外延簡(jiǎn)介課件

外延簡(jiǎn)介一、LEDLED（LightEmittingDiode），全稱(chēng)：發(fā)光二極管，是一種能將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體電子元件。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(lái)衡量。電阻率越大，說(shuō)明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。下表給出以電阻率來(lái)區(qū)分導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體的大致范圍。物體電阻率導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體Ω·CM<10e-410e-3~10e9>10e9能級(jí)、能帶————禁帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶能級(jí)：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(chēng)為一個(gè)能級(jí)。能態(tài)密度能帶：大量孤立原子結(jié)合成晶體后，周期場(chǎng)中電子能量狀態(tài)出現(xiàn)新特點(diǎn)：孤立原子原來(lái)一個(gè)能級(jí)將分裂成大量密集的能級(jí)，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(duì)未填滿電子的能帶，能帶中電子在外場(chǎng)作用下，將參與導(dǎo)電，形成宏觀電流，這樣的能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶。價(jià)帶：由價(jià)電子能級(jí)分裂形成的能帶，稱(chēng)為價(jià)帶。（價(jià)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(wú)法存在的能帶，稱(chēng)為禁帶。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)體對(duì)GaN晶體而言，當(dāng)生長(zhǎng)時(shí)，加入SiH4，Si原子會(huì)取代Ga原子的位置，由于Ga是三價(jià)的，Si是四價(jià)的，因此多出一個(gè)電子，屬于n型摻雜。反之，加入Cp2Mg(二茂鎂),

Mg原子會(huì)取代Ga原子的位置，由于Mg是二價(jià)，因此少了一個(gè)電子（多一個(gè)電洞），屬于p型摻雜。那LED如何發(fā)光？發(fā)光原理是什么？PN結(jié)電子空穴對(duì)復(fù)合發(fā)光；形成PN結(jié)——電子、空穴注入——復(fù)合發(fā)光目前PN結(jié)是怎么實(shí)現(xiàn)的？LED核心為Chip！Chip又是怎樣出來(lái)的？激光是怎么發(fā)光的？二、外延片外延是半導(dǎo)體工藝當(dāng)中的一種，在襯底上生長(zhǎng)一層對(duì)應(yīng)材料（例如單晶硅、GaN等），這層材料稱(chēng)為外延層；襯底N-GaNP-GaN目前襯底有許多材料：襯底材料Al2O3

SiCSiZnOGaN晶格失配度差中差良優(yōu)界面特性良良良良優(yōu)化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)優(yōu)良差優(yōu)導(dǎo)熱性能差優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)熱失配度差中差差優(yōu)導(dǎo)電性差優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)光學(xué)性能優(yōu)優(yōu)差優(yōu)優(yōu)機(jī)械性能差差優(yōu)良中價(jià)格中高低高高尺寸中中大中小采用臥室的反應(yīng)器由石英反應(yīng)腔，石墨基座，高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)等反應(yīng)設(shè)備由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長(zhǎng)過(guò)程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si襯底上很難得到無(wú)龜裂及器件級(jí)質(zhì)量的GaN材料。另外，由于硅襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)重，LED出光效率低。缺點(diǎn)：2.機(jī)械性能差不易切割解決方案：激光劃片。缺點(diǎn)：3.導(dǎo)電性能差解決方案：P、N電極同側(cè)。

首先對(duì)襯底進(jìn)行高溫處理，以清潔其表面。因Al2O3與GaN失配非常大（達(dá)到13.6%），因此必須在低溫下生長(zhǎng)一層buffer(緩沖層)約20~30nm，若此層生長(zhǎng)有問(wèn)題，將極大影響上層晶格質(zhì)量。生長(zhǎng)一層約4μm厚的N型GaN,此層主要為activelayer（有源層），提供輻射復(fù)合電子。藍(lán)綠光LED外延襯底Buffer大約30nmu-GaNn-GaN約4000nm襯底Buffer大約30nmu-GaNn-GaN約4000nm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(zhǎng)。------Roughing首先在停止通入TMG的情況下升至高溫（1000℃以上），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(shí)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TMG，使晶核以較高的結(jié)晶質(zhì)量按島裝生長(zhǎng)。此時(shí)反射率將降至0附近。以上為3D生長(zhǎng)過(guò)程。襯底Buffer大約30nmu-GaNn-GaN約4000nm即u2層，此時(shí)使外延從3D生長(zhǎng)向2D生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變。------Recovery略微提高溫度，降低氣壓（200T），使晶島相接處的地方開(kāi)始連接，生長(zhǎng)，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(kāi)始上升。此時(shí)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(kāi)始呈現(xiàn)正弦曲線震蕩。在u-GaN之上生長(zhǎng)n-GaN做為電子注入層。保持2D生長(zhǎng)GaN的條件，通入SiH4，Si原子會(huì)取代Ga原子的位置，由于Ga是三價(jià)的，Si是四價(jià)的，因此多出一個(gè)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(shí)的生長(zhǎng)速率。襯底Buffer大約30nmu-GaNn-GaN約4000nm生長(zhǎng)一套activelayer(MQW),其成分是InXGa1-XN/GaN，是主要的發(fā)光層，光強(qiáng)和波長(zhǎng)主要由此層決定。它通過(guò)調(diào)節(jié)MQW（多量子阱）中的In(銦)的組分，達(dá)到調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的作用，通過(guò)優(yōu)化此層的參數(shù)（如：阱的個(gè)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(duì)ESD有很大的影響。襯底Buffer大約30nmn-GaN約4000nmu-GaN

