半导体照明课件 10 第9章 InGaN 发光二极管

二、Ⅲ-N化合物半导体的基本性质
III族氮化物半导体包括GaN，AlN，InN以及由它们所 组成的三元系InGaN,AlGaN, AlInN 、四元系AlInGaN 。这 其中以GaN材料和器件研究为突破，带动了整个III族氮化 物材料和器件的研究发展。
特点：
宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（1.956.2eV)，可以覆盖黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围 ，
一、GaN基发光器件的发展
1993年，日亚公司的中村修二在氮化物研究方面不断取 得突破，始终保持领先地位。成功研制GaN基高亮度蓝色 LED，发光强度达到1 cd，并商品化。
1994年，他们又将发光亮度提高到2cd，并通过改变 In 组分实现了中心波长500nm的绿光发光管。
1998 年，日亚公司开发成功的InGaN （460nm）蓝光 LED, 涂覆YAG（Ce）荧光粉产生白光的技术加快了向白光 照明进军的进程
1) 目前，主要在Si(111)面上生长GaN，该面与GaN存在17 ％的晶格失配，而Al2O3与GaN的晶格差距仅为7％。 如此巨大的晶格失配使得Si上外延生长的GaN层容易引 入更多的位错。
2）GaN的热膨胀系数要比Si大56％。如此巨大的热失 配在GaN生长结束，降温的过程中，在CaN中引入 巨大的拉应力。与晶格失配效应 叠加后，Si上生长 GaN极易开裂；
闪锌矿结构(立方): F43m空间群，每个晶胞有八个原子。
二、Ⅲ-N化合物半导体的基本性质
GaN、AIN及InN三种材料的禁带宽度从1.9-6.2eV，理 论上由这三种化合物组合制成的器件发光波长涵盖了从 紫外光到红外光的波段范围。
二、Ⅲ-N化合物半导体的基本性质
由于InN材料极差的热稳定性，目前AlInGaN四元 系材料只能应用于紫外、紫光以及蓝绿光的制作。随 着器件的发光波长增大，AlInGaN LED制作难度加大， 且发光效率急剧下降。
此外，还首先研制成功GaN基蓝光半导体激光器。日亚 公司在发光器件领域取得的重大突破，使GaN半导体材料应 用获得成功。
三、GaN及其生长
早在1969年，Maruska利用化学气相淀积(Chemical Vapor phase Depodition)在蓝宝石衬底上开始了大面积 生长GaN的尝试，并得到了单晶外延膜。
1992年，在400ºC以上温度N2气氛下热退火获得了低 阻掺Mg p 型GaN。
三、GaN的生长
p 型GaN
在p 型GaN薄膜内，N2气氛下热退火能与受主反应，从 受主H中性络合物中移除H原子。
三、GaN的生长
GaN p-n结LED
基于以上的进展，GaN p-n结蓝色发光二极管终于 在1989年研制成功。
通常，GaN薄膜生长在（0001）晶向的蓝宝石衬底上， 在1000 ºC下采取金属有机物化学气相沉积方法（MOCVD） 生长。未掺杂GaN通常是 n 型导电性，施主主要是自身缺 陷或残留杂质，如氮空位或残留氧。
三、GaN的生长
未掺杂GaN的MOCVD生长 日亚公司的中村修二用新型的双气流法, 用GaN代替AlN缓 冲层获得了高质量的GaN薄膜。
1983年Yoshida等人首次采用二步生长法生长 GaN单晶，发现低温生长的AIN缓冲层可以提高外 延层的质量。
三、GaN的生长
究其原因，缓冲层的引入起到了如下的三个作用:
1．缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心。 2．缓冲层释放了GaN和衬底之间的晶格失配产生的应
力以及热膨胀系数失配所产生的热应力。 3．缓冲层为一步的生长提供了平整的成核表面，减少
GaN 缓冲层生长 温度为500 ºC， 20nm； GaN薄膜生长温度 为1000ºC，4um
图9-2 用于GaN生长的新型的双流MOCVD反应器。
三、GaN的生长
未掺杂GaN的MOCVD生长 描述GaN的沉积过程的MOCVD基本反应方程式可
以表达为：
这个反应方程式并没有考虑到极其复杂的中间反应过程， 可能涉及的几种反应：。
3）作为衬底的Si易与NH3，以及Ga源起反应，并且Ga 与Si的反应导致表面回融。
三、硅衬底GaN蓝光LED
面对如此巨大的机遇和挑战，研究人员对Si衬底 上生长CaN材料进行了大量的研究。
