LED基础知识培训-外延、芯片_图文(精)

LED基础知识培训-外延、芯片王立 2009-3-16 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
内容提要 1 2 3 4 LED器件基础知识 LED器件基础知识 LED材料生长 LED材料生长 LED芯片制造芯片制造高效率LED芯片设计芯片设计高效率 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
LED器件基础知识 1、半导体发光的概念发光是物体内部以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。

发光是一种非平衡辐射。

区分各种非平衡辐射的宏观光学参量是辐射期间—去掉激发后辐射还可延续的时间。

发光的辐射期间在10-11秒以上。

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LED器件基础知识半导体发光的不同形态粉末发光。

薄膜发光。

结型发光。

通常所说的半导体发光是指结型发光——器件的核心在于p-n结。

半导体照明技术是结型电致发光和粉末光致发光的结合。

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LED器件基础知识 2、半导体发光的研究历史 1907 ! Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
LED器件基础知识 1923, O.W. Lossev of Russia reported electroluminescent light emission in silicon carbide crystals. 1937, F. Destriau of France reported (field-excited electroluminescence of zinc sulfide powders. 1939 – 1944 World War II 1951 – Solid State Lighting potential resurfaced when a team of researchers led by Kurt Lehovec started to investigate the electroluminescent potential of silicon carbide. 1962 – Nick Holonyak Jr, working at General Electric, gave the first practical demonstration of LEDs. 1968 – HP Labs develops the first commercially available light-emitting diode. GE, Bell Labs make the same claim. LEDs were first invented in England, Korea and China as well, depending upon who you talk to. …… 1994 –高亮度蓝光LED实现产业化，半
导体照明成为可能。

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LED器件基础知识 3、半导体发光的原理——p-n结正向偏压下，电子和空穴复合 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
LED器件基础知识能带理论与半导体发光由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单个原子所有—电子的共有化。

电子的共有化使原先每个原子中具有相同能级的电子能级，因各原子间的相互影响而分裂成一系列和原来能级很接近的新能级，形成能带。

E B 1s ∆E A O r r0 原子中的能级晶体中的能带∆E 氢原子的能级分裂 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
LED器件基础知识两个相邻能带间可能有一个能量间隔-禁带禁带宽度的大小是区分导体、半导体和绝缘体的重要特征空带空带• • • • • • • • • • • • • • • • • • 空带满带• • • • • • • • • • • • • • • • • • ∆Eg 禁带满带∆E g • • • • • • • • • • • • • • • • • • 禁带满带导体能带 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 半导体能带绝缘体能带
LED器件基础知识 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
LED器件基础知识 LED的I-V特性和发光光谱 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
LED器件基础知识发光波长取决于禁带宽度：λ= 1240/Eg (nm 可见光的波长范围：380nm -800 nm，对应的禁带宽度约3.3~1.6eV 通过形成混晶可以实现发光波长的连续变化。

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LED器件基础知识影响发光效率的几个因素能带类型：直接带隙、间接带隙非辐射复合中心密度：杂质、缺陷器件结构：载流子局域化、异质结、量子阱Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
LED器件基础知识影响出光效率的几个因素内吸收——采用窗口层电极吸收——透明电极衬底吸收——采用透明衬底或反射镜全内发射——表面粗化、光子晶体、改变界面折射率，球面封装。

