LED外延工艺.

李炳睿2016.09.24半导体照明之外延工艺及设备外延制作工艺在单晶衬底上按照衬底晶向生长单晶薄膜的工艺被称为外延。长有外延层的晶体片被称为外延片。什么叫外延？外延的分类•1.正向外延：在低阻衬底材料上生长高阻外延层的工艺。•2.反向外延：在高阻衬底材料上生长低阻外延的工艺。•3.同质外延：生长的外延层与衬底是同一种材料。•4.异质外延：外延生长的薄膜材料与衬底材料不同，或者生长的化学组分、甚至物理结构不同的外延层。外延工艺•由LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事实上，LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。发光二极管对外延片的技术主要有以下四条：•①禁带宽度适合。•②可获得电导率高的P型和N型材料。•③可获得完整性好的优质晶体。•④发光复合几率大。外延技术的分类外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在。•液相外延（LinquidPhaseEpitaxyLPE）3-4族化合物的外延•气相外延（VaporPhaseEpitaxyVPE）硅的主要外延工艺•固相外延（SolidPhaseEpitaxySPE）离子注入退火过程•分子束外延（MolecularBeamEpitaxyMBE）外延制作工艺之液相外延•从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层的方法被称为液相外延。液相外延方法是在1963年由纳尔逊提出。•技术优点•1.生长设备比较简单•2.生长速率快•3.外延材料纯度比较高•4.掺杂剂选择范围比较广泛•5.外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低•6.成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好•7.操作安全外延制作工艺之液相外延•缺点•当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长发生困难。•由于生长速率较快，难以得到纳米厚度的外延材料。•外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。外延制作工艺之液相外延•工艺流程•1.准备工作•1）石墨舟处理2）反应管处理3）炉温设定•4）衬底制备5）生长源称量6）生长材料腐蚀清洗•2.外延生长步骤•1）开炉2）清洗玻璃和石英器皿•3）称好溶液后应立即装入石墨舟源槽中，以减少在空气中的氧化和玷污•4）抽真空通氢气5）脱氧•6）装源7）熔源8）外延生长9）关炉取片外延制作工艺之液相外延外延制作工艺之气相外延•气相外延的原理是让生长原材料以气体或电浆粒子的形式传输至芯片表面，这些粒子在失去部分的动能后被芯片表面晶格吸附，通常芯片会以热的形式提供能量给粒子，使其游移至晶格位置并凝结。在此同时粒子和晶格表面原子因吸收热能而脱离芯片表面称之为解离，因此气相外延的过程其实是粒子的吸附和解离两种作用的动态平衡结果。•根据反应机构可以把气相外延分为：•1.化学气相沉积（ChemistryVaporDepositionCVD）•2.物理气相沉积（PhysicalVaporDepositionPVD）外延制作工艺之物理气相沉积•物理气相沉积是在真空条件下以物理方式将材料源气化成气体原子、分子或部分电离成离子，通过低压（或等离子）过程，在基体表面沉积成薄膜的技术。它是一种近乎万能的薄膜技术，应用PVD技术可以制备化合物、金属、合金等薄膜。真空蒸镀仪器溅射原理图溅射淀积•1.适合淀积合金和高温难熔金属•2.良好的台阶覆盖•3.溅射前要进可进行预溅射，去除表面的玷污或氧化层•4.薄膜粘附性比较好•5.可以通过调整工艺条件改变淀积薄膜的性质•6.能量控制精度要求高外延制作工艺之化学气相淀积•化学气相淀积是反应物以气态到达加热的衬底表面发生化学反应，形成固态薄膜和气态产物。•根据化学气相沉淀过程的需要，所选择的化学反应通常应该满足：•（1）反应物质在室温或不太高的温度下最好是气态，或由很高的蒸气压，且有很高的纯度；•（2）通过沉积反应能够形成所需要的材料沉积层；•（3）反应易于控制。•CVD可以制备金属薄膜和无机薄膜等•化学气相沉积种类很多，主要有：常压气相沉积、低压气相沉积、超低压CVD/等离子体增强型CVD、激光增强型CVD、金属氧化物CVD等方法•按照发生化学种类不同还可以分为：热解法、氧化法、还原法、水解法、混合反应等外延制作工艺之化学气相淀积的优缺点•CVD制备的薄膜最大的特点是致密性好、高效率、良好的台阶覆、孔盖能力、可以实现厚膜淀积、以及相对的低成本•缺点：淀积过程容易对薄膜表面形成污染、对环境的污染等•常压CVD特点：不需要很好的真空度、淀积速度非常快、反应受温度影响不大，淀积速度主要受反应气体的输运速度的影响•MOCVD优点：反应温度低，广泛应用在化合物半导体制备上，特别是高亮LED的制备上。化学气相外延设备分子束外延•分子束外延的英文缩写为MBE，这是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。•（1）生长速率极慢，大约1um/小时。•（2）外延生长的温度低。•（3）由于生长是在超高真空中进行的，衬底表面经过处理可成为完全清洁的，在外延过程中可避免沾污，因而能生长出质量极好的外延层。•（4）可以生长按照普通热平衡生长方法难以生长的薄膜。•（5）膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。主要用途：用于生长光学晶体、铁电体、铁磁体、超导体和有机化合物薄膜材料，尤其适用于生长高熔点、多元素及含有气体元素的复杂层状超晶格薄膜材料。设备组成：系统由真空腔室(外延室、进样室)、样品传递机构、样品架、旋转靶台、真空排气、真空测量、电器控制、配气、计算机控制等各部分组成。外延室：超高真空环境下完成材料外延生长进样室：可快速进样，并保证外延室超高真空环境电器控制系统：精确控制温度、转速、位移差分高能电子衍射仪：可原位监测生长过程CCD成像：观察衍射光点图像、强度变化，采集数据，储存，打印气体电离系统：专利技术设计，保证特真空下工作需求四极质谱仪：系统检漏或残气分析脉冲准分子激光器：激光束扫描系统：专利技术设计，灵活设定激光束扫描轨迹计算机控制系统：自动控制加热，旋转，位移，激光束扫描