LED基礎(chǔ)知識及外延工藝

1、3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldLEDLED基礎(chǔ)知識及外延工藝基礎(chǔ)知識及外延工藝3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldLED的發(fā)光原理的發(fā)光原理LED的特點(diǎn)的特點(diǎn)白光白光LED的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)外延基礎(chǔ)知識外延基礎(chǔ)知識綱綱 要要 LED是“l(fā)ight emitting diode”的

2、英文縮寫。 中文名:發(fā)光二極管。 LED是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的固體半導(dǎo)體器件。 LED實(shí)質(zhì)性核心結(jié)構(gòu)是由元素譜中的-族化合物材料構(gòu)成的p-n結(jié)。3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the World半導(dǎo)體簡介半導(dǎo)體簡介半導(dǎo)體半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，室溫電阻率介于金屬與絕緣體之間 金屬 1012 (cm)半導(dǎo)體有兩種載流子半導(dǎo)體有兩種載流子 電子(electron, negative)和空穴(hole, positive)P-N結(jié)：通

3、過結(jié)：通過p型和型和n型半導(dǎo)體材料緊密接觸而形成的結(jié)。型半導(dǎo)體材料緊密接觸而形成的結(jié)。半導(dǎo)體種類半導(dǎo)體種類:單質(zhì)半導(dǎo)體：Si、Ge化合物半導(dǎo)體：GaN、GaAs、GaP、ZnO、SiC3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldN-tapeP-tape半導(dǎo)體簡介半導(dǎo)體簡介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light

4、 the World價帶頂價帶頂導(dǎo)帶底導(dǎo)帶底GaN：3.4evAlN: 6.2evInN: 1.8ev不同半導(dǎo)體材料的帶隙寬度不同半導(dǎo)體材料的帶隙寬度半導(dǎo)體簡介半導(dǎo)體簡介目前發(fā)光二極管用的都是直接帶隙材料GaAsSi 光是一種能量的形態(tài)，是一種電磁波。 在同一介質(zhì)中，能量從能源出發(fā)沿直線向四面八方傳播,這種能量傳遞的方式通常叫做輻射。 通?？梢杂貌ㄩL來表達(dá)人眼所能感受到的可見光的輻射能量。人眼所能見的可見光的光波只占寬闊的電磁人眼所能見的可見光的光波只占寬闊的電磁波譜家族中的很小空間。波譜家族中的很小空間。各種顏色光的波長 光的峰值波長與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度g有關(guān)，即 1240/Eg（

5、mm） 電子由導(dǎo)帶向價帶躍遷時以光的形式釋放能量，大小為禁帶寬度Eg。 Eg越大，所發(fā)出的光子波長就越短，顏色就會藍(lán)移。反之， Eg越小，所發(fā)出的光子波長就越長，顏色就會紅移。 若要產(chǎn)生可見光（波長在380nm紫光780nm紅光），半導(dǎo)體材料的Eg應(yīng)該在1.593.8eV之間。用不同顏色及數(shù)目LED加熒光粉所做成的白光LED的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldLED ( (Light Emitting Diode) )是一種

6、能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。 發(fā)光原理：發(fā)光原理：在外加電場的作用下,n型半導(dǎo)體載流子電子、p型半導(dǎo)體載流子空穴，這兩種載流子進(jìn)入量子阱中并相互結(jié)合，發(fā)出不同波長的光。LED基本構(gòu)造基本構(gòu)造LED簡介簡介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the World六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaNGaNGaN是寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度約為是寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度約為3.4ev.3.4ev.GaN 簡介簡介

7、3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the World1928年Royer提出了外延（Epitaxy）一詞，意思是“在之上 排列”。它是指在具有一定結(jié)晶取向的原有晶體（襯底）上延伸出 按一定晶體學(xué)方向生長薄膜的方法，這個薄膜被稱為外延層。外延外延簡介簡介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the World2. 外

8、延技術(shù)外延技術(shù)液相外延（LPE）：生長速率快，產(chǎn)量大，但晶體生長難以精確控制。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD）：精確控制晶體 生長、重復(fù)性好、產(chǎn)量大，適合工業(yè)化大生產(chǎn)。氫化物氣相外延（HVPE）：近幾年在MOCVD基 礎(chǔ)上發(fā)展起來的，適應(yīng)于-氮化物半導(dǎo)體薄膜 外延生長的一種新技術(shù)。生長速率快，但晶格質(zhì)量 較差。分子束外延（MBE）：超高真空系統(tǒng)，可精確控 制晶體生長，晶體界面陡峭 ，晶格質(zhì)量非常好， 但生長速率慢，成本高，常用于研究機(jī)構(gòu)。1. 應(yīng)用應(yīng)用1959年末，外延生長技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域

