GaAs發(fā)光二極管的制造方法

目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 1\o"CurrentDocument"第一章：緒論 3\o"CurrentDocument"1.1：砷化鎵材料的性質(zhì) 4\o"CurrentDocument"1.2：砷化鎵材料的發(fā)展 4\o"CurrentDocument"1.3：LED用砷化鎵材料發(fā)展現(xiàn)狀 4\o"CurrentDocument"第二章：砷化鎵材料的制備和發(fā)展 62.1：砷化鎵材料的制備方法情況 6\o"CurrentDocument"第三章：放光二極管的發(fā)展 8\o"CurrentDocument"3.1：LED的發(fā)展現(xiàn)狀和制造方法 8\o"CurrentDocument"3.2：發(fā)光二極管中半導(dǎo)體材料的選擇 93.3：LED的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn) 10\o"CurrentDocument"第四章：砷化鎵發(fā)光二極管的制造方法 12\o"CurrentDocument"4.1：砷化鎵發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)組成 124.2：制造砷化鎵發(fā)光二極管的方法 13\o"CurrentDocument"結(jié)論 15\o"CurrentDocument"注釋 16\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 17謝辭 18摘要目前已知的二元無機(jī)化合物半導(dǎo)體材料有600多種，其中已經(jīng)得到實(shí)用的只有部分III—V族、II—YI族、IV—YI族及IV—IV族化合物等?！?】砷化嫁(GaAs)晶體是一種電學(xué)性能優(yōu)越的iii—v族化合物半導(dǎo)體材料，以其為襯底制作的半導(dǎo)體器件及其集成電路由于具有信息處理速度快、超高頻、低功耗、低噪聲等突出的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。砷化鎵(GaAs)材料是目前生產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛，因而也是最重要的化合物半導(dǎo)體材料，是僅次于硅的最重要的半導(dǎo)體材料。作為第二代半導(dǎo)體，砷化鎵單晶因其價(jià)格昂貴而素有“半導(dǎo)體貴族”之稱?！?】由于其優(yōu)越的性能和能帶結(jié)構(gòu)，使砷化鎵材料在微波器件和發(fā)光器件等方面具有很大發(fā)展?jié)摿?。目前砷化鎵材料的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)仍掌握在日本、德國以及美國的國際大公司手中，與國外公司相比國內(nèi)企業(yè)在砷化鎵材料生產(chǎn)技術(shù)方面還有較大差距。發(fā)光二極管(LED)是砷化鎵材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之—，在國際半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展方興未艾之際，研究LED用砷化鎵材料生產(chǎn)的相關(guān)技術(shù)無疑具有重要意義。關(guān)鍵詞：砷化嫁；半導(dǎo)體;LEDAbstractBinaryinorganiccompoundsareknowntohave600kindsofsemiconductormaterials,whichhavebeenusefulonlypartofaVgroupIII,IIaWgroup,IVIVafamilyandaIVWfamilycompounds.【1】marriedarsenide(GaAs)crystalisasuperiorelectricalpropertiesofIII-Vcompoundsemiconductormaterialsasthesubstrateforitsproductionofsemiconductordevicesandintegratedcircuitsasinformationprocessingspeed,ultrahighfrequency,lowpower,lownoise,andotherprominentadvantagesarewidelyused.Galliumarsenide(GaAs)materialistheproductionofthelargestandmostwidelyusedand,therefore,themostimportantcompoundsemiconductormaterials,siliconissecondonlytothemostimportantsemiconductormaterials.Asasecond-generationsemiconductor,galliumarsenidesinglecrystalbecauseofitsexpensiveandisknownas"semiconductornobility,"said.