外延简介

发光效率，可降低成本，降低包装及电路的控制难度；但技术难度相对较大;
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能态密度g(E)
原子中电子分布在一系列离散的能级上，可以具体表明每个能级的能量，说 明它们的分布情况。固体中，电子能级异常密集，形成准连续分布，具体表明每 个能级是没有意义的。因此引入“能态密度”的概念。能态密度定义为单位能量 间隔内的状态数，用N(E)表示。考虑能量在E∼E+dE之间的状态数为ΔZ，
掺杂。
那LED如何发光？发光原理是什么？ PN结电子空穴对复合发光；形成PN结——电子、空穴注入——复合发光 激光是怎么发光的？
目前PN结是怎么实现的？LED 核心为Chip！Chip又是怎样出来的？
二、外延片
外延是半导体工艺当中的一种，在衬底上生长一层对应材料（例 如单晶硅、GaN等），这层材料称为外延层；
化学气相淀积种类很多，主要有： 1.常压CVD（APCVD）
2.低压CVD（LPCVD）
3.超低压CVD（VLPCVD） 4.等离子体增强型CVD（PECVD） 5.激光增强型CVD（LECVD） 6.金属氧化物CVD（MOCVD）
目前大部分LED外延采用MOCVD（乾照、三 安等）
7.其他还有电子自旋共振CVD（ECRCVD）等方法
约为300nm 约为200nm
约为300nm
约4000nm Buffer 大约30nm
衬底
Al原子相对较小，当其取代Ga原子时，将使外延的晶格常数变小，从而使禁带宽 度变宽。因此，Al-GaN层是一个载流子阻挡层，将在载流子注入时在二维方向上起 到载流子扩散的作用。因而，适当生长Al-GaN可以有效提高芯片的亮度。但是过分 掺Al会使载流子注入变难，导致电性发生异常。 此外，在pGaN插入AlGaN层可以起到释放应力，抑制位错，提高外延结晶质量的
缺点：2.机械性能差不易切割 解决方案： 激光划片。 缺点：3.导电性能差 解决方案：P、N电极同侧。
蓝绿光LED外延
• • 首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。 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。 • 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。
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。
MQW （barrier+well)
GaN/InGaN n-GaN u-GaN 衬底
约为300nm
约4000nm
Buffer 大约30nm
•
生长一层P型AlXGa1-XN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。
外延简介
一、LED
LED（Light Emitting Diode），全称：发光二极管，是一种能将电 能转化为光能的半导体电子元件。
什么是半导体？
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种 材料的导电能力越弱。下表给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范
围。
物体 电阻率 Ω·CM
外延技术发展趋势
• ――改进两步法生长工艺
目前商业化生产采用的是两步生长工艺，但一次可装入衬底数有限，6片机
比较成熟，20片左右的机台还在成熟中，片数较多后导致外延片均匀性不够。发 展趋势是两个方向：一是开发可一次在反应室中装入更多个衬底外延生长，更加
适合于规模化生产的技术，以降低成本；另外一个方向是高度自动化的可重复性
P-GaN
N-GaN 衬底
红黄光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)为主， 主要采用GaP和GaAs作为衬底。
蓝绿光LED，目前最多的为GaN为主，主要以蓝宝石（Al2O3）和碳
化硅（SiC）为衬底。
目前衬底有许多材料：
衬底材料 晶格失配度 Al2O3 差 SiC 中 Si 差 ZnO 良 GaN 优
导体
<10e-4
半导体
10e-3~10e9
绝缘体
>10e9
单晶 晶体
在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱 地排列在一起的固体称为多晶。
多晶
固体：
固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则 排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原 子规则排列所组成的物质。
缺点：1.与GaN晶格失配；
晶格失配：由于两种物质的晶格常数不同，会在两 种物质接触面附件产生应力，进而产生晶体缺陷— 失配位错
解决方案： 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（500T）、低温条件下通入TMG，在衬底表面快速沉积一层 缓冲层（ GaN和AIN ）。
的单片设备。 • ――氢化物汽相外延(HVPE)技术 人们最早就是采用了这种生长技术制备出了GaN单晶薄膜，采用这种技术可 以快速生长出低位错密度的厚膜，可以用做采用其它方法进行同质外延生长的衬 底。并且和衬底分离的GaN薄膜有可能成为体单晶GaN晶片的替代品。HVPE的缺 点是很难精确控制膜厚，反应气体对设备具有腐蚀性，影响GaN材料纯度的进一 步提高。
MOCVD的优点
• 用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反应室中， 可以通过控制各种气体的流量来控制外延层的组分，导电类型，载流子 浓度，厚度等特性。 • 因有抽气装置，反应室中气体流速快，对于异质外延时，反应气体切换 很快，可以得到陡峭的界面。 • 外延发生在加热的衬底的表面上，通过监控衬底的温度可以控制反应过 程。 • 在一定条件下，外延层的生长速度与金属有机源的供应量成正比。
MOCVD设备
