MOCVD和LED基础知识介绍

MOCVD设备和外延生长
2007．01
外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在。

气相外延（VPE），液相外延（LPE），分子束外延（MBE）和金属有机化合物气相外延（MOCVD）都是常用的外延技术。

当前，MOCVD工艺已成为制造绝大多数光电子材料的基本技术。

（气相外延-在含有外延生长所需原子的化合物的气相环境中，通过一定方法获取外延生长所需原子，使其按规定要求排列而生成外延层的外延生长过程。

（V apor P hase E pitaxy）液相外延-衬底片的待生长面浸入外延生长的液体环境中生长外延层的外延生长过程。

(L iquid P hase E pitaxy)
分子束外延-在高真空中，外延生长所需原子（无中间化学反应过程）由源直接转移到待生长表面上，按规定要求排列生成外延层的外延生长过程。

(M olecular B eam E pitaxy）
MOCVD（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）设备作为化合物半导体材料研究和生产的手段，特别是作为工业化生产的设备，它的高质量、稳定性、重复性及规模化是其它的半导体材料生长设备无法替代的。

它是当今世界上生产半导体光电器件和微波器件材料的主要手段，如激光器、探测器、发光二极管、高效太阳能电池、光电阴极等，是光电子等产业不可缺少的设备。

但我国至今没有生产该设备的专业厂家，各单位都是花费大量外汇从国外购买，使用过程中的维护和零配件的采购都存在很多的不便，且价格昂贵。

全球最大的MOCVD 设备制造商AIXTRON, 美国Veeco 公司.
一，MOCVD设备
1.发展史：国际上起源于80年代初，我国在80年代中（85年）。

国际上发展特点：专业化分工，我国发展特点：小而全，小作坊式。

技术条件：a.MO源：难合成，操作困难。

b.设备控制精度：流量及压力控制
c.反应室设计：Vecco:高速旋转
Aixtron:气浮式旋转
Tomax Swan :CCS系统（结合前两种设备特点）
Nichia:双流式
2.MOCVD组成
MO源即高纯金属有机化合物是先进的金属有机化学气相沉积（简称MOCVD）、金属有机分子束外延（简称MOMBE）等技术生长半导体微结构材料的支撑材料。

由于MO源产品要求纯度极高，而绝大多数
MO源化合物对氧气、水汽极其敏感，遇空气可发生自燃，遇水可发生爆炸，且毒性大，所以MO源的研制是集极端条件下的合成制备、超纯纯化、超纯分析、超纯灌装等于一体的高新技术。

纯度在99.999－99.9999
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）
载气为纯度很高（99.999999%）的氢气和氮气。

特气：高纯度（99.9999%）的AsH3(砷烷，液态)PH3（磷烷，液态）Si2H6（乙硅烷，气态）（前三种为红
黄光生产使用）NH3（氨气，液态）SiH4（硅烷，气态）（后两种为蓝绿光生产使用）
气控单元：主要由MFC（流量计）、PC（压力计）和一些管道组成，用于气体的控制和输送。

气体处理系统的功能是向反应室输送各种反应剂，并精确控制其浓度、送入的时间和顺序以及流过反应室的总气体流速等，以便生长特定成分与结构的外延层.
控制单元：根据PC机输入的生长程序，对工艺进行控制。

反应室：a.按压力分可分为常压反应室（如Nichia公司的设备）和低压反应室（如Veeco和Aixtron公司的设备）。

两者区别：气体流速。

低压反应室优点：气体切换快，停滞层薄，预反应小，界面转换快。

B.按形状分：水平式（Aixtron）、立式（Vecco和Tomax Swan）、桶式（常用于Si外延）和双流式（Nichia）。

衬底：红黄光生长用GaAs(砷化镓)，蓝绿光生长用Al2O3(蓝宝石)（最通用）、SiC（Cree）和GaAs(砷化镓)、Si(硅)（后两种仍处于实验室阶段）等。

尾气处理器：主要用于生长后的废气处理，使其达到无污染排放。

红黄光生长产生尾气用化学尾气处理器处理，蓝绿光生长产生的尾气用湿法尾气处理器处理。

二，LED的MOCVD外延生长
概念：外延-在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上；在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度。

晶格完美的新单晶层的过程。

外延片生长工艺
LED GaN外延片是一个由多个区域组成的复杂结构。

为使该结构具有很高的电光转换效率，首先应该获得性能优良的单层外延材料，然后再实现完美的结构组合。

高质量外延片生长技术的最终掌握必然立足于在自己设备上大量反复的单项实验，真正掌握并理解各外延层组分、掺杂和厚度的特性参数，以及由这些参数表征的外延层质量。

外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的蓝宝石（Al2O3）衬底基片上，气态物质Ga, N, In,Al, Mg有控制地输送到蓝宝石（Al2O3）衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电学和光学参数的半导体薄膜外延材料。

