LED外延基礎(chǔ)知識

1、LED外延基礎(chǔ)知識目錄 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 外延結(jié)構(gòu)與生長原理 常見異常分析半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 半導(dǎo)體的定義 晶體 能帶的形成 N型、P型半導(dǎo)體 PN結(jié)發(fā)光原理半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 物體物體電阻率電阻率導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體 CM 10e9什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體？ 物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來衡量。電阻率越大，物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來衡量。電阻率越大，說明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。表給出以電阻率來區(qū)分導(dǎo)體，絕緣說明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。表給出以電阻率來區(qū)分導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體的大致范圍。體和半導(dǎo)體的大致范圍。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識-晶體 單晶 晶體 多晶固體： 非晶體固體可

2、分為晶體和非晶體兩大類。原子無規(guī)則固體可分為晶體和非晶體兩大類。原子無規(guī)則排列所組成的物質(zhì)為非晶體。而晶體則是由原排列所組成的物質(zhì)為非晶體。而晶體則是由原子規(guī)則排列所組成的物質(zhì)。子規(guī)則排列所組成的物質(zhì)。在整個晶體內(nèi)，原子都是周期性的規(guī)則排列，在整個晶體內(nèi)，原子都是周期性的規(guī)則排列，稱之為單晶。由許多取向不同的單晶顆粒雜亂稱之為單晶。由許多取向不同的單晶顆粒雜亂地排列在一起的固體稱為多晶。地排列在一起的固體稱為多晶。閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識-能帶能級、能帶禁帶、導(dǎo)帶、價帶能級：電子是不連續(xù)的，其值主要由主量子數(shù)N決定，每一確定能量值稱為一個能級。能帶：大量孤立原子結(jié)合成晶體后，周期場中電子能量狀

3、態(tài)出現(xiàn)新特點：孤立原子原來一個能級將分裂成大量密集的能級，構(gòu)成一相應(yīng)的能帶。（晶體中電子能量狀態(tài)可用能帶描述） 導(dǎo)帶：對未填滿電子的能帶，能帶中電子在外場作用下，將參與導(dǎo)電，形成宏觀電流，這樣的能帶稱為導(dǎo)帶。價帶：由價電子能級分裂形成的能帶，稱為價帶。（價帶可能是滿帶，也可能是電子未填滿的能帶）禁帶：在導(dǎo)帶與夾帶之間，電子無法存在的能帶，稱為禁帶。 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識-P型、N型載流子：電子、空穴 摻雜： 施主摻雜-N型半導(dǎo)體 受主摻雜-P型半導(dǎo)體n對GaN晶體而言，當(dāng)生長時，加入SiH4，Si原子會取代Ga原子的位置，由于Ga是三價的，Si是四價的，因此多出一個電子，屬于n型摻雜。反之，加入Cp

4、2Mg， Mg原子會取代Ga原子的位置，由于Mg是二價，因此少了一個電子（多一個電洞），屬于p型摻雜。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識-PN結(jié)、發(fā)光形成PN結(jié)電子、空穴注入復(fù)合發(fā)光外延結(jié)構(gòu)與生長原理 外延原材料 氣相外延原理 外延結(jié)構(gòu) 各層生長原理和條件 Buffer-U1-U2-nGaN-MQW-pGaN-AlGaN 外延結(jié)構(gòu)與生長原理-原料襯底-藍(lán)寶石襯底（AL203）MO源-TMGa(三甲基鎵)；TEGa(三乙基鎵)；TMAL(三甲基鋁)；TMIN(三甲基銦)；CP2Mg(二茂鎂)氣體-NH3；N2；H2；SiH4價格晶格常數(shù)nm晶格失配度熱脹系數(shù)10-6K-1應(yīng)用廠商GaN$160 0.319(鎢鋅)5