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LED器件基础知识制造衬底制造发光二极管外延片制造芯片封状成成品例如GaAs、、例如 Al2O3 、 SiC等等例如MOCVD 例如一片2直径英寸的外一片直径英寸的外延片可以加工10000 延片可以加工多个LED芯片多个芯片Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
LED器件基础知识进入门槛高低 $$$$$$$$$ Level 1 外延材料制备 Level 2 发光芯片制备 Level 3 发光器件封装 Level 4 发光产品应用参与者数量☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺☺ $$$$$$ $$ $ Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
内容提要 1 2 3 4 半导体发光物理基础 LED材料生长 LED材料生长 LED芯片制造芯片制造高效率LED芯片设计芯片设计高效率 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED常用发光材料序号 1 发光材料 GaP 发光颜色红色（）、黄绿（）、）、黄绿）、标红色（RD）、黄绿（YG）、标绿（SG））黄色
（）、橙色（）、橙色黄色（HY）、橙色（HO））红外（红外（IRC））应用指示灯，数码、时钟显示，指示灯，数码、时钟显示，底背光，底背光，发光条等同上光耦，光耦，近距离传输等 2 3 4 GaAsP/GaP GaAs GaAlAs/GaAs 红色
（、）、红外红色（SR、SRD）、红外（IRA）指示灯，数码、时钟显示，）、红外（）指示灯，数码、时钟显示，点阵，点阵，遥控发射等绿色—红色连续可调绿色红色连续可调紫外---绿光连续可调紫外绿光连续可调大屏幕、交通灯、大屏幕、交通灯、各种汽车灯、景观灯等大屏幕、交通灯、汽车灯、大屏幕、交通灯、汽车灯、景观灯、白光照明、景观灯、白光照明、各种屏幕背光等。

种屏幕背光等。

实验室研究阶段 5 6 AlGaInP/GaAs GaN/Al2O3
GaN/SiC GaN/Si ZnO、 ZnO、ZnSe 7 同为短波长发光 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
发光材料制备-衬底发光材料制备衬底常用的衬底材料： Si、Ge、GaAs、InP、SiC、GaP 、Al2O3、 AlN、ZnO、GaN、ScAlMgO4、MgAl2O4 衬底的制备方法：直拉法、区熔法、定向凝固法、水热法、HVPE法 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
发光材料制备-衬底发光材料制备衬底 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 发光材料制备-衬底发光材料制备衬底半导体单晶制造技术——直拉法直拉法半导体单晶制造技术 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
发光材料制备-衬底发光材料制备衬底 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 发光材料制备-外延发光材料制备外延 Epitaxy---由希腊文“ep”和“taxio”引申而来，意思是“…….之上排列”。

它是指在一定条件下，使某种物质的原子（或）分子有规则排列，定向生长在经过仔细加工的晶体（衬底）表面上。

得到的是一种连续、平滑并与衬底晶格有对应关系的单晶层。

这个单晶层，称为外延层。

而生长外延层的过程叫做外延生长。

广义上讲，与衬底相一致地生长在衬底上的多晶膜也称之为外延膜。

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发光材料制备-外延发光材料制备外延外延是整个产业链技术含量最高的一个环节外延层质量的高低对发光器件的效率和可靠性有着决定性的影响。

主要的外延方法有：LPE、MOCVD、MBE HVPE、PLD 在产业上得到广泛应用的有LPE 和MOCVD 最重要的半导体发光材料III-V族半导体外延材料主要是用MOCVD
制备的。

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外延常用语介绍衬底模板有机源载气石墨石英 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
外延工艺特点所有材料高纯度高温过程工艺控制原材料的特性对设备要求高——设备庞大，控制复杂 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
生长控制参数反应室压力反应温度生长速率 Hydride/MO 比例支撑旋转速度总的载气量………………… Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
氮化物材料外延常用的源材料 CP2Mg二戊镁 TMIn三甲基铟 TMAl三甲基铝TMGa三甲基镓 TEGa三乙基镓 NH3氨气 SiH4硅烷 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
外延层常见结构单量子阱 LED外延层结构示意图 Contact layer Strain modulation Active layer Carrier injection layer Strain modulation Contact layer Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
外延层常见结构 ~100nm ~50nm P型导电GaN掺Mg层 InGaN/GaN多量子阱
N型导电GaN掺Si层氮化镓(GaN缓冲层氮化铝(AlN缓冲层 3~4um ~400um Si衬底 Si衬底 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
发光材料的制造-MOCVD 发光材料的制造常见的MOCVD系统系统常见的Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
发光材料的制造-MOCVD 发光材料的制造 MOCVD原理： MOCVD 有机金属化学气相沉积法（MOCVD），又叫有机金属化学气相外延法（MOVPE），是一种利用有机金属热分解反应进行气相外延的方法。