MQW（barrier+well)GaN/InGaN約為300nmAl原子相對(duì)較小，當(dāng)其取代Ga原子時(shí)，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(gè)載流子阻擋層，將在載流子注入時(shí)在二維方向上起到載流子擴(kuò)散的作用。因而，適當(dāng)生長(zhǎng)Al-GaN可以有效提高芯片的亮度。但是過(guò)分摻Al會(huì)使載流子注入變難，導(dǎo)致電性發(fā)生異常。此外，在pGaN插入AlGaN層可以起到釋放應(yīng)力，抑制位錯(cuò)，提高外延結(jié)晶質(zhì)量的作用。襯底Buffer大約30nmu-GaN

MQW（barrier+well)GaN/InGaN約為300nmn-GaN約4000nmAlGaN約為200nmP-GaN約為300nm三、外延工藝CVD：化學(xué)氣相淀積（ChemicalVaporDeposition），是反應(yīng)物以氣態(tài)到達(dá)加熱的襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成固態(tài)薄膜和氣態(tài)產(chǎn)物?；瘜W(xué)氣相淀積種類(lèi)很多，主要有：1.常壓CVD（APCVD）2.低壓CVD（LPCVD）3.超低壓CVD（VLPCVD）4.等離子體增強(qiáng)型CVD（PECVD）5.激光增強(qiáng)型CVD（LECVD）6.金屬氧化物CVD（MOCVD）7.其他還有電子自旋共振CVD（ECRCVD）等方法目前大部分LED外延采用MOCVD（乾照、三安等）公司名稱(chēng)品牌規(guī)格1ThomasSwamCRIUS30×2inCCS3×2in2AIXTRONAIX12×4in49×2in7×6in3VeecoGanzillaTurvoDiscMOCVD設(shè)備目前我們采用的是美國(guó)維易科（Veeco）儀器公司的MOCVD機(jī)臺(tái)，其中包括新的機(jī)型MaxBrightMThomasSwam的MOCVD機(jī)臺(tái)江蘇光電信息材料實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)維易科MOCVD機(jī)臺(tái)――改進(jìn)兩步法生長(zhǎng)工藝

目前商業(yè)化生產(chǎn)采用的是兩步生長(zhǎng)工藝，但一次可裝入襯底數(shù)有限，6片機(jī)比較成熟，20片左右的機(jī)臺(tái)還在成熟中，片數(shù)較多后導(dǎo)致外延片均勻性不夠。發(fā)展趨勢(shì)是兩個(gè)方向：一是開(kāi)發(fā)可一次在反應(yīng)室中裝入更多個(gè)襯底外延生長(zhǎng)，更加適合于規(guī)?；a(chǎn)的技術(shù)，以降低成本；另外一個(gè)方向是高度自動(dòng)化的可重復(fù)性的單片設(shè)備。――氫化物汽相外延(HVPE)技術(shù)

人們最早就是采用了這種生長(zhǎng)技術(shù)制備出了GaN單晶薄膜，采用這種技術(shù)可以快速生長(zhǎng)出低位錯(cuò)密度的厚膜，可以用做采用其它方法進(jìn)行同質(zhì)外延生長(zhǎng)的襯底。并且和襯底分離的GaN薄膜有可能成為體單晶GaN晶片的替代品。HVPE的缺點(diǎn)是很難精確控制膜厚，反應(yīng)氣體對(duì)設(shè)備具有腐蝕性，影響GaN材料純度的進(jìn)一步提高。外延技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)――選擇性外延生長(zhǎng)或側(cè)向外延生長(zhǎng)技術(shù)

采用這種技術(shù)可以進(jìn)一步減少位錯(cuò)密度，改善GaN外延層的晶體質(zhì)量。――懸空外延技術(shù)(Pendeo-epitaxy)采用這種方法可以大大減少由于襯底和外延片層之間晶格失配和熱失配引發(fā)的外延片層中大量的晶格缺陷，從而進(jìn)一步提高GaN外延片層的晶體品質(zhì)。――多量子阱型芯片技術(shù)

多量子阱型是在芯片發(fā)光層的生長(zhǎng)過(guò)程中，摻雜不同的雜質(zhì)以制造結(jié)構(gòu)不同的量子阱，通過(guò)不同量子阱發(fā)出的多種光子復(fù)合直接發(fā)出白光。該方法提高發(fā)光效率，可降低成本，降低包裝及電路的控制難度；但技術(shù)難度相對(duì)較大;ThankYou!

求能態(tài)密度的一般