顯，高溫下的摻入困難。這里生長采用最常用的高低溫

23、生長方法，阱的生長溫度在左右，阱生長結(jié)束之后，即提高溫度（）生長壘層，依次生長幾個這樣的，石口生長階段：結(jié)束之后，生長摻的層。機(jī)臺介紹基材料生長中的外延技術(shù)主要有金屬有機(jī)氣相沉積（）和分子束外延（）、氫化物氣相外延）。生長速率適中，可以比較精確的控制膜厚，適合于等器件的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。技術(shù)生長過程簡單，可以精確的控制膜厚，特別適合于量子阱、超晶格等超薄層結(jié)構(gòu)的材料生長，但它的生長速率慢，不能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。生長速率快，適合于生長厚膜。本論文采用公司生產(chǎn)的（）生長技術(shù)制備基，如圖所示，整個系統(tǒng)由氣體處理系統(tǒng)、反應(yīng)腔、加熱系統(tǒng)、尾氣處理和安全模塊組成。源：實(shí)驗(yàn)所用具有路獨(dú)立的源管道，其中包

24、括路源，主要用于生長材料或其合金材料（、）等；路源，主要用于生長、以及等材料；路獨(dú)立的源，主要用于生長含組分的、以及四元等材料；另外還有路源和路源，用于提供中山大學(xué)博±學(xué)位論文的摻雜。另外還包括和兩路源，充當(dāng)族源，用于提供給外延材料做摻雜。源流量控制和的流量控制如圖所示。以源為例，源儲存在中，源蒸發(fā)的飽和蒸汽壓力只為：（一）。！墼?。ǎ┛冢瑸樵磪?shù)，由源生產(chǎn)廠家提供，為的溫度。則流過的源流量為：志×擊源的摩爾流量（）進(jìn)行控制。，我們可以通過調(diào)整的流量和的溫度，以及改變載氣壓力的方法來對。：。¨圖系統(tǒng)簡介（插圖由繪）圖源流量控制示意圖佐）和流量調(diào)節(jié)示意圖（右插圖摘自

25、操作手冊）中太學(xué)博士學(xué)位論文反應(yīng)腔（）如圖所示。參與反應(yīng)的各路源通過管道進(jìn)入反應(yīng)腔，的耦合式淋浴塔結(jié)構(gòu)使得參與反應(yīng)的各路氣體混合均勻。石墨盤通過底部馬達(dá)帶動而高速旋轉(zhuǎn)，石墨盤上載有個外延片，石墨盤底部有加熱元件，該加熱元件包括三組獨(dú)立的鎢絲，通過調(diào)節(jié)鎢絲的功率來實(shí)現(xiàn)對石墨盤的均勻加熱，其加熱溫度能夠使外延片處于以上的高溫。反應(yīng)腔側(cè)壁有廢氣管道，用于廢氣或反應(yīng)殘余物的排空。反射率實(shí)時監(jiān)涓（）：該配置有反射率實(shí)時監(jiān)測裝置，從反射率信號，可以推測出薄膜的生長速率、薄膜厚度以及薄膜的表面狀況，另外還可以從反射率二維的推斷出整個外延片生長的均勻性等相關(guān)信息。是利用干涉原理來獲得半導(dǎo)體薄膜的生長數(shù)據(jù)的，如

26、圖所示，入射光線經(jīng)空氣與薄膜的界面以及薄膜與襯底的界面發(fā)生多次反射，依干涉理論，反射光線的強(qiáng)度可由式表示：拈蒜器囂篙暑（，一刊缸（州】其中，和分別為空氣薄膜界面以及薄膜與村底界面的菲涅爾反射系數(shù)，可以表示為：（一）？（一）（碼）一，和以分別為薄膜和村底的反射率，反射率信號受膜厚調(diào)制，當(dāng)腳，肛，反射率信號出現(xiàn)一個震蕩周期。（）為入射光的波長，為薄膜的厚度。因此，可以根據(jù)反射率信號峰與峰在時問軸上的位置來判斷生長的膜厚大小，當(dāng)生長的薄膜材料對入射光波不吸收時，反射率信號震蕩不衰減；而當(dāng)薄膜材料對入射光波有吸收時，反射率信號呈衰減的震蕩。另外，當(dāng)薄膜表面狀況變粗糙時，也會導(dǎo)致反射率信號的衰減。匿透明

