LED原理

ConfidentialConfidentialGaN外延工艺流程及MOCVD基本原理主讲:刘善鹏EpilightTechnologyCo.,Ltd教材编写：刘善鹏教材编号：02-001编写日期：2010年12月ConfidentialConfidential主要内容背景知识半导体基础知识LED发光原理GaN基LED发展历程MOCVD简介MOCVD主体结构MOCVD反应室GaN外延工艺流程外延基础理论外延结构测试2ConfidentialConfidential基本概念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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。3ConfidentialConfidential基本概念同质结：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）异质结：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）超晶格（superlattice）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭）的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。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...）4ConfidentialConfidential基本概念间接带隙：导带最小能量和价带最大能量有不同的k坐标直接带隙：导带最小能量和价带最大能量有相同的k坐标带隙宽度Eg：决定电子跃迁能量大小，决定发光波长。光的峰值波长λ与发光区域半导体材料禁带宽度Eg有关，即λ≈1240/Eg（nm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）5ConfidentialConfidentialⅢ-Ⅴ族化合物半导体GaN基材料（InGaN/AlGaN等）直接带隙，禁带宽度：Eg(AlN)~6.0eV（~200nm-DUV）Eg(GaN)~3.4eV（~365nm-UV）Eg(InN)~0.7eV（~1700nm-Infrared）InxGa1-xN/GaNLED产品：蓝光：450--475nm绿光：500--530nm光电器件—巨大市场潜力蓝、绿光LED、LD（作DVD光源）、紫外光探测器、宽带的微波大功率器件(无线通讯、军工)、HEMT(高电子迁移率晶体管）等6Ⅲ族元素:AlGaInⅤ族元素:NPAsSbConfidentialConfidentialLED基本原理和结构LED发光基本原理：LED的核心为PN结。在正向偏压下，电子由N型层注入MQW，空穴由P型层注入MQW。电子和空穴在MQW内复合，释放出相应波长的光，实现电能转化为光能。7LED工作物理模型GaN基LED结构示意ConfidentialConfidential8GaN基LED发展历程GaN基LED技术发展关键点和贡献人1.1986年Akasaki首次在蓝宝石上采用AlN缓冲层技术获得高质量GaN体材料；2.1988年Akasaki采用低能电子束辐照掺Mg的GaN获得p型电导率-重大突破；3.1993年底，Nakamura采用GaN缓冲层和热退火活化技术实现LED量产化；……这一系列关键技术的突破，使GaN基LED大批量生产成为可能。ConfidentialConfidential第三代半导体材料的兴起20世纪50年代，以硅为代表的半导体材料为第一代半导体材料20世纪90年代以来，以砷化镓，磷化铟为代表的化合物半导体材料为第二代半导体材料以氮化镓GaN为代表的宽带隙化合物半导体材料为第三代半导体材料ConfidentialConfidential2.半导体理论基础ConfidentialConfidential固体材料分类ConfidentialConfidential固体结构1、按照原子的排列方式，固体可以分为晶体、多晶和非晶。2、常见的半导体结构是钻石结构（Si,Ge），闪锌矿结构（GaAs），纤锌矿结构（GaN）。ConfidentialConfidential钻石结构闪锌矿结构ConfidentialConfidentialGaN结构ConfidentialConfidentialTheWorldofSemiconductorsElementalSemiconductorsSi,GeBinarySemiconductorsFormedbycombiningtheelementsingroupsIIIandVorgroupsIIandVIe.g.:GaAs,InP,ZnS,…etc.TernarySemiconductors(3materials)e.g.:(InXGa1-X)NQuaternarySemiconductors(4materials)e.g.:(InXGa1-X)(AsYP1-Y)ConfidentialConfidential固体能带形成原因：泡利不相容原理。ConfidentialConfidential直接能隙和间接能隙直接能隙间接能隙ConfidentialConfidential直接能隙对于LED的好处直接能隙半导体材料发光效率高。碳化硅（SiC）同样可以作成蓝光LED，但是SiC是间接能隙材料，发光效率低，而氮化镓（GaN）是直接能隙材料，发光效率高，成为目前蓝光LED的主要材料。ConfidentialConfidential电子和电洞（空穴，hole）电子由高能量的导带掉到低能量的价带，和电洞复合，以发光的形式释放能量。