【2】becauseofitssuperiorperformanceandenergybandstructure,thegalliumarsenidelight-emittingmaterialsindevicessuchasmicrowavedevicesandhasgreatdevelopmentpotential.GaAsmaterialiscurrentlystillheldadvancedproductiontechnologyinJapan,GermanyandtheUnitedStatesinthehandsoflargeinternationalcompanies,domesticenterprisesandforeigncompaniescomparedtotheproductiontechnologyinGaAsthereisalargegap.Light-emittingdiode(LED)isaGaAsoneoftheimportantapplicationfields,intheinternationalsemiconductorlightingindustryintheascendantontheoccasion,theproductionofGaAsLEDwiththerelevanttechnicalundoubtedlyofgreatsignificance.Keywords:GaAs;semiconductors;LED第一章：緒論說起砷化鎵來，可能有些人覺得生疏、有些人不知道它是半導(dǎo)體材料，如果說它早已經(jīng)進(jìn)入我們的家庭生活，那更是出乎意料的事?，F(xiàn)在我們看電視、聽音響、開空調(diào)都用遙控器。這些遙控器是通過砷化鎵發(fā)出的紅外光把指令傳給主機(jī)的。另外在許多家電上都有小的紅色綠色的指示燈，它們是以砷化鎵等材料為襯底做成的發(fā)光二極管。至于光盤和VCD，DVD都是用砷化鎵作襯底制成的激光二極管進(jìn)行讀出的。最近移動(dòng)通信的大發(fā)展使得砷化鎵得以騰云展翅，已成為供不應(yīng)求的搶手貨。作為目前應(yīng)用最廣泛同時(shí)也是最重要的化合物半導(dǎo)體材料，砷化鎵材料在能帶結(jié)構(gòu)以及晶體結(jié)構(gòu)等方面具有與硅、鍺等元素半導(dǎo)體材料不同的特性，深入了解并掌握這些特性對(duì)于LED用砷化鎵材料的研究工作具有重要意義。砷化鎵材料的性質(zhì)砷化鎵屬于III-V族化合物半導(dǎo)體材料,由金屬鎵與半金屬砷按原子比1：1化合而成的金屬間化合物。它具有暗灰色的金屬光澤，其晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦型。其分子量為144.64，平均原子序數(shù)為32,原子密度為4.42X1022/cm-3。正常情況下，砷化鎵晶體為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)與溫度、化學(xué)計(jì)量偏離有關(guān)。室溫時(shí)，砷化鎵晶體或薄膜材料對(duì)水蒸汽和氧是穩(wěn)定的。大氣中將其加熱到600°C以上時(shí)開始氧化，真空中加熱到800C以上時(shí)開始離解。常壓下，砷化鎵熔點(diǎn)為1511K,此時(shí)離解壓為98kPa(見表1.1)。砷化鎵在常溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸發(fā)生反應(yīng)，易溶于王水?！?】密度g/cm3熔點(diǎn)K熔點(diǎn)時(shí)蒸汽壓MPa熱膨脹系數(shù)X10-6/K熱導(dǎo)率W/(cm.K)硬度(Mohs)5.26(固)5.71(液)1510±30.0986.00.464.5折射率晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)(300K)nm工價(jià)半徑nm帶隙(300K)E/eVg本征載流子濃度(300K)/cm-33.25閃鋅礦0.56530.1181.42，d1.3X106表1-1砷化鎵的物理化學(xué)性質(zhì)砷化鎵材料的發(fā)展半個(gè)世紀(jì)以來，以微電子技術(shù)為核心的信息化技術(shù)革命以迅雷不及掩耳之勢推動(dòng)著世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)向前發(fā)展。