5、.596H-SiC$2200.3083.5%4.20美國Osram藍(lán)寶石（Al2O3）$200.47613.8%7.50日本、臺灣、大陸Si(111)$20.54317%3.59南昌晶能光電ZnO2%LiAlO21.4%外延結(jié)構(gòu)與生長原理-氣相外延HHHNCH3GaCH3CH3GaCH4 =CH3 + H H + H = H2CH3 radicalGa(CH3)3 + NH3 GaN + 3CH4HHHNGaCH3CH3CH3H2H2H2H2外延結(jié)構(gòu)與生長原理-整體結(jié)構(gòu)襯底襯底Buffer 大約30nmu-GaN MQW（barrier+well) GaN/InGaN約為300nmP-GaN約

6、為300nmAlGaN約為200nmn-GaN約4000nm外延結(jié)構(gòu)與生長原理-Buffer由于襯底（AL203）與GaN材料的晶格失配較大，故在生長GaN之前需要生長一層薄薄的緩沖層，我們將其稱為Buffer層。高壓、低溫條件下通入TMG，在襯底表面快速沉積一層緩沖層。由于晶格失配，此時GaN結(jié)晶質(zhì)量較差。反射率曲線上升。外延結(jié)構(gòu)與生長原理-Roughing即U1層，形成結(jié)晶質(zhì)量較高的晶核，并以之為中心形成島裝生長。首先在停止通入TMG的情況下升至高溫，在高溫高壓條件下，Buffer中結(jié)晶質(zhì)量不好的部分被烤掉，留下結(jié)晶質(zhì)量較高的晶核。此時反射率將下降至襯底本身的反射率水平。保持高溫高壓，通入

7、TMG，使晶核以較高的結(jié)晶質(zhì)量按島裝生長。此時反射率將降至0附近。以上為3D生長過程。外延結(jié)構(gòu)與生長原理- Recovery即U2層，此時使外延從3D生長向2D生長轉(zhuǎn)變。略微提高溫度，降低氣壓，使晶島相接處的地方開始連接，生長，直至外延表面整體趨于平整。隨著外延表面趨于平整，反射率將開始上升。此時由于外延片表面與襯底層的反射光將發(fā)生干涉作用，反射率將開始呈現(xiàn)正弦曲線震蕩。外延結(jié)構(gòu)與生長原理- nGaN在u-GaN之上生長n-GaN做為電子注入層。保持2D生長GaN的條件，通入SiH4，Si原子會取代Ga原子的位置，由于Ga是三價的，Si是四價的，因此多出一個電子，屬于n型摻雜。反射率曲線將保持

8、正弦曲線震蕩。由震蕩的頻率可以計算出此時的生長速率。外延結(jié)構(gòu)與生長原理-MQW超晶格結(jié)構(gòu)發(fā)光層，主要由阱與磊反復(fù)疊加構(gòu)成。當(dāng)In原子取代Ga原子時，GaN的禁帶寬度將變小，構(gòu)成MQW中的阱層。磊層則分為摻入Si原子的n型磊以及不摻雜的u型磊。阱層很薄，和磊層相間分布，將使注入的載流子在外延生長的方向受到限制，從而提高電子空穴對的空間濃度，加大復(fù)合發(fā)光的幾率，提高發(fā)光效率。MQW層使用TEG提供Ga源。阱層的溫度和In源的摻雜濃度決定了發(fā)光波長。磊層使用相對較高的溫度以提高結(jié)晶質(zhì)量。外延結(jié)構(gòu)與生長原理-pGaNp型層為量子阱注入空穴。生長GaN時加入Cp2Mg， Mg原子會取代Ga原子的位置，而

9、Mg是二價，因此會少了一個電子（等于多一個空穴），屬于p型摻雜。P型層分為低溫段LP層與高溫段HP層。LP層溫度一般與阱溫接近，在為pGaN生長打下基礎(chǔ)的同時，還起到了保護(hù)最后一個阱的作用。HP層提高pGaN的結(jié)晶質(zhì)量，保證空穴的正常注入。外延結(jié)構(gòu)與生長原理-AlGaNAl-GaN層厚度較低，一般出現(xiàn)在nGaN層中部或者HP層的開始部分，并相應(yīng)摻入一定量的SiH4或Cp2Mg。Al原子相對較小，當(dāng)其取代Ga原子時，將使外延的晶格常數(shù)變小，從而使禁帶寬度變寬。因此，Al-GaN層是一個載流子阻擋層，將在載流子注入時在二維方向上起到載流子擴(kuò)散的作用。因而，適當(dāng)生長Al-GaN可以有效提高芯片的亮度

