LED芯片MOCVD外延生長(zhǎng)專業(yè)課件

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,襯底材料的選擇,襯底材料是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石不同的襯底材料，需要不同的外延生長(zhǎng)技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線襯底材料的選擇主要取決于以下九個(gè)方面,：,1結(jié)構(gòu)特性好，外延材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)晶性能好、缺陷密度??；,2界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強(qiáng)；,3化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕；,4熱學(xué)性能好，包括導(dǎo)熱性好和熱失配度??；,5導(dǎo)電性好，能制成上下結(jié)構(gòu)；,6光學(xué)性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小；,7機(jī)械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等；,8價(jià)格低廉；,9大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋用于氮化鎵生長(zhǎng)的襯底材料性能優(yōu)劣比較,氮化鎵襯底,用于氮化鎵生長(zhǎng)的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯(cuò)密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度可是，制備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法有研究人員通過HVPE方法在其他襯底(如Al,2,O,3,、SiC)上生長(zhǎng)氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。

這樣獲得的氮化鎵厚膜優(yōu)點(diǎn)非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯(cuò)密度，比在Al,2,O,3,、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯(cuò)密度要明顯低；但價(jià)格昂貴因而氮化鎵厚膜作為半導(dǎo)體照明的襯底之用受到限制氮化鎵襯底生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備,從高壓熔體中得到了單晶氮化鎵體材料，但尺寸很小，無法使用，目前主要是在藍(lán)寶石、硅、碳化硅襯底上生長(zhǎng)雖然在藍(lán)寶石襯底上可以生產(chǎn)出中低檔氮化鎵發(fā)光二極管產(chǎn)品，但高檔產(chǎn)品只能在氮化鎵襯底上生產(chǎn)目前只有日本幾家公司能夠提供氮化鎵襯底，價(jià)格奇貴，一片2英寸襯底價(jià)格約1萬美元，這些襯底全部由HVPE（氫化物氣相外延）生產(chǎn)HVPE是二十世紀(jì)六七十年代的技術(shù)，由于它生長(zhǎng)速率很快（一分鐘一微米以上），不能生長(zhǎng)量子阱、超晶格等結(jié)構(gòu)材料，在八十年代被MOCVD、MBE（分子束外延）等技術(shù)淘汰然而，恰是由于它生長(zhǎng)速率快，可以生長(zhǎng)氮化鎵襯底，這種技術(shù)又在“死灰復(fù)燃”并受到重視可以斷定，氮化鎵襯底肯定會(huì)繼續(xù)發(fā)展并形成產(chǎn)業(yè)化，HVPE技術(shù)必然會(huì)重新受到重視與高溫提拉法相比，HVPE方法更有望生產(chǎn)出可實(shí)用化的氮化鎵襯底不過國(guó)際上目前還沒有商品化的設(shè)備出售目前國(guó)內(nèi)外研究氮化鎵襯底是用MOCVD和HVPE兩臺(tái)設(shè)備分開進(jìn)行的。

即先用MOCVD生長(zhǎng)0.11微米的結(jié)晶層，再用HVPE生長(zhǎng)約300微米的氮化鎵襯底層，最后將原襯底剝離、拋光等由于生長(zhǎng)一個(gè)襯底需要在兩個(gè)生長(zhǎng)室中分兩次生長(zhǎng)，需要降溫、生長(zhǎng)停頓、取出等過程，這樣不可避免地會(huì)出現(xiàn)以下問題：樣品表面粘污；生長(zhǎng)停頓、降溫造成表面再構(gòu)，影響下次生長(zhǎng)Al,2,O,3,襯底,目前用于氮化鎵生長(zhǎng)的最普遍的襯底是Al,2,O,3,，其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對(duì)成熟；不足方面雖然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被過渡層生長(zhǎng)技術(shù)所克服，導(dǎo)電性能差通過同側(cè)P、N電極所克服，機(jī)械性能差不易切割通過激光劃片所克服，很大的熱失配對(duì)外延層形成壓應(yīng)力因而不會(huì)龜裂但是，差的導(dǎo)熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出國(guó)內(nèi)外Al,2,O,3,襯底今后的研發(fā)任務(wù)是生長(zhǎng)大直徑的Al,2,O,3,單晶，向4-6英吋方向發(fā)展，以及降低雜質(zhì)污染和提高表面拋光質(zhì)量SiC襯底,除了Al,2,O,3,襯底外，目前用于氮化鎵生長(zhǎng)襯底就是SiC，它在市場(chǎng)上的占有率位居第二，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)它有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價(jià)格太高、晶體質(zhì)量難以達(dá)到Al,2,O,3,和Si那么好、機(jī)械加工性能比較差。