微電子技術(shù)以其神秘莫測的力量推動(dòng)著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展，創(chuàng)造了空前的信息文明。鍺(Ge)、硅(Si)及其集成電路引發(fā)了現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)革命，深刻地影響著社會(huì)生活的方方面面。繼Ge、Si之后，砷化鎵(GaAs)以其優(yōu)越的電學(xué)性能受到青睞，以GaAs材料制作的器件和電路具有損耗小、噪聲低、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、功率大、附加效率高等特點(diǎn)而成為研究的熱點(diǎn)，同時(shí)GaAs材料直接帶隙，禁帶寬度大因而器件的抗電磁輻射能力強(qiáng)，工作溫度范圍寬更適合在惡劣的環(huán)境下工作【4】。因?yàn)镚aAs材料和器件工藝均比其他器件更為成熟，所以目前和今后一段時(shí)期內(nèi)在微波／毫米波通信和軍事領(lǐng)域應(yīng)用中，仍以GaAs器件及其電路為首選對(duì)象。GaAs器件的制作和應(yīng)用在近幾十年也有著巨大的發(fā)展。1967年，Turner等人采用擴(kuò)散柵極結(jié)構(gòu)，首先制成了GaAs長效應(yīng)晶體管(FieldEffectTransistor)，但是后來，擴(kuò)散技術(shù)沒有被廣泛采用。1970年,半導(dǎo)體GaAs襯底上薄層外延技術(shù)得到了長足發(fā)展，促成了GaAs半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal—SemiconductorField.EffectTransistor)的研制工作，出現(xiàn)了小信號(hào)、低噪聲GaAs器件。1971年，Turner等人制成柵長為lMm的GaAsMESFET，頻率達(dá)到18GHz，仍為低噪聲品種。1973年在國際固體電路會(huì)議上宣布誕生了微波功率GaAsMESFET。到了1974年，在國際電子器件會(huì)議上，日本富士通公司宣布制出了10GHz、0.7W及8GHz、1.6w的GaAsMESFET，最高振蕩頻率己達(dá)50GHz。富士通公司突破了x波段瓦級(jí)大關(guān)，功率GaAsMESFET成了熱門器件。經(jīng)過20余年的發(fā)展，化合物半導(dǎo)體器件己經(jīng)成為電子工業(yè)中門類齊全的器件產(chǎn)業(yè)、軍事電子的重要領(lǐng)域。它的產(chǎn)品門類包括微波分立器件、微波混合集成電路、微波模擬和數(shù)字單片集成電路，前鋒以GaAs為代表，和其它化合物半導(dǎo)體(如InP)相結(jié)合向著毫米波和光電集成發(fā)展。LED用砷化鎵材料發(fā)展現(xiàn)狀LED(LightEmittingDiodes)是第一種實(shí)用化的化合物半導(dǎo)體器件，目前它也仍然是化合物半導(dǎo)體工業(yè)中數(shù)量最大的產(chǎn)品。LED是一種(電)注入式固體發(fā)光器件，它具有體積小、壽命長、耗電少和可靠性高等特性。砷化鎵材料是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)帶最低點(diǎn)與價(jià)帶最高點(diǎn)在同一K空間，這樣電子和空穴就可以有效地再復(fù)合而發(fā)光。用于制造LED的砷化鎵襯底材料為摻硅的N型低阻材料，一般也可稱之為半導(dǎo)體砷化鎵材料，用其作襯底制作成的發(fā)光二極管。廣泛應(yīng)用于指示燈、文字顯示、大屏幕顯示、交通信號(hào)、景觀照明以及汽車照明等領(lǐng)域【5】。第二章：砷化鎵材料的制備和發(fā)展砷化鎵是III-V族化合物半導(dǎo)體的代表。同其它半導(dǎo)體材料相比，砷化鎵具有如下突出的特點(diǎn)：1．禁帶寬度較寬，電予遷移率較高，因此是做耐輻射的高頻大功率器件的理想材料；2.N型砷化鎵的能帶還具有特殊的“雙能谷”結(jié)構(gòu),因此適宜制作半導(dǎo)體效應(yīng)器件；3．發(fā)光特性良好，光電轉(zhuǎn)換效率很高，因此是制作半導(dǎo)體激光器的合適材料；此外砷化鎵還具有直接帶隙，電子飽和漂移速度高、耐高溫、抗輻照等特點(diǎn)，在超高速、超高頻、低功耗、低噪聲器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢。正因?yàn)樯榛壘哂腥绱嗣黠@的優(yōu)點(diǎn)，所以當(dāng)前很多半導(dǎo)體器件都選用砷化鎵制成。因此研究砷化鎵材料意義重大。