27、介質(zhì)薄膜的反射率示意（左），反射率強(qiáng)度受生長膜厚的調(diào)制示意（右）中太學(xué)博十學(xué)位論文另外，還配置有二維的，能夠?qū)崟r提取外延片沿某一直徑方向的反射率數(shù)據(jù)，如圖所示，顏色代表了反射率的強(qiáng)度，根據(jù)反射卑某一時間段上各處強(qiáng)度的大小，可以判斷外延片膜厚的均勻性以及薄膜表面牛長狀況的均勻性。豇罔生反射率二維圖譜半導(dǎo)體外廷薄膜材料表征手段對于生出來的外延薄膜材料為丫獲得該外延薄膜的物性艟結(jié)構(gòu)等參數(shù)，諸如結(jié)晶質(zhì)量、外延結(jié)構(gòu)、摻雜濃度、出光波長等等，我們采州各種測試及分析手段對材料進(jìn)行表征。表征于段越先進(jìn)，對該材料的了解便越充分，從而能夠更彳】效的指導(dǎo)外延生長。本論文中用到的表征設(shè)備主要有、等。般用柬對村料的質(zhì)量

28、和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，比如通過（）、（）面的搖擺曲線半波寬（）值大小米反映的結(jié)晶質(zhì)量，通過的測量柬獲得的阱壘寬度及合金紐分；主要用來獲得外延薄膜的電學(xué)特性，諸如、等材料的裁流子濃度、遷移率以及電阻率等；可以打來獲得外延薄膜的光學(xué)性能，例如的發(fā)光波長、半波寬等等，也可以通過激發(fā)光譜獲得材料某方面的信息：、以及則用米評價材料的結(jié)構(gòu)、形貌、位錯等方面的信息，本論文罄干條件，只用到。下面結(jié)合的具體實(shí)例來了解以上幾種表征工具的基本原理及具體應(yīng)崩。中學(xué)博±學(xué)位論文高分辨（）射線亍射技術(shù)用于半導(dǎo)體外延薄膜的分析，這是種無損檢測的方法，能夠得到半導(dǎo)體外延薄膜多方面的信息，如薄膜厚度、晶格參數(shù)、化學(xué)組分、應(yīng)

29、力、晶格質(zhì)量、晶粒尺寸咀及缺陷評價等。其測量原理是布拉格衍射毋曠），如圖所示，滿足布拉格衍射的條件為五噸。，其中五為入射的射線波長，刪為（，）面間的最小距離。對干氮化物六方晶格，其。與晶格常數(shù)、有如下關(guān)系：礦此此冀譬愕，工：，二囟丹臼。：。圖，拉格衍射示意，布拉格條件為甜。我們用到的型號為，其配置有四晶和三軸晶，可以進(jìn)行高分辨的測量，并且陔設(shè)備還配置有模擬軟件，用于對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。下面將結(jié)合具體實(shí)例來了解技術(shù)在材料生長中的作用。晶體質(zhì)量的確定；最常見的一個應(yīng)用就是利用樣品布拉格反射角處的衍射搖擺曲線（）的半峰寬值（）用來評價薄膜材料的晶體質(zhì)量。晶體質(zhì)量對搖擺曲線的影響豐要表現(xiàn)在半峰寬的

30、寬化效應(yīng)。在射線衍射理論的假殳下只有在嚴(yán)格的布拉格角處才有衍射產(chǎn)生，由于晶體的不完整性，缺陷或者晶體取向差異的存在將會引起衍射峰的展寬，一般（）面的搖擺血線半峰寬值在”內(nèi)，圖是我們在平扳藍(lán)寶石襯底上生長的實(shí)驗(yàn)樣品，其（）面的半峰寬值為”。中山大學(xué)博士學(xué)位論文圖樣品（）掃描示例組分的判定：實(shí)驗(yàn)樣品為材料，基本結(jié)構(gòu)包括藍(lán)寶石襯底、厚的以及的層，我們利用來確定合晶中的組分，對（）面的掃描，結(jié)果如圖所示。合金為元素部分取代元素而形成的合金材料，在本樣品中，存在主峰（標(biāo)記為）和主峰旁邊的峰（標(biāo)記為）。假設(shè)的晶格常數(shù)為，的平均晶格常數(shù)可表示為州，根據(jù)主峰和旁峰的角度差與兩者晶格常數(shù)差的對應(yīng)關(guān)系，依布拉格定