III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、Cp2Mg、NH3与N2。

通过掺Si或掺Mg，Al生长N型与P型薄膜材料。

为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速度和生长温度的优化与匹配至关重要。

细致调节生长腔体内的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提高了外延材料光电性能的一致性。

同时针对不同的界面要求，在工艺中分别采用了生长中止或连续的工艺条件取得了良好的效果。

* 市场上的蓝光及紫光LED都是采用GaN基材料生产出来的。

GaN是极稳定的化合物和坚硬的高熔点材料。

1.基本反应：
红黄光：TMGa+AsH3 GaAs+CH4
TMGa+PH3 GaP+CH4
蓝绿光：TMGa+ NH3 GaN+CH4
反应特点：a.远离化学平衡：Ⅴ/Ⅲ>>1
b.晶体生长速率主要由Ⅲ族元素决定
2.外延层结构及生长过程
（1）红黄光LED
a.首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。

b.生长一层GaAs buffer（缓冲层），其晶格质量较衬底好，可除衬底影响，但不能消除位错。

c.生长一套DBR（分布布拉格反射器）。

它是利用GaAs和AlAs反射率不同，可达到增反射效果，
提高反射率。

每层厚度：d=λ/4n（d：厚度，λ：波长，n：材料折射率），这一层相当于镜子的作用，减少衬底的吸收。

d.生长一层N型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，为active layer(有源区)提供辐射复合电子。

e.Actrive layer（有源层），其成分是(Al x Ga1-x)0.5In0.5P /(Al y Ga1-y)0.5In0.5P，是主要的发光层，光强和
波长主要由此层决定。

它通过调节MQW（多量子阱）中的Al(铝)的组分，达到调节波长的作用，通过优化此层的参数（如：阱的个数，材料组分，量子阱周期厚度），可明显提高发光效率。

f.生长一层P型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，此层因Al组分很高，对载流子起到限制的作用，可明显提高
发光效率。

g.生长一层P型GaP层，此层为电流扩展层，扩展层越厚，电流扩展得越好，亮度越高。

（但有一
个成本问题）
（2）蓝绿光LED
a.首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。

b.因Al2O3与GaN失配非常大（达到13.6%），因此必须在低温下生长一层buffer(缓冲层)约
20~30nm，若此层生长有问题，将极大影响上层晶格质量。

c.生长一层约4μm厚的N型GaN,此层主要为active layer（有源层），提供辐射复合电子。

h.生长一套active layer(MQW),其成分是In X Ga1-X N/GaN，是主要的发光层，光强和波长主要由此层
决定。

它通过调节MQW（多量子阱）中的In(铟)的组分，达到调节波长的作用，通过优化此层的参数（如：阱的个数，材料组分，量子阱周期厚度及掺杂浓度），可明显提高发光效率，其晶格质量对ESD有很大的影响。

i.生长一层P型Al X Ga1-X N层,因此层Al组分较高，对载流子起到限制的作用，可明显提高发光效
率。

d.生长一层P型GaN，为active layer(有源区)提供辐射复合电子。

红黄光和蓝绿光外延生长完后均须退火，以活化P层，红黄光是在反应室内退火，而蓝绿光是在退火炉内退火（也有公司在反应室内退火）。

外延生长以提高内量子效率为主，芯片及封装工艺提高的是外量子效率。

ηin=产生光子数/注入电子空穴对ηin:内量子效率
ηex=取出光子数/注入电子空穴对ηex：外量子效率
3.测试
外延工艺测试主要有：显微镜观察，PL（光致发光），X－ray，E－CV（电化学）和EL（电致发光）。

4.发展方向
GaAs:提高外量子效率，如：加厚P-GaP，采用表面粗化技术（粗化P型层），采用bonding 技术（bonding 金属）。

GaN：提高内量子效率，如：采用ELOG（横向外延过生长）技术，减少外延缺陷，提高晶格质量，优化MQW（多量子阱）的生长质量，达到提高光强目的，改变器件结构，提高光强和光电性能（如：在P层采用AlGaN/GaN superlatic结构）；提高外量子效率，如：采用表面粗化技术（粗化P型层或粗化N型层或粗化衬底表面），采用ITO技术；增大芯片面积，加大注入电流（即flip-chip）。

LED基础知识介绍
LED 是取自Light Emitting Diode 三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性.
★LED的结构及发光原理
50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。

LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极
管叫发光二极管，通称LED。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

★LED光源的特点
1.电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

2.效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
3.适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
4.稳定性：10万小时，光衰为初始的50%
5. 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级
6. 对环境污染：无有害金属汞
7.颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。

如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色
8.价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成
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应用一：显示屏是LED主要应用市场
应用二：小尺寸背光源市场放缓，中大尺寸将成为新关注点。

应用三：汽车车灯市场潜力大，但短期内市场很难启动。

应用四：室内装饰灯市场逐步启动，交通灯市场进入平稳增长期。

应用五：景观照明市场快速发展，2007年市场增速达到高峰。

应用六：通用照明市场路漫漫，任重而道远。