多用于生长化合物半导体。

Reactor chamber (CH3 3 Ga + NH3 --> GaN + 3 CH4 NH3 Substrate Susceptor H2 TMG bubbler Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
发光材料的制造-MOCVD 发光材料的制造 2、特征：（1）单温区生长，生长温度范围宽。

（2）各组分和掺杂剂以气态通入，导入量容易控制，控制范围宽，再现性好，由于气体容易迅速改变，易于得到陡峭的界面。

（3）只改变原料就能容易地生长出各种组分的化合物晶体。

（4）原料气不含刻蚀成分，自动掺杂作用小，（5）反应室可以做到大面积均匀，适合量产。

（6）生长速率控制范围宽，既易于制作精细结构，又易于实现量产。

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发光材料的制造-MOCVD 发光材料的制造 A H2 /N2 NH3 TMG NH3 +TMG B C TMG NH3 Two-Flow (Nichia D NH3 Vertical close-spaced (Thomas Swan E TMG NH3 TMG Horizontal Quartz F TMG NH 3 Vertical Quartz H2 /N2 Vertical turbodisc (Emcore Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Planetary (Aixtron
发光材料的制造-MOCVD 发光材料的制造光学探头插口有机源 NH3 冷却水尾气管尾气管热电偶 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
发光材料的制造-MOCVD 发光材料的制造 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
发光材料的制造-生长过程发光材料的制造生长过程 Kinetics Gas phase reaction NH3 (CH3 3 Ga Diffusion NH3 Surface reaction GaN Ga* + N* Bulk layer Thermodynamics Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation NH3 :(CH3 3 Ga Reaction Mass transport
MOCVD原材料的要求纯度要求－ MO源和氢化物等都要求具有6个9以上的纯度，载气要求达到8个9以上。

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发光材料的制造-MBE 发光材料的制造发光材料制备技术——MBE MBE 发光材料制备技术 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
发光材料的制造-MBE 发光材料的制造 MBE原理 MBE原理在超高真空下，用努森箱加热蒸发反应源并发射出来，在衬底上沉积薄膜。

努森箱中保持准平衡态，所以射束成分和强度保持不变，并可由热力学测算。

从努森箱喷发出来的射束由射束闸门控制，以直线路径射到衬底表面。

在动力学控制条件下，在衬底上冷凝和生长。

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发光材料的制造-MBE 发光材料的制造 MBE的优点：生长温度低，一般<800度，热扩散影响小。

超高真空，可以得到很清洁的表面和很高的薄膜纯度。

生长速率慢，容易控制膜厚并易于制备超晶格等精细复杂的微结构，掺杂和界面控制好，过渡陡峭。

方便原位分析，可以实现高度的在线自动精密控制。

对薄膜生长过程的机理分析有利。

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发光材料的制造-MBE 发光材料的制造 MBE的缺点：生长速率太慢，不适合大量生产。

难于控制混晶系和四元合金生长。

系统易被蒸发分子污染，导致性能下降。

系统需要超高真空，维护困难。

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外延材料的测试宏观表面质量-干涉显微镜发光性能测量-光致发光(PL 晶体质量测量-X射线衍射仪(XRD 微观形貌测量-原子力显微镜(AFM 微观结构测量-透射电镜(TEM Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
干涉显微镜测量 100µm Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
PL测试 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
双晶衍射（XRD）测量 2000 1600 (0002 700 600 (10-12 Intensity(cps 1200 800 400 0 Intensity(cps 500 400 300 200 100 0 -100 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 17.0 17.1 17.2 17.3 23.5 23.6 23.7 23.8 23.9 24.0 24.1 24.2 24.3 24.4 24.5 ω(deg ω(deg Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
原子力显微镜（AFM） Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
透射电镜（TEM）测量 g=1 1-20 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation
内容提要 1 2 3 4 半导体发光物理基础 LED材料生长 LED材料生长 LED芯片制造芯片制造高效率LED芯片设计芯片设计高效率 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 半导体发光芯片的制造 LED芯片制造的目标形成欧姆接触形成引线焊盘形成独立器件增加光的取出提高器件可靠度 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation。