LED基础知识及外延工艺

3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldLED基础知识及外延工艺3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldLED的发光原理LED的特点白光LED的实现外延基础知识纲要•LED是“lightemittingdiode”的英文缩写。•中文名:发光二极管。•LED是一种将电能转换为光能的固体半导体器件。•LED实质性核心结构是由元素谱中的Ⅲ-Ⅳ族化合物材料构成的p-n结。3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld半导体简介半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，室温电阻率ρ介于金属与绝缘体之间金属10−6(Ω·cm)半导体10−3∼106(Ω·cm)绝缘体1012(Ω·cm)半导体有两种载流子电子(electron,negative)和空穴(hole,positive)P-N结：通过p型和n型半导体材料紧密接触而形成的结。半导体种类:•单质半导体：Si、Ge•化合物半导体：GaN、GaAs、GaP、ZnO、SiC3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldN-tapeP-tape半导体简介3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld价带顶导带底GaN：3.4evAlN:6.2evInN:1.8ev不同半导体材料的带隙宽度半导体简介目前发光二极管用的都是直接带隙材料GaAsSi•光是一种能量的形态，是一种电磁波。•在同一介质中，能量从能源出发沿直线向四面八方传播,这种能量传递的方式通常叫做辐射。•通常可以用波长来表达人眼所能感受到的可见光的辐射能量。人眼所能见的可见光的光波只占宽阔的电磁波谱家族中的很小空间。各种颜色光的波长光色波长λ（nm)代表波长红（Red）780～630700橙（Orange）630～600620黄（Yellow）600～570580绿（Green）570～500550青（Cyan）500～470500蓝（Blue）470～420450紫（Violet）420～380420•光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）•电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg。•Eg越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会蓝移。反之，Eg越小，所发出的光子波长就越长，颜色就会红移。•若要产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应该在1.59～3.8eV之间。用不同颜色及数目LED加荧光粉所做成的白光LED的优点及缺点3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldLED(LightEmittingDiode)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。发光原理：在外加电场的作用下,n型半导体载流子电子、p型半导体载流子空穴，这两种载流子进入量子阱中并相互结合，发出不同波长的光。LED基本构造LED简介3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld六方纤锌矿结构的GaNGaN是宽禁带直接带隙半导体，禁带宽度约为3.4ev.GaN简介3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld1928年Royer提出了外延（Epitaxy）一词，意思是“在……之上排列”。它是指在具有一定结晶取向的原有晶体（衬底）上延伸出按一定晶体学方向生长薄膜的方法，这个薄膜被称为外延层。外延简介3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld2.外延技术•液相外延（LPE）：生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。•金属有机化学气相沉积（MetalOrganicChemicalVaporDepositionMOCVD）：精确控制晶体生长、重复性好、产量大，适合工业化大生产。•氢化物气相外延（HVPE）：近几年在MOCVD基础上发展起来的，适应于Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。•分子束外延（MBE）：超高真空系统，可精确控制晶体生长，晶体界面陡峭，晶格质量非常好，但生长速率慢，成本高，常用于研究机构。1.应用1959年末，外延生长技术应用于半导体领域，它的应用与发展对于提高半导体材料的质量和器件性能，对于新材料、新器件的开发，对于半导体科学的发展都具有重要意义。外延简介3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld同质外延：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如：nGaN:Si上生长pGaN:Mg）异质外延：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。（如：GaN上生长AlGaN）量子阱(QuantumWell)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱。（如：InGaN/GaN/InGaN...）异质外延蓝宝石衬底GaNMQW外延简介3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldVeecoK465iVeecoC4AixtronCriusiiMOCVD简介3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldMOCVD的工作原理大致为：当有机源处于某一恒定温度时，其饱和蒸汽压是一定的；通过流量计（MFC）控制载气的流量，就可知载气流经有机源时携带的有机源的量；多路载气携带不同的源输运到反应室入口混合，然后输送到衬底处，在高温作用下发生化学反应，在衬底上外延生长；反应副产物经尾气管路排出。