GaN外延生长流程

Epiprocessflow(recipe)introduction组员：李捷、李英儒、孔凡华、吴耀衬底材料的选择衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面：[1]结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；[2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；[3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀；[4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小；[5]导电性好，能制成上下结构；[6]光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小；[7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；[8]价格低廉；[9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较衬底材料Al2O3SiCSiZnOGaN晶格失配度差中差良优界面特性良良良良优化学稳定性优优良差优导热性能差优优优优热失配度差中差差优导电性差优优优优光学性能优优差优优机械性能差差优良中价格中高低高高尺寸中中大中小GaN类蓝光二极管结构的发展1969年Pankove等人用气相外延方法在蓝宝石上首次生长出GaN单晶薄膜，并制成第一只MIS结构的蓝光LED。MIS(metal-insulator-semiconductor)结构同质结构异质结构异质结：由两块不同带隙的单晶体半导连接而成的单质结构（SH）双异质结构（DH）单量子阱结构（SQW）多量子阱结构（MQW）半导体之间的接触量子阱材料的选择：能带的匹配晶格的匹配阱中电子—空穴复合放出光子能量的计算量子阱的优点2复合效率高3界面复合低1产生的光波长可调单量子阱与多量子阱发光量什么因素影响InGaN/GaN的MQW结构发光效率和光的波长？极化效应阱宽和垒宽In组分极化效应下的能带具体原因极化效应使InGaN/GaN多量子阱结构的带边由方形势变成三角形势，使导带和价带间的带隙宽度减小导致发光峰值波长红移，并使电子和空穴的分布产生空间分离从而减小发光效率。随着InGaN/GaN多量子阱结构阱层In组分的增多或阱层宽度的增加，极化效应带来的发光峰值波长红移效果进一步增强。不同阱宽和垒宽阱宽增大，禁带宽减小，极化效应增强，导致发光波长红移；极化效应是影响发光效率下降的主要原因。垒宽增大，空穴向N-区运输难度增加，发光效率降低；极化效应影响下，发光波长红移，同时发光效率进一步下降。阱宽和垒厚影响原因随着阱宽和垒厚的增加InGaN/GaN多量子阱结构的辐射峰值波长出现一定程度的红移，辐射强度也有所降低，而且极化效应产生的极化电场能够减小InGaN/GaN多量子阱结构导带和价带间的带隙宽度并使电子和空穴的分布产生空间分离进一步减小了辐射强度。不同温度不同In组分温度低，In组分较高且富In区内的In分布不均导致禁带宽度发生涨落，从而使PL谱FWHM变大。In组分减小影响In组分减小量子阱对载流子的限制作用有所减弱，使载流子在GaN层中复合的可能性增加。In组分的减小，极化效应也小，输出的波长向紫光方向移动。In组分的减小，极化效应也小，辐射功增强。总结：在极化效应的影响下，InGaN/GaN多量子阱结构的光电子学特性对阱宽、垒厚和In的浓度的依赖性增强。GaN外延生长流程衬底—结构设计—高温除杂—缓冲层生长—GaN层生长—N型GaN层生长—多量子阱发光层生长—P型GaN层生长—退火—检测（PL、EL、X射线...）—外延片GaN外延生长流程㈠高温除杂通入氢气，反应室炉温度升高1050℃,高温、燃烧除去衬底上的杂质,时间10min。蓝宝石衬底(430±5μm)通H2、高温10minGaN外延生长流程㈡:生长缓冲层炉温降底控制在530℃时,通入NH3和TGM在蓝宝石衬底上生长一层30nm厚的GaN缓冲层，时间3min。蓝宝石衬底(430μm)GaN缓冲层30nmNH3(5000ml/min)TGM(15μmol/min)GaN外延生长流程㈢退火切断Ga源，N源。炉温升至1100℃，时间7min，将低温长的非晶缓冲层通过高温形成多晶GaN缓冲层。蓝宝石衬底(430μm)GaN缓冲层30nm1150℃退火GaN外延生长流程㈣长GaN单晶将炉温控制至1160℃,在GaN缓冲层上生长一层0.5μm厚的GaN单晶。蓝宝石衬底(430μm)GaN单晶0.5μmGaN外延生长流程㈤长N型GaN将炉温控制至1160℃,长GaN的同时掺Si(浓度5X108/cm3),时间1小时，厚度2.5μm。蓝宝石衬底(430μm)N型GaN2.5μm㈥长多量子阱MQW炉温降至750℃,先长一层InGaN(2nm),接着把温度升高到1160℃，长一层GaN(14nm),连续长8个InGaN和GaN势阱势垒pair(16nm)，整个MQW厚度120nm.调整掺In的浓度可调整波长，用时约80min.蓝宝石衬底(430μm)MQW多量子阱GaN外延生长流程GaN外延生长流程多量子阱结构量子阱为LED的发光区GaN势垒140AInGaN势阱20A1200A1个pairGaN外延生长流程㈦长P型GaN⒈炉温升至930℃,长GaN的同时掺Mg(浓度5X1019/cm3),长200nm厚,时间20min。