另外，SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380 nm以下的紫外LED由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，不需要象Al,2,O,3,襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問題，而是采用上下電極結(jié)構(gòu)，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題，故在發(fā)展中的半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位目前國(guó)際上能提供商用的高質(zhì)量的SiC襯底的廠家只有美國(guó)CREE公司國(guó)內(nèi)外SiC襯底今后研發(fā)的任務(wù)是大幅度降低制造成本和提高晶體結(jié)晶質(zhì)量Si襯底,在硅襯底上制備發(fā)光二極管是本領(lǐng)域里夢(mèng)寐以求的一件事情，因?yàn)橐坏┘夹g(shù)獲得突破，外延生長(zhǎng)成本和器件加工成本將大幅度下降Si片作為GaN材料的襯底有許多優(yōu)點(diǎn)，如晶體質(zhì)量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等然而，由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長(zhǎng)過程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級(jí)質(zhì)量的GaN材料另外，由于硅襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)重，LED出光效率低目前國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的硅襯底上藍(lán)光LED光功率最好水平是420mW，是德國(guó)Magdeburg大學(xué)研制的。

日本Nagoya技術(shù)研究所今年在上海國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇上報(bào)道的硅襯底上藍(lán)光LED光輸出功率為18 mWSi襯底上生產(chǎn)GaN外延,外延,襯底,ZnO襯底,之所以ZnO作為GaN外延的候選襯底，是因?yàn)樗麄儍烧呔哂蟹浅ｓ@人的相似之處兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢(shì)壘?。┑?，ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點(diǎn)是在GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕目前，ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達(dá)不到器件水平和P型摻雜問題沒有真正解決，適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的設(shè)備尚未研制成功研發(fā)的重點(diǎn)是尋找合適的生長(zhǎng)方法但是，ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材料ZnO的禁帶寬度為3.37 eV，屬直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，它在380 nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲?，是高效紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體激光器的候選材料這是因?yàn)?，ZnO的激子束縛能高達(dá)60 meV，比其他半導(dǎo)體材料高得多（GaN為26 meV），因而具有比其他材料更高的發(fā)光效率另外ZnO材料的生長(zhǎng)非常安全，可以采用沒有任何毒性的水為氧源，用有機(jī)金屬鋅為鋅源。

因而，今后ZnO材料的生產(chǎn)是真正意義上的綠色生產(chǎn)，原材料鋅和水資源豐富、價(jià)格便宜，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展外延工藝,由LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事實(shí)上，LED的波長(zhǎng)、亮度、正向電壓等主要光電參數(shù)基本上取決于外延材料發(fā)光二極管對(duì)外延片的技術(shù)主要有以下四條：,禁帶寬度適合可獲得電導(dǎo)率高的P型和N型材料可獲得完整性好的優(yōu)質(zhì)晶體發(fā)光復(fù)合幾率大外延技術(shù)與設(shè)備是外延片制造技術(shù)的關(guān)鍵所在，金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，簡(jiǎn)稱MOCVD)技術(shù)生長(zhǎng)III-V族，II-VI族化合物及合金的薄層單晶的主要方法II、III族金屬有機(jī)化合物通常為甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3等，它們大多數(shù)是高蒸汽壓的液體或固體用氫氣或氮?dú)庾鳛檩d氣，通入液體中攜帶出蒸汽，與V族的氫化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反應(yīng)室，在加熱的襯底表面發(fā)生反應(yīng)，外延生長(zhǎng)化合物晶體薄膜CVD,CVD是反應(yīng)物以氣態(tài)到達(dá)加熱的襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成固態(tài)薄膜和氣態(tài)產(chǎn)物。

利用化學(xué)氣相淀積可以制備，從金屬薄膜也可以制備無機(jī)薄膜化學(xué)氣相淀積種類很多，主要有：常壓CVD（APCVD），低壓CVD（LPCVD）、超低壓CVD（VLPCVD）、等離子體增強(qiáng)型CVD（PECVD）、激光增強(qiáng)型CVD（LECVD），金屬氧化物CVD（MOCVD），其他還有電子自旋共振CVD（ECRCVD）等方法,按著淀積過程中發(fā)生化學(xué)的種類不同可以分為熱解法、氧化法、還原法、水解法、混合反應(yīng)等CVD的優(yōu)缺點(diǎn),CVD制備的薄膜最大的特點(diǎn)是致密性好、高效率、良好的臺(tái)階覆、孔蓋能力、可以實(shí)現(xiàn)厚膜淀積、以及相對(duì)的低成本；,缺點(diǎn)是淀積過程容易對(duì)薄膜表面形成污染、對(duì)環(huán)境的污染等,常壓CVD（APCVD）的特點(diǎn)是不需要很好的真空度、淀積速度非常快、反應(yīng)受溫度影響不大，淀積速度主要受反應(yīng)氣體的輸運(yùn)速度的影響LPCVD的特點(diǎn)是其良好的擴(kuò)散性（宏觀表現(xiàn)為臺(tái)階覆蓋能力），反應(yīng)速度主要受淀積溫度的影響比較大，另外溫度梯度對(duì)淀積的薄膜性能（晶粒大小、應(yīng)力等）有很大的影響PECVD最大的特點(diǎn)是反應(yīng)溫度低（200400）和良好的臺(tái)階覆蓋能力，可以應(yīng)用在AL等低熔點(diǎn)金屬薄膜上淀積，主要缺點(diǎn)是淀積過程引入的粘污；溫度、射頻、壓力等都是影響PECVD工藝的重要因素。