31、律，即有：（）（）、根據(jù)定律，設(shè)為中的合金含量，即有：口一，。（一）（）因此的組分為：冬型；墮（），根據(jù)此原理，我們得到該樣品中的組分為。另外，組分的計(jì)算還需考慮薄膜的應(yīng)變狀態(tài)。中大學(xué)博±學(xué)位論文。：。弘一；，“，?！保骸薄＞?。盞”。圖實(shí)驗(yàn)樣品（倆的掃描阱壘寬度的確定，根據(jù)的測量數(shù)據(jù)，同樣可以計(jì)算得到量子阱內(nèi)的阱和壘的厚度，以及阱的組分。實(shí)驗(yàn)樣品為一完整結(jié)構(gòu)的樣品，其量子阱包括對。該樣品（面的掃描數(shù)據(jù)如圖所示，黑色為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)其中編號的峰位為主峰的位置，和編號之間的峰位代表量子阱中阱和壘的平均含量。根據(jù)零級衛(wèi)星峰的位置以及阱壘寬度的比例，可以計(jì)算出含量。我們利用設(shè)備自帶的模擬軟件，對

32、數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到阱壘的厚度分別為和，的組分為。§”坩言舯坩竹“”“薔黹?！睒?biāo)記為峰位囤樣品（）數(shù)據(jù)示意：黑色為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)紅色為擬臺數(shù)據(jù)黑色數(shù)字中大學(xué)博±學(xué)位論女應(yīng)力的釋放利用可以測得樣品的倒易空間（），倒易空間射線衍射強(qiáng)度二維圖指的是射線散射在倒易空間的衍射強(qiáng)度分布圖，即沿球面射線散射強(qiáng)度分布的積分。測定樣品在倒易點(diǎn)附近射線散射強(qiáng)度的二維分布可以研宄樣品的取向差，可以確定晶格失配及應(yīng)力弛豫狀況。圖是樣品（）（）面的圖，在（）面藍(lán)寶石襯底二生長的材料中，（）面的可以反映晶體生長方向（軸）的晶格變化，（）面的則可以反映晶體橫向方面（軸）的品格變化。帆“”麒（）（”聞樣品的示

33、意（）（）面，（×）面七致發(fā)光）光致發(fā)光姍（技術(shù)是用于研宄半導(dǎo)體材抖中電子狀態(tài)、電子躍遷過程和電子晶格相互作用等物理問題的種無損檢測的常用方法。測量的基本原理是：當(dāng)半導(dǎo)體材料受到光的激發(fā)時，電子吸收光子能量，躍遷到高能級，由此產(chǎn)生電子空穴對，形成非平衡載流子。而這些處于激發(fā)態(tài)的電子運(yùn)動一段時間之后，又回復(fù)到低能態(tài)，并發(fā)生電子和空穴對的復(fù)合。非平衡電子可以直接越過禁帶與價帶空穴復(fù)合，也可以在被禁帶中的定域志俘獲后再與空穴復(fù)合。復(fù)合的形式有很多種，可以是輻射復(fù)臺，或者非輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合和發(fā)射多聲子的復(fù)合。復(fù)合過程中，電子空穴對如果以光的形式釋放出來就稱為光致發(fā)光。在實(shí)際測量過程中，材料

34、的發(fā)光光譜會受到很多因素的影響，比如外延層的具體結(jié)構(gòu)、材料的表面狀態(tài)、發(fā)光機(jī)理以及激發(fā)強(qiáng)度等等很多因素的影響。為了獲得所需材料的發(fā)光光譜，必須對測量樣品、測試方法進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定和校準(zhǔn)。下面結(jié)臺實(shí)例分析在材料生長中的具體應(yīng)用。室溫下的譜：中丈學(xué)博±學(xué)位論文圖所示為藍(lán)寶石村底上的樣品室溫下典型的譜。厚度為咖，激發(fā)波長為；譜中的本征峰為，發(fā)光波長對應(yīng)聲子的發(fā)光峰（聲子伴線）；同時黃帶部分為雜質(zhì)或缺陷的發(fā)光峰。譜中顯示黃光峰上呈現(xiàn)厚度干涉條紋。圖藍(lán)寶石襯底上生長的樣品譜材料的臀譜用來測量的發(fā)光波長、半波寬等光學(xué)參數(shù)，也可以由此推斷出的帶隙、組分、應(yīng)力菩方面的信息。例如，采用低溫技術(shù)可以獲得的內(nèi)量子效率。圈所示樣品結(jié)構(gòu)為樣品結(jié)構(gòu)。其由對組成，其發(fā)射峰值波長在，對發(fā)光譜線進(jìn)行商斯擬臺，其發(fā)光主波長為，半波寬為。光波長與的帶隙品有如下關(guān)系：砸，毒毒籬根據(jù)丑計(jì)算得到，同時對于材料而言（一）（一）（）為系數(shù)，帶入和丘刪，即可計(jì)算得到組分值。中丈學(xué)博士學(xué)位論文毒等蕃蕁一豳樣品的數(shù)據(jù)不同生長條件下的譜圖是不同生長條件下制備的樣品，黃帶為