砷化鎵材料的制備方法情況國外砷化鎵發(fā)展概況目前，世界砷化鎵的總年產(chǎn)量已超過200噸。與硅相仿，砷化鎵材料也可分為體單晶和外延材料兩類。體單晶可以用作外延的襯底材料，也可以采用離子注入摻雜工藝直接制造集成電路（采用高質(zhì)量、大直徑、半絕緣砷化鎵單晶）。早期的砷化鎵單晶生長方法是液封直拉法（LiquidEncapsulatedCzochalski，簡稱LEC法）和水平布里其曼法（HorizontalBridgman，簡稱HB法）。LEC法的最新工藝是在高壓單晶爐內(nèi)用熱解氮化硼（BN）坩堝和干燥的氧化硼液封劑直接合成和拉制不摻雜、半絕緣砷化鎵單晶。半絕緣砷化鎵單晶主要用于微波器件和微波集成電路的制造。目前LEC法砷化鎵單晶的最大直徑可以達(dá)到8英寸。HB法因制出的單晶質(zhì)量和均勻性更好，在早期受到一定的重視。但是由于石英舟會(huì)引入的硅雜質(zhì)，HB法不適合生長半絕緣砷化鎵單晶，所以一般主要用于摻硅低阻砷化鎵單晶的生長，主要用于外延襯底材料。同時(shí)，由于HB法生長的單晶截面為D形,從生長工藝和材料利用率方面均不適合大直徑單晶生長，所以HB法目前基本只用于直徑3英寸以下砷化鎵單晶的生長【6】【7】。近些年國外開發(fā)了兼具以上2種方法優(yōu)點(diǎn)的VGF法（垂直梯度凝固法）、VB法（垂直布里支曼法）和VCZ法（蒸氣壓控制直拉法），成功制備出4?6英寸大直徑GaAs單晶。中國國內(nèi)砷化鎵研究狀況中國從上世紀(jì)60年代初開始研制砷化鎵，近年來，隨著中科稼英半導(dǎo)體有限公司、北京圣科佳電子有限公司相繼成立，中國的化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)邁上新臺(tái)階,走向更快的發(fā)展道路。中科鎵英公司成功拉制出中國第一根6.4公斤5英寸LEC法大直徑碑化鐐單晶；信息產(chǎn)業(yè)部46所生長出中國第一根6英寸碑化鐐單晶，單晶重12kg，并已連續(xù)生長出6根6英寸碑化鐐單晶；西安理工大在高壓單晶爐上稱重單元技術(shù)研發(fā)方面取得了突破性的進(jìn)展。中國GaAs材料單晶以2?3英寸為主，4英寸處在產(chǎn)業(yè)化前期，研制水平達(dá)6英寸。目前4英寸以上晶片及集成電路GaAs晶片主要依賴進(jìn)口。不申化鐐生產(chǎn)主要原材料為碑和鐐。雖然中國是碑和鐐的資源大國，但僅能生產(chǎn)品位較低的碑、鐐材料（6N以下純度），主要用于生產(chǎn)光電子器件。集成電路用申化鐐材料的申和鐐原料要求達(dá)7N,基本靠進(jìn)口解決。但是，我國申化鐐材料產(chǎn)業(yè)和國外也存在很大差距。在技術(shù)水平方面，國外LEC、VB、VGF等工藝均已可生產(chǎn)6英寸單晶，，國內(nèi)目前只有LEC工藝研制出6英寸單晶,VB工藝生長的單晶最大直徑達(dá)到3英寸,VGF工藝尚處于研發(fā)中；在晶體重量方面，國外達(dá)到50Kg,國內(nèi)目前只有20Kg左右；在材料性能方面，國外可以將整錠單晶的電阻率控制在（1?3）X107Qcm，國內(nèi)目前只是控制在大于1X107Qcm，有時(shí)可能達(dá)到1X108Qcm以上；在表面幾何參數(shù)方面，國外6英寸拋光片的TTV可以達(dá)到2剛，國內(nèi)在6Mm左右，在表面質(zhì)量方面，國外通過多種技術(shù)途徑達(dá)到了“開盒即用”，國內(nèi)還有一定差距。砷化稼單晶材料的發(fā)展趨勢是：增大晶體直徑，目前4英寸的Si-GaAs已用于大生產(chǎn)，預(yù)計(jì)直徑為6英寸的Si-GaAs在21世紀(jì)初也將投入工業(yè)應(yīng)用；提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性；降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)；申化鐐和磷化錮單晶的VGF生長技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。第三章發(fā)光二極管的發(fā)展采用LED光源進(jìn)行照明，首先取代耗電的白熾燈，然后逐步向整個(gè)照明市場進(jìn)軍，將會(huì)節(jié)約大量的電能，多晶型中直接將紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED芯片組成一組,可以實(shí)現(xiàn)白光。這樣生產(chǎn)成的高亮度、白色發(fā)光二極管的出現(xiàn)使LED有望成為新一代的光源。LED發(fā)展的現(xiàn)狀于制造方法砷化鎵材料是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)帶最低點(diǎn)與價(jià)帶最高點(diǎn)在同一K空間，這樣電子和空穴就可以有效地再復(fù)合而發(fā)光。