10、。但是過分摻Al會使載流子注入變難，導(dǎo)致電性發(fā)生異常。此外，在nGaN插入AlGaN層可以起到釋放應(yīng)力，抑制位錯，提高外延結(jié)晶質(zhì)量的作用。常見異常分析 第一時間異常 外延表面異常 石墨盤異常 QT測試異常 快速數(shù)據(jù)異常 電壓異常 亮度異常 ESD、Ir異常 長期數(shù)據(jù)異常 壽測 mW常見異常分析-外觀正常表面來自襯底：刻蝕、落灰、劃傷等。U、N-GaN溫度不適合：眉毛、魚鱗等。Buffer不夠厚：彩邊。pGaN溫度過低或Mg過量：霧邊。第一時間常見異常分析-石墨盤石墨盤未烤凈發(fā)白。RT溫度曲線上升，生長率下降。外延片中心波長藍(lán)移。第一時間常見異常分析-QT異常 亮度低、電壓高、波長正常： 可能是

11、退火不夠，pGaN中Mg原子未完全活化。送合金爐退火后再測。 若退火后仍然不亮，檢查生長曲線是否正常，SiH4通入是否正常。 亮度低、波長短： 檢查生長曲線是否正常，測試PL、XRD，觀察有無In的摻雜峰，量子阱周期厚度是否正常。 若In摻雜峰較弱甚至沒有，檢查In源剩余量，In源管道、氣動閥、冷阱有無堵塞或工作異常。 若量子阱周期厚度明顯變薄，檢查TEG源剩余量，以及相應(yīng)管道、氣動閥、冷阱。 亮度正常，波長偏離： 檢查量子阱階段生長溫度曲線，In源、TEG源剩余量，石墨盤狀況，以及NH3壓力等，并關(guān)注之后爐次的波長范圍。 第一時間常見異常分析-快速數(shù)據(jù)快速數(shù)據(jù)：將一部產(chǎn)出外延片進(jìn)行采樣測試，

12、以期在最短的時間內(nèi)獲得反應(yīng)同爐次外延的電性、亮度、抗靜電等性質(zhì)的數(shù)據(jù)?？焖倨瑪?shù)據(jù)一般的獲得周期為三天左右，較全面的反映了外延片的品質(zhì)，是外延工藝調(diào)整的最重要的依據(jù)之一。 -電壓Vf：芯片20mA正常電流工作時的電壓。此外還有5mA小電流工作時的電壓Vf2等。 -亮度Iv：芯片正常電流工作時的亮度。此外還有小電流亮度Iv2。 -波長Wld：正常工作時的積分波長。此外還有峰值波長Wlp、小電流波長Wld2。 -半寬Hw：正常工作時的發(fā)光峰半寬值。 -藍(lán)移：大電流與小電流工作狀態(tài)下的波長差。 -漏電Ir：施加8V反向電壓時的電流。 -反向電壓Vz：施加10uA反向電流時的電壓。 -抗靜電ESD：器件

13、抗靜電能力，分為人體模式與機(jī)械模式。常見異常分析-快速電壓 電壓Vf1高： 外延片工作狀態(tài)壓降主要來源：nGaN、MQW、pGaN、pAlGaN等。 若nGaN的Si摻雜過少，將導(dǎo)致電壓高、Vz高、ESD變差，亮度無太大影響。 若MQW出現(xiàn)問題，Vf1與Vf3將一同升高，并可能伴有亮度下降、半寬藍(lán)移等數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象。 若pGaN的Mg摻少導(dǎo)致電壓升高，將同時導(dǎo)致ESD變差、亮度降低等。 若pAlGaN中Al摻雜過量導(dǎo)致電壓升高，將會導(dǎo)致Vz變大、ESD變差。 電壓Vf1低： 電壓偏低一般是由nGaN的Si摻雜過多導(dǎo)致，將伴隨Ir變大，ESD變差等現(xiàn)象?？焖贁?shù)據(jù)常見異常分析-快速Iv 亮度（Iv