通过在Si衬底与GaN外延层之间插入多层缓冲层结 构以缓解它们之间的应力等，1998年，IBM公司首先报 道了利用MBE方法在Si衬底上生长了紫外和近紫外GaN LED；2003年，Dadgar等人将20mA下的Si衬底GaN基 LED光功率提高至0.42mW。
闪锌矿型结构只有生长在与之具有拓扑学亲和性的衬底 上，才可以被稳定下来，如生长在(001)GaAs、(001)3CSiC、(001)MgO和(001)Si等衬底上，则可获得闪锌矿 GaN。
二、Ⅲ-N化合物半导体的基本性质
纤锌矿结构(六方):具有两个轴a、c;c/a=1.633, 属于P63mc空间群
四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题
1. 衬底
用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较
衬底材料
Al2O3
SiC
晶格失配度 差
中
界面特性
良
良
化学稳定性
优
优
导热性能
差
优
热失配度
差
中
。导电性
差
优
光学性能
优
优
机械性能
差
差
价格
中
高
尺寸
中
中
Si
ZnO
GaN
差
良
优
良
良
优
良
差
优
优
优
优
Leabharlann Baidu
差
差
优
优
优
优
差
优
优
优
良
中
低
高
2) A12O3和SiC衬底尺寸普遍为2英寸，但是12英寸的Si衬 底在电子产业中已及广泛的应用。显然，采用大尺寸 的Si衬底进行生产能够显著降低LED的生产成本；
3) Si具有良好的导电和导热性能，这为发光器件与其 它 相关光电器件的集成提供了可能。
三、硅衬底GaN蓝光LED
但是，与其优点相比，Si衬底上生长GaN材料同 样面临巨大的挑战。
1971年，Pankove 报道了掺Zn 的MIS结构GaN发光管， 这是最早的氮化物发光器件。发光中心为Zn杂质，工作电 压60-100V，发光波长480nm。此时，GaN基蓝光发光管 亮度为70mcd，已经远大于当时SiC基蓝光发光管(12mcd) 和ZnSe基蓝光发光管(10mcd)。
1991年，Akasaki(赤崎勇) 实现P型掺杂，第一次制成 同质PN结构的氮化物蓝光发光管。此后，日亚公司的 Nakamura等人，再深入研究p型掺杂后，采用退火的方法 也实现了p型掺杂，很快也制作出了掺镁同质蓝光发光管。
有研究人员通过HVPE方法在其他衬底(如Al2O3、SiC) 上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚 膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样 获。得的氮化镓厚膜优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化 镓薄膜的位错密度，比在Al2O3 、SiC上外延的氮化镓薄膜的 位错密度要明显低；但价格昂贵。因而GaN厚膜作为半导体 照明的衬底之用受到限制。
其成核生长的接触角，使岛状生长的GaN晶粒在较 小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长。现 在，二步生长法几乎成了GaN材料制备的标准工艺。
三、GaN的生长
之后Amano等人，对此法做了仔细的研究以及完善工 作，改进了AIN缓冲层，使外延层的质量又有大幅度提高， 完成了具有里程碑意义的工作。
未掺杂GaN的MOCVD生长
高
大
中
小
四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题
1. 衬底
GaN 衬底
用于GaN 生长的最理想的衬底自然是GaN单晶材料，这 样可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器 件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是 ，制备GaN体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有 效的办法。
电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好
耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）