目前制作LED都是采用MOCVD外延工藝，以半導(dǎo)體砷化鎵材料作為襯底，外延生長AIGaAs三元或AIGalnP四元系外延層結(jié)構(gòu)，可用于制造紅、橙、黃光LED。目前國際上LED產(chǎn)業(yè)最集中的地區(qū)是中國臺(tái)灣，其在線的MOCVD設(shè)備總數(shù)200臺(tái)以上，中國大陸的LED產(chǎn)業(yè)近幾年也有了快速發(fā)展，MOCVD設(shè)備達(dá)到40---50臺(tái)。這些外延設(shè)備目前絕大多數(shù)使用的是2英寸晶片，一些廠商開始著手向4英寸晶片過渡【8】。LED用砷化鎵材料供應(yīng)商主要有日本住友、德國Freiberger和美國AXT公司，出于投入和成本方面的考慮，目前這些公司普遍采用VGF（垂直梯度凝固法）法和VB（垂直布里支曼法）法進(jìn)行LED用砷化鎵單晶材料的生長。近10年最新發(fā)展起來的砷化鎵單晶制備方法是垂直布里其曼法（VerticalBridgrnan，簡稱VB法）和垂直梯度冷凝法（VerticalGradientFreeze，簡稱VGF法）。此兩種方法由于采用了熱解氮化硼坩堝和干燥的氧化硼液封劑，避免了雜質(zhì)的引入，因此即可制備半絕緣砷化鎵單晶材料也可以制備低阻砷化鎵單晶材料。VB法和VGF法均可生長2?6英寸的砷化鎵體單晶材料。砷化鎵的外延生長按工藝可分為氣相和液相外延，所得外延層在純度和晶體完整性方面均優(yōu)于體單晶材料。液相外延可用來制造異質(zhì)結(jié)（如GaAs/AlxGaAs），因此它是制造砷化鎵雙異質(zhì)結(jié)激光器和太陽電池等的重要手段。但是在砷化鎵器件（特別是微波器件）的制造方面，汽相外延的應(yīng)用比液相外延要廣泛得多。目前應(yīng)用最廣泛的砷化鎵外延技術(shù)主要是分子束外延（MolecularBeamEpitaxy，簡稱MBE）和金屬有機(jī)化合物汽相沉積外延（MetalorganicChemicalVaporDeposition，簡稱MOCVD）。分子束外延是在超高真空條件下，使一個(gè)或多個(gè)熱分子束與晶體表面相作用而生長出外延層的方法。對(duì)入射分子或原子束流施加嚴(yán)格的控制，可以生長出超晶格結(jié)構(gòu)，例如由交替的GaAs和AlxGat一xAs薄層（厚度僅10埃）所組成的結(jié)構(gòu)。金屬有機(jī)化合物汽相沉積外延是用三甲基鎵或三乙基鎵與砷烷相作用而生長外延層。用這種方法也能適當(dāng)?shù)乜刂仆庋訉拥臐舛?、厚度和結(jié)構(gòu)。與MBE相比，MOCVD外延設(shè)備和工藝均較簡單，但MBE外延層的質(zhì)量較高。在應(yīng)用方面，微波器件以MBE外延為主，而LED和LD等發(fā)光器件則完全采用MOCVD外延工藝【9】。發(fā)光二極管中半導(dǎo)體材料的選擇發(fā)光二極管中，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導(dǎo)體材料；將砷化鎵、磷化錮、磷化鎵、砷化錮、砷化鋁及其合金等稱為第二代半導(dǎo)體材料；而將寬禁帶（Eg>2.3eV）的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛石等稱為第三代半導(dǎo)體材料。上述材料是目前主要應(yīng)用的半導(dǎo)體材料，三代半導(dǎo)體材料代表品種分別為硅、砷化鎵和氮化鎵。材料的物理性質(zhì)是產(chǎn)品應(yīng)用的基礎(chǔ)，表3.1列出了主要半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)及應(yīng)用情況。表中禁帶寬度決定發(fā)射光的波長，禁帶寬度越大發(fā)射光波長越短（藍(lán)光發(fā)射）；禁帶寬度越小發(fā)射光波長越長。其它參數(shù)數(shù)值越高，半導(dǎo)體性能越好。電子遷移速率決定半導(dǎo)體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導(dǎo)體高壓條件下的高頻工作性能。表3.1主要半導(dǎo)體材料的比較材料SiGaAsGaN物理性質(zhì)禁帶寬度（ev）1.11.43.4飽和速率（x10-7cm/s）1.02.12.7熱導(dǎo)（W/c?K）1.30.62.0擊穿電壓（M/cm）0.30.45.0電子遷移速率（cm2/V?s用光學(xué)應(yīng)用無紅外藍(lán)光/紫外高頻性能差好好高溫性能中差好發(fā)展階段成熟發(fā)展中初期相對(duì)制造成本低高高由表3.1知道砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，并可在同一芯片同時(shí)處理光電信號(hào)，被公認(rèn)是新一代的通信用材料。