MOCVD反应的基本原理MOCVD简介3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldGa(CH3)3+NH3=GaN+3CH4表面反应原理MOCVD简介3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld常用MO源：•TMGa（三甲基镓，液态）•TMAl（三甲基铝，液态）•TMIn（三甲基铟，固态，现已有液态）•TEGa（三乙基镓，液态）•Cp2Mg（二茂基镁，固态，现已有液态）载气：纯度很高（99.999999%）的H2和N2特气：高纯度（99.9999%）NH3（氨气，液态）SiH4（硅烷，气态）衬底：Sapphire（蓝宝石衬底）,PSS（图形化的衬底）工艺材料MOCVD简介3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldn-CladActiveGaNBufferN+-GaN:Sip-GaN:MgWell:InGaNBarrierInGaN1.8umSapphirec-planeAl2O3U-GaN/BufferN--GaN:Si420um4um/250A0.7um0.15um30A70Ap-GaNMQWun-GaN衬底外延基础3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld（a）衬底上成核（Buffer）（b）形成的岛状颗粒在侧面快速生长（c）岛与岛之间开始进行合并（d）最后形成平整结构外延基础在生长的外延晶体中的线缺陷能够形成载流子的复合中心，从而降低LED的发光效率相当一部分的缺陷是由于异质外延的晶格失配产生的解决方法：在蓝宝石衬底上先生长一层低温缓冲层。3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld外延基础(a)密集的、取向比较一致的小岛(b)许多单个大岛(c)以大岛为核心在水平和垂直两个方向生长(d)外延片表面与衬底层的反射光将发生干涉作用，反射率将开始呈现正弦曲线震荡。3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld•由于衬底（Al203）与GaN材料的晶格失配较大，故在生长GaN之前需要生长一层薄薄的缓冲层，我们将其称为Buffer层。•高压、低温条件下通入TMGa，在衬底表面快速沉积一层缓冲层。由于晶格失配，此时GaN结晶质量较差。•反射率曲线上升。•目前通用的是低温GaN缓冲层技术。大约在500-600度。典型LED外延结构1.Buffer3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld•U1层(Rough)，形成结晶质量较高的晶核，并以之为中心形成岛状生长。•首先在停止通入TMGa的情况下升至高温，在高温高压条件下，Buffer中结晶质量不好的部分被烤掉，留下结晶质量较高的晶核。此时反射率将下降至衬底本身的反射率水平。•保持高温高压，通入TMGa，使晶核以较高的结晶质量按岛状生长。此时反射率将降至0附近。•以上为3D生长过程。2.uGaN典型LED外延结构3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld•U2层(Recover)，此时使外延从3D生长向2D生长转变。•略微提高温度，降低气压，使晶岛相接处的地方开始连接，生长，直至外延表面整体趋于平整。•随着外延表面趋于平整，反射率将开始上升。此时由于外延片表面与衬底层的反射光将发生干涉作用，反射率将开始呈现正弦曲线震荡。五、典型LED外延结构2.uGaN3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld在u-GaN之上生长n-GaN做为电子注入层。保持2D生长GaN的条件，通入SiH4，Si原子会取代Ga原子的位置，由于Ga是三价的，Si是四价的，因此多出一个电子，属于n型掺杂。反射率曲线将保持正弦曲线震荡。由震荡的频率可以计算出此时的生长速率。典型LED外延结构3.nGaN3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorld•超晶格结构发光层，主要由阱与垒反复叠加构成。•当In原子取代Ga原子时，GaN的禁带宽度将变小，构成MQW中的阱层。阱层很薄，和垒层相间分布，将使注入的载流子在外延生长的方向受到限制，从而提高电子空穴对的空间浓度，加大复合发光的几率，提高发光效率。•MQW层使用TEGa提供Ga源。阱层的温度和In源的掺杂浓度决定了发光波长。垒层使用相对较高的温度以提高结晶质量。典型LED外延结构4.MQW3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldp型层为量子阱注入空穴。生长GaN时加入Cp2Mg，Mg原子会取代Ga原子的位置，而Mg是二价，因此会少了一个电子（等于多一个空穴），属于p型掺杂。典型LED外延结构6.pGaNBakeBufferTBTWDWDBEBEWLBP-SLSP-GaNP-InGaNLT-nGaNHP-nGaNLP-nGaN3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldPSS衬底PSS:PatternedSapphireSubstrate(图形化衬底)使用PSS衬底以提高出光效率外延基础3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldMicroscopePLELXRDBowing•观察表面是否有异常•外延片表面等级判定•光致发光•波长•强度•均匀性•电致发光•波长•亮度•电压•晶体质量•材料组分•周期厚度•外延片翘曲度外延片测量LEI•表面电阻外延测量3ESemiconductorCreatetheLight,LighttheWorldPL测量光致发光是半导体的一种发光现象，利用光照射到材料表面，其电子吸收光子而跃迁到高能级，处于高能级的电子不稳定，会回落到低能级，同时伴随着能级差的能量以光辐射的形式发射出来。这个过程就是光致发光，即PL。Photoluminescence（PL）：光致发光3ESemiconductorCreatethe