二、Ⅲ-N化合物半导体的基本性质
AI、Ga、In与N形成的三族氮化合物，其主要价键 是共价键。即每个原子形成四面体键，由于两种原子的 电负性相差较大，共价键带有很强的离子性，因此材料 的各自的相结构稳定。
GaN、InN、AlN可以结晶为三种晶体结构：纤锌矿 (六方相)、闪锌矿(立方相)和岩盐(NaCI结构)结构。
第九章 InGaN 发光二极管
近年来，以SiC、II-VI族ZnSe、Ⅲ族氮化物 (GaN)为代表的宽禁带半导体材料的迅速发展。
高亮度蓝色发光管(LED)(InGaN/GaN) 的技术突破，填补了LED三基色中蓝色的空白，白 光LED应运而生。引发了人类照明领域的又一次革 命一“半导体照明”。
一、GaN基发光器件的发展
三、GaN的生长
n 型GaN 对Ⅲ-Ⅴ半导体的n型掺杂一般使用SiH4, GaN也不
例外，且易于控制。
三、GaN的生长
p 型GaN
GaN在很长时间内没能实现p 型掺杂，这阻碍了蓝色 LED和LD的研制。
1989年， p 型GaN薄膜首次用低能电子辐照掺Mg得 到。但空穴浓度（1017cm-3）和最低电阻率(12 Ω.cm)仍 满足不了LED和LD器件的需要。
2005年，南昌大学采用A1N缓冲层及富Ga的高温 GaN缓冲层相结合能得到无裂纹的LED外延片;随着近 。几年的发展，晶能光电(江西)有限公司已经率先实现 了Si衬底CaN基LED的产业化。
四、提高质量和降低成本的几个 重要的技术问题
1. 衬底 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。
四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题
1. 衬底
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, 大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。
但是在上世纪八十年代以前，氮化物材料的质量提高 很慢，无法满足器件的要求。当时面临的主要问题有：
(1) 没有合适的衬底：
(2) 外延层有高的本底载流子浓度：在早期的GaN 外延层中，本底电子浓度一般都在1019cm-3以上， 降低背景载流子浓度和制备p型GaN就成为两大 难题。
三、GaN的生长
随着MOCVD和MBE技术的发展，特别是二步 生长法的出现，GaN材料的质量得到明显提高。
在自然条件下，热动力学稳定的结构是六方结构，只 有在极端高压下才转变为盐岩结构，而立方结构为亚 稳相。
二、Ⅲ-N化合物半导体的基本性质
AlN、GaN、InN可以结晶为三种晶体结构：纤锌矿(六 方相)、闪锌矿(立方相)和岩盐(NaCI结构)结构。
当GaN生长在(0001)A12O3、(111)Si、(111)GaAs、 (0001)6H-SiC、(0001)ZnO等衬底上时，通常是纤锌矿。
四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题
1. 衬底 GaN衬底生产技术和设备
从高压熔体中得到了单晶GaN体材料，但尺寸很小，无 法使用，目前主要是在蓝宝石、硅、碳化硅衬底上生长。
虽然在蓝宝石衬底上可以生产出中低档GaN发光二极 管产品，但高档产品只能在GaN衬底上生产。目前只有日 本几家公司能够提供GaN衬底，价格奇贵，一片2英寸衬底 价格约1万美元，这些衬底全部由HVPE（氢化物气相外延 ）生产。
三、GaN及其生长
氮化镓(GaN)属于宽禁带半导体材料，由于受到缺乏合 适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰，发展一直较 为缓慢。
1991年，日本日亚化工公司(Nichia )研制成功以蓝宝石 为衬底的GaN基蓝光发光二级管(LED)之后，实现GaN基蓝 光LED的商品化。该公司再利用GaN基蓝光LED和荧光粉技 术，开发出白光LED产品。
四、InGaN的生长
未掺InGaN
三、硅衬底GaN蓝光LED
目前, 商业化GaN基LED广泛使用蓝宝石（Al2O3） 衬底或者SiC衬底，这是因为它们与GaN的晶格失配和 热膨胀系数失配较小。但采用Si作为GaN的生长衬底 具有以下几个优势：
1) 相比于衬底A12O3 ，或者SiC，Si具有相当明显的价格 优势，低廉的价格使其更适合用于商业化生产；