隨著高速信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，砷化鎵成為繼硅之后發(fā)展最快、應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的半導(dǎo)體材料。同時(shí)，其在軍事電子系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，并占據(jù)不可取代的重要地位。發(fā)光二極管發(fā)出的光的波長，及其顏色，是由組成pn結(jié)的半導(dǎo)體物料的禁帶能量所決定。由于硅和鍺是間接禁帶材料，在這些材料中電子與空穴的復(fù)合是非輻射躍遷，此類躍遷沒有釋出光子，所以硅和鍺二極管不能發(fā)光。發(fā)光二極管所用的材料都是直接禁帶型的，這些禁帶能量對(duì)應(yīng)著近紅外線、可見光、或近紫外線波段的光能量。在發(fā)展初期，采用砷化鎵(GaAs)的發(fā)光二極管只能發(fā)出紅外線或紅光。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，人們已經(jīng)制造出可發(fā)出更短波長的、各種顏色的發(fā)光二極管。以下是傳統(tǒng)發(fā)光二極管所使用的無機(jī)半導(dǎo)體物料和所它們發(fā)光的顏色:砷化稼(GaAs)-紅色及紅外線磷砷化稼(GaAsP)-紅色，橘紅色，黃色(AlGaInP)-高亮度的橘紅色，橙色，黃色，綠色鋁磷化稼(AlGaP)-綠色三種不同顏色的LED磷化稼(GaP)-紅色，黃色，綠色氮化鎵(GaN)-綠色，翠綠色，藍(lán)色銦氮化稼(InGaN)-近紫外線，藍(lán)綠色，藍(lán)色碳化硅(SiC)(用作襯底)-藍(lán)色■硅（Si）（用作襯底）-藍(lán)色（開發(fā)中）■藍(lán)寶石（AlO）（用作襯底）-藍(lán)色23■(ZnSe)-藍(lán)色■氮化鋁（AlN）-波長為遠(yuǎn)至近的紫外線3.4LED的優(yōu)點(diǎn)和缺陷LED照明光源與傳統(tǒng)的照明光源相比較,有如下顯著的特點(diǎn):效率高:按一般光效定義的LED的發(fā)光效率并不算高，但由于LED的光譜幾乎全部集中于可見光區(qū)域，效率可達(dá)到80%?90%，而白熾燈的可見光轉(zhuǎn)換效率僅為10%?20%光色純，光線質(zhì)量高:單一顏色LED的光譜狹窄，譜線單一集中在可見光波段。能耗小:單體LED的功率一般在0.5?1W。壽命長:單體LED在10mA電流時(shí)，典型的正向偏壓為2V。通常需串聯(lián)限流電阻或用電流源。它的壽命可超過100000h?？煽?、耐用:沒有傳統(tǒng)燈泡的鎢絲、玻殼等易損部件，維護(hù)費(fèi)用低廉。應(yīng)用靈活:體積小，便于造型，可做成點(diǎn)、線、面等各種形式。安全:單體工作電壓為1.5?5V，工作電流為20?70mA。響應(yīng)快:響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)，白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)。無污染：由于光譜中沒有紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射，LED屬于典型的綠色照明光源。全固態(tài):其廢棄物不像熒光燈含汞?？刂旗`活:通過控制電路很容易調(diào)控亮度，實(shí)現(xiàn)多樣的動(dòng)態(tài)變化效果。造價(jià)高:目前高亮度LED的價(jià)格昂貴，幾只LED的價(jià)格就相當(dāng)于一只白熾燈的價(jià)格，而且與普通光源相比，LED光源涵蓋的范圍小，在相同的空間與相同的照度下，需要上百個(gè)LED組合才能達(dá)到相同的照明品質(zhì)。第四章：砷化鎵發(fā)光二極管的制造方法砷化鎵(GaAs)是個(gè)本征半導(dǎo)體，它的一個(gè)重要性質(zhì)是能將電能轉(zhuǎn)化為光。GaAs的單元化學(xué)式具有8個(gè)價(jià)電子(3個(gè)來自Ga原子，5個(gè)來自As原子)，意味著其價(jià)帶已經(jīng)被填滿。但如果提供足夠的電能，價(jià)帶電子則可激發(fā)至導(dǎo)帶。這個(gè)被激發(fā)的電子回到價(jià)帶時(shí)發(fā)射光子，其波長正比于與帶隙相關(guān)的能量。