公司名称 1 Thomas Swam 品牌 CRIUS CCS AIX Ganzilla TurvoDisc 规格 30×2in 3×2in 12×4in 49×2in 7×6in
2
AIXTRON
3
Veeco
目前我们采用的是美国维易科（Veeco）仪器公司的MOCVD机台，其中包括新的机型 Max Bright M
则N(E) 定义为：
求能态密度的一般方法
已知能谱E(k)，在k空间中根据E(k)等于常数做出等能面。则能量为E和E+ΔE对应的
呈现正弦曲线震荡。
n-GaN u-GaN 衬底
约4000nm
Buffer 大约30nm
• •
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
n-GaN u-GaN 衬底
约4000nm
Buffer 大约30nm
•
即U1层，形成结晶质量较高的晶核，并以之 为中心形成岛装生长。------ Roughing
•
首先在停止通入TMG的情况下升至高温 （1000℃以上），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
维易科MOCVD机台
Байду номын сангаас
江苏光电信息材料实验室产
Thomas Swam的MOCVD机台
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。
反应设备
采用卧室的反应器 由石英反应腔，石墨基座，高频感应加热系统等
由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程 中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另
外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。
Al2O3衬底
目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3 其优点是化学稳定 性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;
• •
生长一层P型GaN，为active layer(有源区)提供辐射复合空穴。 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）。
P-GaN AlGaN
MQW （barrier+well) GaN/InGaN n-GaN u-GaN
――选择性外延生长或侧向外延生长技术
采用这种技术可以进一步减少位错密度，改善GaN外延层的晶体质量。
――悬空外延技术(Pendeo-epitaxy) 采用这种方法可以大大减少由于衬底和外延片层之间晶格失配和热失配引 发的外延片层中大量的晶格缺陷，从而进一步提高GaN外延片层的晶体品质。 ――多量子阱型芯片技术 多量子阱型是在芯片发光层的生长过程中，掺杂不同的杂质以制造结构不 同的量子阱，通过不同量子阱发出的多种光子复合直接发出白光。该方法提高
价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价 带可能是满带，也可能是电子未填满的能带）
禁带：在导带与夹带之间，电子无法存在的能带，称为 禁带。
•
载流子：电子、空穴
掺杂： 施主掺杂-N型半导体 受主掺杂-P型半导体

对GaN晶体而言，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(二茂镁), 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
界面特性 化学稳定性
导热性能 热失配度 导电性 光学性能 机械性能 价格 尺寸
良 优
差 差 差 优 差 中 中
良 优
优 中 优 优 差 高 中
良 良
优 差 优 差 优 低 大
良 差
优 差 优 优 良 高 中
优 优
优 优 优 优 中 高 小
硅气相外延
利用硅的气态化合物，经过化学反应在硅的表面生长一层单晶硅， SiCl4＋2H2＝Si＋4HCl。
作用。
P-GaN AlGaN
MQW （barrier+well) GaN/InGaN n-GaN u-GaN
约为300nm 约为200nm
约为300nm
约4000nm Buffer 大约30nm
衬底
三、外延工艺
CVD：化学气相淀积（Chemical Vapor Deposition），是反应物以气态 到达加热的衬底表面发生化学反应，形成固态薄膜和气态产物。
非晶体
闪锌矿结构
•
能级、能带————禁带、导带、价带
能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数N决定， 每一确定能量值称为一个能级。能态密度 能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能 量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成 大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子 能量状态可用能带描述） 导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下， 将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。
底本身的反射率水平。
• 保持高温高压，通入TMG，使晶核以较高的 结晶质量按岛装生长。此时反射率将降至0附 近。 • 以上为3D生长过程。
n-GaN u-GaN 衬底
约4000nm
Buffer 大约30nm
•
即u2层，此时使外延从3D生长向2D生长
转变。------ Recovery
• 略微提高温度，降低气压（200T），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
长速率。
n-GaN u-GaN 衬底
约4000nm
Buffer 大约30nm
•
生长一套active layer(MQW),其成分是InXGa1-XN/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