LED基础知识及外延工艺
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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）
3E Semiconductor
半导体简介
导带底
价带顶
不同半导体材料的带隙宽度
GaN：3.4ev AlN: 6.2ev InN: 1.8ev
Create the Light, Light the World 3E Semiconductor
目前发光二极管用的都是直接带隙材料
GaAs
Si
• 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。
MOCVD简介
MOCVD反应的基本原理
MOCVD 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。
•
•
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
典型LED外延结构
6. pGaN
p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。
Create the Light, Light the World
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
外延基础
p-GaN:Mg
Active Well : InGaN Barrier InGaN n-Clad N+-GaN:Si GaN Buffer
0.15um
30A 70A 1.8um 0.7um 4 um/250A
3E Semiconductor
Bake
HP-nGaN
LP-nGaN TB TW EB EW LB P-SLS P-GaN
LT-nGaN DB DW
P-InGaN
Buffer
外延基础
PSS衬底
PSS: Patterned Sapphire Substrate (图形化衬底)
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
典型LED外延结构
3. nGaN
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。
GaN是宽禁带直接带隙半导体，禁带宽度约为3.4ev.
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
外延简介
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
（c）岛与岛之间开始进行合并 （d）最后形成平整结构 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。 Create the Light, Light the World 3E Semiconductor
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
MOCVD简介
表面反应原理
Ga(CH3)3 + NH3 = GaN +3CH4
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
MOCVD简介
工艺材料
700
630～600
600～570 570～500 500～470 470～420 420～380
620
580 550 500 450 420
• 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。
LED基础知识及外延工艺
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
纲 要
LED的发光原理 LED的特点 白光LED的实现 外延基础知识
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
• LED是“light emitting diode”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。
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)
• 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
LED简介
LED (Light Emitting Diode)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
典型LED外延结构
2. uGaN
• • 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。
p-GaN MQW
N--GaN:Si Sapphire c-plane U-GaN/Buffer
un-GaN
Al2O3
420um
衬底
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
外延基础
（a）衬底上成核（Buffer）
（b）形成的岛状颗粒在侧面快速生长
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。
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
• 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
红（Red） 橙（Orange） 黄（Yellow） 绿（Green） 青（Cyan） 蓝（Blue） 紫（Violet）
波长λ（nm)
780～630
代表波长
的周期性结构，称为量子阱。（如：InGaN/GaN/InGaN...）
GaN
MQW 异质外延
蓝宝石衬底
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
MOCVD简介
Veeco K465i
Veeco C4
Aixtron Crius ii
Create the Light, Light the World 3E Semiconductor
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
外延简介
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(Quantum Well)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子 波函数不发生交迭
2. 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（Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD）： 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。
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
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
GaN 简介
六方纤锌矿结构的GaN
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
典型LED外延结构
4. MQW
• 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。
个薄膜被称为外延层。
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
外延简介
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。
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、SiC
Create the Light, Light the World 3E Semiconductor
百度文库导体简介
N-tape
P-tape
Create the Light, Light the World
典型LED外延结构
1. Buffer
• 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。
• •
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
五、典型LED外延结构
2. uGaN
• • • 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。
• 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）
3E Semiconductor
半导体简介
导带底
价带顶
不同半导体材料的带隙宽度
GaN：3.4ev AlN: 6.2ev InN: 1.8ev
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目前发光二极管用的都是直接带隙材料
GaAs
Si
• 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。
MOCVD简介
MOCVD反应的基本原理
MOCVD 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。
•
•
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3E Semiconductor
典型LED外延结构
6. pGaN
p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。
Create the Light, Light the World
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3E Semiconductor
外延基础
p-GaN:Mg
Active Well : InGaN Barrier InGaN n-Clad N+-GaN:Si GaN Buffer
0.15um
30A 70A 1.8um 0.7um 4 um/250A
3E Semiconductor
Bake
HP-nGaN
LP-nGaN TB TW EB EW LB P-SLS P-GaN
LT-nGaN DB DW
P-InGaN
Buffer
外延基础
PSS衬底
PSS: Patterned Sapphire Substrate (图形化衬底)
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典型LED外延结构
3. nGaN
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。
GaN是宽禁带直接带隙半导体，禁带宽度约为3.4ev.
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
外延简介
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
（c）岛与岛之间开始进行合并 （d）最后形成平整结构 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。 Create the Light, Light the World 3E Semiconductor
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3E Semiconductor
MOCVD简介
表面反应原理
Ga(CH3)3 + NH3 = GaN +3CH4
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3E Semiconductor
MOCVD简介
工艺材料
700
630～600
600～570 570～500 500～470 470～420 420～380
620
580 550 500 450 420
• 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。
LED基础知识及外延工艺
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
纲 要
LED的发光原理 LED的特点 白光LED的实现 外延基础知识
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
• LED是“light emitting diode”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。
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)
• 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
LED简介
LED (Light Emitting Diode)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
典型LED外延结构
2. uGaN
• • 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。
p-GaN MQW
N--GaN:Si Sapphire c-plane U-GaN/Buffer
un-GaN
Al2O3
420um
衬底
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外延基础
（a）衬底上成核（Buffer）
（b）形成的岛状颗粒在侧面快速生长
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。
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
• 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
红（Red） 橙（Orange） 黄（Yellow） 绿（Green） 青（Cyan） 蓝（Blue） 紫（Violet）
波长λ（nm)
780～630
代表波长
的周期性结构，称为量子阱。（如：InGaN/GaN/InGaN...）
GaN
MQW 异质外延
蓝宝石衬底
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
MOCVD简介
Veeco K465i
Veeco C4
Aixtron Crius ii
Create the Light, Light the World 3E Semiconductor
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
外延简介
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(Quantum Well)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子 波函数不发生交迭
2. 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（Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD）： 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。
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
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
GaN 简介
六方纤锌矿结构的GaN
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3E Semiconductor
典型LED外延结构
4. MQW
• 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。
个薄膜被称为外延层。
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
外延简介
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。
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、SiC
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百度文库导体简介
N-tape
P-tape
Create the Light, Light the World
典型LED外延结构
1. Buffer
• 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。
• •
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
五、典型LED外延结构
2. uGaN
• • • 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。