LED(LightEmittingDiode)，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)，而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的【10】4.1砷化鎵發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)組成發(fā)光二極管實(shí)際上是一個(gè)半導(dǎo)體的P-N結(jié)，其基本的工作原理是一個(gè)電光轉(zhuǎn)換過程，圖3.1是典型LED的基本構(gòu)造圖。當(dāng)一個(gè)正向偏壓施加于P-N結(jié)兩端，由于P-N結(jié)勢壘的降低,P區(qū)的正電荷將向N區(qū)擴(kuò)散,N區(qū)的電子也向P區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)在兩個(gè)區(qū)域形成非平衡電子的積累。對(duì)于一個(gè)真實(shí)的P-N結(jié)型的器件，通常P區(qū)的載流子濃度遠(yuǎn)大于N區(qū)，致使N區(qū)非平衡空穴的積累遠(yuǎn)大于P區(qū)的電子積累。由于電流注入產(chǎn)生的少數(shù)載流子是不穩(wěn)定的，對(duì)于P-N結(jié)系統(tǒng)，注入到價(jià)帶中的非平衡空穴要與導(dǎo)帶中的電子復(fù)合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射。對(duì)于GaAs等半導(dǎo)體材料或它們的組合晶體GaAsP其禁帶寬度對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長正好處于380nm?780nm的可見光區(qū)域，因此，從理論

上說，發(fā)出的光是紅光或者紅外線。從而為LED的發(fā)展與應(yīng)用開辟了廣闊的空間。圖孑.1典空的LET的基本構(gòu)造GaAs材料LED外延層是由上、下限制層和發(fā)光的有源區(qū)構(gòu)成，頂層是用來制作歐姆接觸的重?fù)诫s層。如圖3.2，通常GaAs紅光LED的外延層是生長在晶格匹配并且導(dǎo)電的n型GaAs襯底上，在工藝技術(shù)上采用在GaAs襯底上用AlInGaP材料作p型生產(chǎn)的紅光，因此器件具有上下結(jié)構(gòu)，即器件的正、負(fù)電極分別做在器件的正面和背面【11】由于發(fā)光二極管是把電能轉(zhuǎn)化為光能的電致發(fā)光器件，其核心部分是由P型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的圖孑.1典空的LET的基本構(gòu)造p-typeohmicconuetlayer *currentspreadinglayer 斗一p-type亡onficwlayer■*-activelayern-typeconfinelayer＜一斗一p-type亡onficwlayer■*-activelayern-typeconfinelayer＜一substrurcn-typcohmiccontact1弓吧「從半導(dǎo)體器件工作的原理來看，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(gè)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)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)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。如圖3.3，LED屬于注入型半導(dǎo)體發(fā)光器件，當(dāng)半導(dǎo)體pn結(jié)通以正向電流時(shí)，少數(shù)載流子注入復(fù)合，從而釋放相應(yīng)波長的光子而發(fā)光。發(fā)光的波長主要由材料的禁帶寬度所決定入=h.c/E=1.2395/Egg式中，入為發(fā)光波長，h為普朗克常數(shù)，c為光速，E為材料的禁帶寬度。g砷化鎵物具備1.424eV直接寬帶帶隙，因此，從理論上說，發(fā)出的光是紅光或者紅外線。4.2制造砷化鎵發(fā)光二極管的方法目前制作LED都是采用MOCVD外延工藝，以半導(dǎo)體砷化鎵材料作為襯底,首先在襯底上制作外延片，這個(gè)過程主要是在MOCVD外延爐中完成的；然后將其沉積到襯底表面形成薄膜；接下來是：包括制作電極、減薄、劃片、測試、封裝等等。外延生長成AIGaAs三元或AIGalnP四元系外延層結(jié)構(gòu)，GaAs發(fā)光二極管是利用GaAspn結(jié)制得的，它是利用pn結(jié)加正向偏壓，形成非平衡載流子，使電子和空穴通過勢壘區(qū)事因復(fù)合向擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散【12】。