⒉长接触层炉温降至800℃,长GaN的同时掺Mg(浓度1020/cm3),长15nm厚,时间2min。⒊激活在N2气氛下，将炉温降至600℃,加热20min,打破Mg－H键,激活Mg的导电性。⒋降温炉温降至150℃，时间30min。蓝宝石衬底(430μm)GNaN－GaNP型GaN3.4μm藍寶石基板緩衝層氮化鎵N-Type-氮化鎵-矽掺雜(氮化鎵/氮化銦鎵)x5-淺井結構(氮化鎵/氮化銦鎵)x8-量子井結構P-Type-氮化鋁鎵-電流阻擋層P-Type-氮化鎵-鎂掺雜P-Type-氮化銦鎵-金屬接觸層外延结构示意图藍寶石基板磊晶前磊晶後InGaN:MgsapphireGaNbufferN-GaNInGaNwellGaNbarrierP-GaN:MgAl-GaN:Mg外延生长的原辅材料基片：蓝宝石载气：H2，N2反应剂：NH3，SiH4，MO源MOSource包括：三甲基镓：trimethylgallium(TMGa)：(CH3)3Ga载气（H2）三乙基镓：triethylgallium(TEGa)：(C2H5)3Ga载气（N2）三甲基铟：trimethylindium(TMIn)：(CH3)3In载气（N2）三甲基铝：trimethylaluminium载气(H2)(TMAl)：(CH3)3Al二茂镁：Magncsocenc;bis(cyclopentadienyl)magnesium(Cp2Mg)：Mg(C5H5)2载气（H2）MOCVD法生长GaN的主要技术要求MOCVD技术最初是为制备GaAs和InP等化合物半导体材料而开发的，用于GaN基材料外延生长时，采用的是NH3气源，危险性降低，但对设备的要求不仅没有降低，反而提出了更为特殊的要求：1、生长温度高，接近1200度的高温表面对气体产生热浮力，气体难以到达衬底表面；2、NH3具有强腐蚀性，反应器材料要能适应；3、TMGa/TMIn/TMAl等对氧气和水份特别敏感，要求气体纯度高，且与大气隔离；4、形成掺Mg的P型层后，要经热处理激活；5、TMGa和NH3即使在低温下也会预反应形成新产物；6、形成多层膜时，气体成份要快速切换，以形成陡峭界面；7、既要求膜厚均匀，又要求组分均匀。MOCVD法生长GaN存在的问题1、衬底要求与外延材料的晶格失配度小、热膨胀系数接近、有较大的尺寸、价格便宜、适应生产等，GaN匹配的衬底少；2、气相预反应带来的加合物和聚合物在反应器气体喷口凝结，在反应室避沉积以及在气相中形成微粒，阻碍反应物输送、影响外延膜的质量以及缩短设备维护周期和损害泵系统；3、NH3的利用低，尾气对环境影响较大；4、设备的气密性和气体纯度要求很高；5、气氛适应性和气流控制也存在较大的难度；光致发光分析（PL）光谱分析峰值波长波长均匀性半高宽（FWHM）X-射线分析（XRD）晶格质量(002102)组分分析(IndiumComposition)周期计算(Thicknessofonepair)电致发光量测（EL）电致发光分析参数：亮度(mcd)正向偏压(Vf)波长(nm)半峰宽反向电流波长漂移反向电压抗ESD能力…外延测试手段PL：PhotoluminescencePL是一种运用外来光源照射待测样品，使之发出荧光的一种非破坏性檢测技术。经由能量高于样品能隙的外来光源激发，使得原本在价带的电子，有机会跃迁到更高能阶；因此，在原本的价带便留下一个电洞，而形成電子-电洞对。这组电子-空穴对，如果以辐射耦合的方式结合，就可以放出一个光子。当然，也有可能是以热能或其他能量的方式放出。对于因辐射耦合而放出的光，因其是由外来光源的激发所形成的，所以通常称之为「光致发光」（Photoluminescence）。原理当激发光源照射在待测样品上，利用入射光子能量大于半导体材料的能隙，将电子由价帶(valenceband)激发到导带(conductionband)。而在非常短的时间之内，大部分的高阶电子(空穴)会由此释放声子或其他过程，跃迁到传导带(价电带)的最低能阶，之后再由电子-空穴对再结合(electron-holepairrecombination)而放出螢光。原理二、PL系统SourceShutterNDFTopMirrorBeamSplitterObjectiveLensSampleGratingFilterDetector1Source:For蓝光－UV266nm2Source:白光SlitX-射线分析（X-Ray）X-射线衍射（XRD）基本原理当一束X射线照射到晶体上时，被电子散射。由于散射波之间的干涉作用，使得空间某些方向上的波则始终保持相互叠加，于是在这个方向上可以观测到衍射线。而另一些方向上的波则始终是互相是抵消的，于是就没有衍射线产生。X-射线衍射（XRD）基本原理衍射花样反映晶体内部的原子分布规律。衍射线的空间分布规律，（称之为衍射几何），反应晶胞的大小、形状和位向等。衍射线的强度则取决于原子的品种和它们在晶胞中的位置。衍射理论所的中心问题:在衍射现象与晶体结构之间建立起定性和定量的关系。布拉格公式的示意图衍射几何-布拉格公式根据图示，干涉加强的条件是：式中：n为整数，称为反射级数；d为面间距。λ为X射线的波长。θ为入射线或反射线与反射面的夹角，称为掠射角，由于它等于入射线与衍射线夹角的一半，故又称为半衍射角，把2θ称为衍射角。XRD分析