14、）低： 快速中亮度Iv分為直接亮度Iv與460nm折算亮度Ivnor，兩者都與波長關(guān)系緊密。若波長偏短，Iv亮度和Ivnor亮度都將降低，前者降低幅度更大。若波長偏長， Iv亮度和Ivnor亮度都會變高，但I(xiàn)vnor亮度變高幅度較小，有可能因為“波長長亮度低”影響良率。 若波長正常，對比小電流下亮度Iv、藍(lán)移、半寬等數(shù)據(jù)有無異常，若有則量子阱結(jié)構(gòu)需要調(diào)整。 若量子阱確定正常，則檢查電壓、漏電、ESD等數(shù)據(jù)有無異常，綜合判斷異常點。 亮度高： 根據(jù)外延波長、板型的不同，有時會出現(xiàn)亮度偏高的情況，可以通過調(diào)整量子阱的個數(shù)、結(jié)構(gòu)，調(diào)整Al摻雜，改變襯底等方法進(jìn)行改善。快速數(shù)據(jù)常見異常分析-藍(lán)移、Hw

15、Hw、藍(lán)移都會對產(chǎn)品的成色造成影響。為了提高產(chǎn)品的一致性，需要將外延的Hw、藍(lán)移值限定在一定的范圍內(nèi)。藍(lán)移與Hw的大小與量子阱中躍遷能級的變化幅度有很大關(guān)系。由于InGaN與GaN的晶格失配，會在量子阱中產(chǎn)生極化效應(yīng)，致使電子躍遷的幅度將發(fā)生變化，將導(dǎo)致Hw增加，藍(lán)移變大。同時，極化效應(yīng)會使載流子復(fù)合產(chǎn)生聲子，導(dǎo)致熱阻變大從而影響壽測。通過減少In摻雜或者將阱寬減薄的方法，可以減小藍(lán)移和Hw，但是有可能對亮度造成影響?？焖贁?shù)據(jù)常見異常分析-ESDESD表現(xiàn)了芯片的抗靜電能力。靜電釋放對器件造成了破壞，表現(xiàn)為漏電Ir變大。 ESD又分為人體模式與機(jī)械模式。一般來說HM模式峰值電流較大，MM總體釋

16、放能量較多。芯片結(jié)構(gòu)被靜電破壞有兩種可能，一是外延本身結(jié)晶質(zhì)量較差，容易被擊穿。此時需要針對Buffer、U、nGaN的生長條件進(jìn)行調(diào)整。二是外延本身結(jié)晶質(zhì)量還好，但靜電測試過程中能量釋放過于集中，導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)被破壞。此時則需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。AlGaN對ESD影響很大。一旦TMAl用完沒有及時更換，將造成外延的ESD長期劇烈變差?？焖贁?shù)據(jù)常見異常分析-快速ESD-Ir首先對比近期數(shù)據(jù)以及同期其他機(jī)臺數(shù)據(jù)，排除芯片部的原因。 漏電（Ir）變大、ESD變差 Ir較大表明外延中漏電通道較多，結(jié)晶質(zhì)量較差，此時ESD差是由于較差的結(jié)晶質(zhì)量經(jīng)受不住大電流轟擊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性破壞造成的。根據(jù)電壓有沒有變化或XRD半寬有無異常，可以判斷是nGaN的Si摻雜過多、還是Buffer或uGaN生長條件不適合導(dǎo)致。 Ir變小、ESD變差 Ir較小表明外延原本結(jié)晶質(zhì)量較好，但是大電流轟擊時由于電能釋放的密度太大，造成期間結(jié)構(gòu)被破壞。結(jié)合電壓有無變化分析，可能的原因有：nGaN，尤其是n2層，過薄或nGaN生長速率太低；pAlGaN過厚或Al摻雜過量；n-GaN或量子阱Si摻雜太少等。 Ir變大、ESD超過100% 大電流轟擊后漏電反而變好，說明Ir的來源不是結(jié)構(gòu)性的漏電通道，有可能是一些不穩(wěn)定的中間能級缺陷或者電容放電造成的。調(diào)整u、n層溫度，增加AlGaN摻雜