因而在正向偏壓下，pn結(jié)勢壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)注入了少數(shù)載流子，這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合，它是通過帶與帶之間的直接躍遷成的輻射復(fù)合產(chǎn)生光。根據(jù)砷化鎵材料的性質(zhì)可用于制造紅色，紅外線LED。結(jié)論砷化鎵材料是繼硅材料之后的第二代半導(dǎo)體材料的代表，與硅相比，砷化鎵材料的禁帶寬度大，電子遷移率高，具有直接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)。這使得砷化鎵材料可以用來制作發(fā)光器件，并且可以實(shí)現(xiàn)微電子和光電子的結(jié)合，用于制作訓(xùn)LED、SIC、EIC等。用砷化鎵材料制作的LED、LD、APD等廣泛應(yīng)用于光纖通訊領(lǐng)域、尖端武器系統(tǒng)、高亮度的顯示系統(tǒng)以及背光源中。隨著器件制作技術(shù)的日漸成熟，砷化鎵系光電器件的市場逐漸增長。隨著汽車電子顯示器件及高亮度LED尾燈的需求量增長，以及近年開發(fā)的RBG背光液晶面板的逐漸成熟，對(duì)砷化鎵材料的需求量必然會(huì)大幅度增長12們。同時(shí)應(yīng)該看到，由于近幾年半導(dǎo)體照明以及民用無線通信市場的飛速發(fā)展，國內(nèi)外民用砷化鎵材料市場的出現(xiàn)了暴發(fā)式增長的趨勢。尤其是國內(nèi)市場，由于近兩年LED產(chǎn)業(yè)的迅速擴(kuò)產(chǎn)，砷化鎵襯底材料的需求將出現(xiàn)成倍增長的形勢?？傊?砷化鎵材料在三五族系化合物半導(dǎo)體中,是最早得到廣范、深入研究的材料,是目前制作半導(dǎo)體發(fā)光器件、光電探測器件的基礎(chǔ)材料;由于晶體生長過程中的某些機(jī)理尚不清晰,且在工藝中受諸多實(shí)際條件的限制,雖然它的發(fā)展與半導(dǎo)工業(yè)基礎(chǔ)材料硅相比稍顯滯后,比如晶體直徑尺寸較小,到目前為止還得不到無位錯(cuò)砷化鎵晶體,而且不像硅那樣具有天然穩(wěn)定的氧化絕緣層等,在一定方面限制了其在微電子方面的普及應(yīng)用,但是以其為襯底制造的相關(guān)半導(dǎo)體器件,因其優(yōu)良的性能，在許多領(lǐng)域已得到了業(yè)界的認(rèn)可，而且基于硅的CMOS越來越難以在性能方面獲得提升,而全球各地的研究實(shí)驗(yàn)室則紛紛報(bào)告從一系列超快器件中獲得了有希望的結(jié)果。這些器件基于應(yīng)變鍺、砷化鎵(GaAs)、銻化銦和其它材料，可能在下一個(gè)10年的后半段開始發(fā)揮作用，所以可以預(yù)測，在不久的將來，以砷化鎵材料為基礎(chǔ)的LED產(chǎn)業(yè)鏈將會(huì)趨于更加壯大、完善。注釋MOCVD(MetalorganicchemicalvaporDeposition)即有機(jī)金屬化學(xué)汽相淀積，它是在1968年由美國洛克威爾公司的Manasevit等人提出來的制備化合物半導(dǎo)體薄片單晶的一項(xiàng)新技術(shù)1該技術(shù)是采用III、II族元素的有機(jī)化合物和V族、W族元素的氫化物等作為生長源材料，以熱分解反應(yīng)在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長III-V族，11-切族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單層1其反應(yīng)式一般可表示為：EI2R]f [-4- -650—750 "A-\1工十Kj-Rj：其中：M1=IIIA M1=IIBM1=WAR1=CH3、C2H5M2=VA M2=WAM2=WAR2=H、CH3、C2H5MOCVD技術(shù)日益受到人們的廣泛重視，主要是由于它具有下列一些顯著的特點(diǎn)：可以合成組分按任意比例組成的工人合成材料:形成厚度精確控制到原子級(jí)的薄膜，從而又可以制成各種薄膜結(jié)構(gòu)型材料。例如：量子阱、超晶格材料，可以說,MOCVD技術(shù)最終解決了人類對(duì)無機(jī)功能材料或器件結(jié)構(gòu)型材料的需求問題。這是因?yàn)椋瑥睦碚撋现v，有機(jī)物能同元素周期表上的全部元素，包括金屬和非金屬元素化合形成有機(jī)化合物，且在較低的溫度下成為汽態(tài)，氣體能以最快的速度均勻混合，而反應(yīng)產(chǎn)物除合成的材料外均為揮發(fā)性氣體。因此，可以通過精確控制各種氣體的流量來控制外延層的成分、導(dǎo)電類型、載流子濃度、厚度等特性，可以生長