Eg=hυ=hc/λConfidentialConfidential掺杂(doping)掺杂半导体分为p型，n型。以GaN为例，当生长时，加入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。反之，加入Cp2Mg，Mg原子会取代Ga原子的位置，由于Mg是二价，因此少了一个电子（多一个电洞），属于p型掺杂。p型掺杂和n型掺杂可同时存在，并且由较高浓度的掺杂类型决定半导体的类型。ConfidentialConfidential掺杂示意图N型掺杂P型掺杂ConfidentialConfidentialpn结ConfidentialConfidentialPn结的电流-电压特性曲线ConfidentialConfidentialLED产品应用24ConfidentialConfidential第三代GaN半导体材料特点宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（2.3—6.2eV)，可以覆盖红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围，是到目前为止其它任何半导体材料都无法达到的高频特性，可以达到300GHz（硅为10G，砷化镓为80G）高温特性，在300℃正常工作（非常适用于航天、军事和其它高温环境）电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）高压特性（耐冲击，可靠性高）大功率（对通讯设备是非常渴望的）ConfidentialConfidential第三代半导体材料的兴起20世纪50年代，以硅为代表的半导体材料为第一代半导体材料20世纪90年代以来，以砷化镓，磷化铟为代表的化合物半导体材料为第二代半导体材料以氮化镓GaN为代表的宽带隙化合物半导体材料为第三代半导体材料ConfidentialConfidential主要内容27背景知识半导体基础知识LED发光原理GaN基LED发展历程MOCVD简介MOCVD主体结构MOCVD反应室GaN外延工艺流程外延基础理论外延结构测试ConfidentialConfidentialMOCVD发展国际上起源于80年代初，我国在80年代中德国-Aixtron美国-Veeco日本-Nichia技术条件：MO源：难合成，操作困难；（江苏南大Nata）设备控制精度：流量、压力以及加热器等控制单元；反应室设计：核心技术（理论模型、设计和加工）；Aixtron：行星式气浮旋转、紧耦合喷淋式（英国：ThomasSwan）Veeco：高速旋转盘式Nichia：双流式28ConfidentialConfidentialMOCVD系统组成与功能气体输运向反应室内输运各种反应剂，并精确控制其流量、时间、流速等，以便生长特定成分与结构的外延层。生长反应室包含放置衬底的基座、加热器和温度传感器，配备有光学原位测量用的窗口等。尾气处理将有毒尾气进行无害化处理，浓度达到规定的排放标准以下。原位监测发射率校正高温计—测量衬底真实温度反射率计—获得生长速率、表面形貌等信息生长控制装置工业控制计算机：负责材料生长过程监控、界面运行、数据记录、报警记录等；可编程控制器（PLC）：负责整个控制系统的运行，各种信号采集、数据处理以及信号控制等。29ConfidentialConfidential典型的CCS平台主体30A电力柜D传输箱/过滤器/真空泵B气体混合柜E反应室/手套箱C控制电脑F加热器电源箱BcDEFAConfidentialConfidential世界领先的MOCVD---Aixtron/Veeco312600G3HT:Yieldplus24x2”CCS:Crius31x2”D300:21x2”K465:45x2”ConfidentialConfidentialMOCVD的核心-反应室32VeecoK46545x2”ConfidentialConfidential主要内容33背景知识半导体基础知识LED发光原理GaN基LED发展历程MOCVD简介MOCVD主体结构MOCVD反应室GaN外延工艺流程外延基础理论外延结构测试ConfidentialConfidentialGaN工艺流程34编写程序MOCVD外延外延部测试芯片工艺芯片测试ConfidentialConfidential外延生长定义：1928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。如果衬底和外延层属于同一种材料则称为同质外延，如硅上外延生长硅。如果衬底材料和外延层是不同种材料，则称为异质外延。重要应用：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。多种外延技术35ConfidentialConfidential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（MetalOrganicChemicalVaporDeposition）：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。36ConfidentialConfidential不同外延技术的对比MBEHVPEMOCVD原理物理沉积单晶薄膜法。在超高真空腔内，源材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。III族氮化物（如GaN，AlN）由热的气态金属氯化物（如GaCl或AlCl）与氨气（NH3）经复杂化学物理反应形成的。金属