MOCVD的主要優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)溫度低，廣泛應(yīng)用在化合物半導(dǎo)體制備上，特別是高亮LED的制備上CVD外延的生長(zhǎng)過程,1、參加反應(yīng)的氣體混合物被運(yùn)輸?shù)匠练e區(qū)；,2、反應(yīng)物分子由主氣流擴(kuò)散到襯底表面；,3、反應(yīng)物分子吸附在襯底表面上；,4、吸附物分子間或吸附物分子與氣體分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成外延成分及反應(yīng)副產(chǎn)物，外延粒子沿襯底表面遷移并結(jié)合進(jìn)入晶格點(diǎn)陣；,5、反應(yīng)副產(chǎn)物由襯底表面外擴(kuò)散到主氣流中，然后排出沉積區(qū)CVD外延生長(zhǎng)過程示意圖,立式鐘罩型常壓CVD,臥式高頻感應(yīng)加熱常壓CVD,臥式電阻加熱低壓CVD,臥式等離子增強(qiáng)低壓CVD,立式平板型等離子增強(qiáng)CVD,桶式CVD,MOCVD,金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，簡(jiǎn)稱MOCVD）自20世紀(jì)60年代首次提出以來，經(jīng)過70年代至80年代的發(fā)展，90年代已經(jīng)成為砷化鎵、磷化銦等光電子材料外延片制備的核心生長(zhǎng)技術(shù)，特別是制備氮化鎵發(fā)光二極管和激光器外延片的主流方法到目前為止，從生長(zhǎng)的氮化鎵外延片和器件的性能以及生產(chǎn)成本等主要指標(biāo)來看還沒有其它方法能與之相比MOCVD的優(yōu)點(diǎn),用來生長(zhǎng)化合物晶體的各組份和摻雜劑都可以以氣態(tài)方式通入反應(yīng)室中，可以通過控制各種氣體的流量來控制外延層的組分，導(dǎo)電類型，載流子濃度，厚度等特性。

因有抽氣裝置，反應(yīng)室中氣體流速快，對(duì)于異質(zhì)外延時(shí)，反應(yīng)氣體切換很快，可以得到陡峭的界面外延發(fā)生在加熱的襯底的表面上，通過監(jiān)控襯底的溫度可以控制反應(yīng)過程在一定條件下，外延層的生長(zhǎng)速度與金屬有機(jī)源的供應(yīng)量成正比MOCVD及相關(guān)設(shè)備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,MOCVD技術(shù)自二十世紀(jì)六十年代首先提出以來，經(jīng)過七十至八十年代的發(fā)展，九十年代已經(jīng)成為砷化鎵、磷化銦等光電子材料外延片制備的核心生長(zhǎng)技術(shù)目前已經(jīng)在砷化鎵、磷化銦等光電子材料生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用日本科學(xué)家Nakamura將MOCVD應(yīng)用氮化鎵材料制備，利用他自己研制 的MOCVD設(shè)備(一種非常特殊的反應(yīng)室結(jié)構(gòu))，于1994年首先生產(chǎn)出高亮度藍(lán)光和綠光發(fā)光二極管，1998年實(shí)現(xiàn)了室溫下連續(xù)激射10,000小時(shí)，取得了劃時(shí)代的進(jìn)展到目前為止，MOCVD是制備氮化鎵發(fā)光二極管和激光器外延片的主流方法，從生長(zhǎng)的氮化鎵外延片和器件的性能以及生產(chǎn)成本等主要指標(biāo)來看，還沒有其它方法能與之相比國(guó)際上MOCVD設(shè)備制造商主要有三家：德國(guó)的AIXTRON公司、美國(guó)的EMCORE公司（Veeco）、英國(guó)的Thomas Swan 公司（目前Thomas Swan公司被AIXTRON公司收購(gòu)），這三家公司產(chǎn)品的主要區(qū)別在于反應(yīng)室。

MOCVD設(shè)備,MOCVD設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì),研制大型化的MOCVD設(shè)備為了滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，MOCVD設(shè)備更大型化目前一次生產(chǎn)24片2英寸外延片的設(shè)備已經(jīng)有商品出售，以后將會(huì)生產(chǎn)更大規(guī)模的設(shè)備，。