9、，它的應(yīng)用與發(fā)展對 于提高半導(dǎo)體材料的質(zhì)量和器件性能，對于新材料、新器件的開 發(fā)，對于半導(dǎo)體科學(xué)的發(fā)展都具有重要意義。外延外延簡介簡介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the Worldl 同質(zhì)外延同質(zhì)外延：組成：組成PNPN結(jié)的結(jié)的P P型區(qū)和型區(qū)和N N型區(qū)是同種材料。（如：型區(qū)是同種材料。（如：nGaN:SinGaN:Si上生長上生長pGaN:MgpGaN:Mg）l 異質(zhì)外延異質(zhì)外延：兩種晶體結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)相近，兩種晶體結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)相近

10、，但帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料生但帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料生長在一起形成的結(jié)，稱為異質(zhì)結(jié)。（如：長在一起形成的結(jié)，稱為異質(zhì)結(jié)。（如：GaNGaN上生長上生長AlGaNAlGaN）l 量子阱量子阱(Quantum Well)(Quantum Well)：通常把勢壘較厚，以致于相鄰電子：通常把勢壘較厚，以致于相鄰電子 波函數(shù)不發(fā)生交迭波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期性結(jié)構(gòu)，稱為量子阱。（如：的周期性結(jié)構(gòu)，稱為量子阱。（如：InGaN/GaN/InGaN.InGaN/GaN/InGaN.）異質(zhì)外延異質(zhì)外延藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底GaNGaNMQW外延外延簡介簡介3E Semiconductor3E Semicond

11、uctorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldVeeco K465i Veeco C4 Aixtron Crius ii MOCVDMOCVD簡介簡介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldMOCVD 的工作原理大致為：當(dāng)有機(jī)源處于某一恒定溫度時，其飽和蒸汽壓是一定的；通過流量計(jì)（MFC）控制載氣的流量，就可知載氣流經(jīng)有機(jī)源時攜帶的有機(jī)源的量；多

12、路載氣攜帶不同的源輸運(yùn)到反應(yīng)室入口混合，然后輸送到襯底處，在高溫作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在襯底上外延生長；反應(yīng)副產(chǎn)物經(jīng)尾氣管路排出。 MOCVD反應(yīng)的基本原理反應(yīng)的基本原理MOCVDMOCVD簡介簡介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldGa(CH3)3 + NH3 = GaN +3CH4 表面反應(yīng)原理表面反應(yīng)原理MOCVDMOCVD簡介簡介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, L

13、ight the WorldCreate the Light, Light the World 常用MO源：TMGa （三甲基鎵，液態(tài)）TMAl （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：純度很高（99.999999%）的H2和N2 特氣：高純度（99.9999%）NH3（氨氣，液態(tài)） SiH4（硅烷，氣態(tài)） 襯底：Sapphire（藍(lán)寶石襯底）, PSS （圖形化的襯底）工藝材料工藝材料MOCVDMOCVD簡介簡介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the L

14、ight, Light the WorldCreate the Light, Light the Worldn-CladActiveGaN BufferN+-GaN:Sip-GaN:MgWell : InGaNBarrier InGaN1.8umSapphirec-plane Al2O3U-GaN/BufferN-GaN:Si420um4 um/250A 0.7um0.15um30A70Ap-GaNMQWun-GaN襯底外延外延基礎(chǔ)基礎(chǔ)3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Ligh

15、t, Light the World（a）襯底上成核（Buffer） （b）形成的島狀顆粒在側(cè)面快速生長（c）島與島之間開始進(jìn)行合并 （d）最后形成平整結(jié)構(gòu) 外延外延基礎(chǔ)基礎(chǔ)在生長的外延晶體中的線缺陷能夠形成載流子的復(fù)合中心，從而降低LED的發(fā)光效率相當(dāng)相當(dāng)一部分的缺陷是由于異質(zhì)外延的晶格失配產(chǎn)生的一部分的缺陷是由于異質(zhì)外延的晶格失配產(chǎn)生的解決方法：在藍(lán)寶石襯底上先生長一層低溫緩沖層解決方法：在藍(lán)寶石襯底上先生長一層低溫緩沖層。3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, L

16、ight the World外延外延基礎(chǔ)基礎(chǔ)密集的、取向比較一致的小島許多單個大島 以大島為核心在水平和垂直兩個方向生長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。3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the World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TMGa，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)

17、量較差。反射率曲線上升。目前通用的是低溫GaN緩沖層技術(shù)。大約在500-600度。典型典型LED外延結(jié)構(gòu)外延結(jié)構(gòu)1. Buffer3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldU1層(Rough)，形成結(jié)晶質(zhì)量較高的晶核，并以之為中心形成島狀生長。首先在停止通入TMGa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TMGa，使晶核以較高

18、的結(jié)晶質(zhì)量按島狀生長。此時反射率將降至0附近。以上為3D生長過程。2. uGaN典型典型LED外延結(jié)構(gòu)外延結(jié)構(gòu)3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldU2層(Recover)，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。五、典型五、典型LED外延結(jié)

19、構(gòu)外延結(jié)構(gòu)2. uGaN3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the World 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。 反射率曲線將保持正弦曲線震蕩。由震蕩的頻率可以計(jì)算出此時的生長速率。典型典型LED外延結(jié)構(gòu)外延結(jié)構(gòu)3. nGaN3E Semiconductor3E SemiconductorCreate th

20、e Light, Light the WorldCreate the Light, Light the World超晶格結(jié)構(gòu)發(fā)光層，主要由阱與壘反復(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。阱層很薄，和壘層相間分布，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TEGa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。壘層使用相對較高的溫度以提高結(jié)晶質(zhì)量。典型典型LED外延結(jié)構(gòu)外延結(jié)構(gòu)4. MQW3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the

21、 Light, Light the WorldCreate the Light, Light the World p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。典型典型LED外延結(jié)構(gòu)外延結(jié)構(gòu)6. pGaNBakeBufferTBTWDWDBEBEWLBP-SLSP-GaNP-InGaNLT-nGaNHP-nGaNLP-nGaN3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light,

22、Light the WorldPSS襯底襯底PSS: Patterned Sapphire Substrate (圖形化襯底)使用PSS襯底以提高出光效率外延外延基礎(chǔ)基礎(chǔ)3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldMicroscopePLELXRDBowing觀察表面是否有異常外延片表面等級判定光致發(fā)光波長強(qiáng)度均勻性電致發(fā)光波長亮度電壓晶體質(zhì)量材料組分周期厚度外延片翹曲度外延片測量外延片測量LEI表面電阻外延外延測量測量3E Semicondu

23、ctor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldPLPL測量測量光致發(fā)光是半導(dǎo)體的一種發(fā)光現(xiàn)象，利用光照射到材料表面，其電子吸收光子而躍遷到高能級，處于高能級的電子不穩(wěn)定，會回落到低能級，同時伴隨著能級差的能量以光輻射的形式發(fā)射出來。這個過程就是光致發(fā)光，即PL。Photoluminescence （PL）：光致發(fā)光3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Lig

24、ht, Light the WorldPLPL測量測量Peak wavelength: 峰值波長 （446452）Dominant wave: 主波長FWHM：半峰寬Thickness: 外延片的總厚度3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the WorldELEL測量測量Electroluminescent （EL）通過加在兩電極的電壓產(chǎn)生電場，被電場激發(fā)的電子碰擊發(fā)光中心，而引致電子能級的躍進(jìn)、變化、復(fù)合導(dǎo)致發(fā)光的一種物理現(xiàn)象。Pout： 在一定的激發(fā)電流下得到的發(fā)光亮度。通過積分球收集激發(fā)出的光子得到。VF1：0.1uA驅(qū)動電流下的正向電壓VF4: : 20mA驅(qū)動電流下的正向電壓3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light, Light the WorldCreate the Light, Light the World什么樣的什么樣的wafer是好的產(chǎn)品？是好的產(chǎn)品？通過光致發(fā)光譜查看生長的wafer的波長分布 X射線衍射得到晶體質(zhì)量的數(shù)據(jù) 通過面電阻測試得到n型半導(dǎo)體的