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1、精品资料MOCVD和LED基础知识介绍MOCVD设备和外延生长200701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（Vapor Phase Epitaxy） 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。（Liquid Phas eEpitax
2、y） 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。(Molecular Beam Epitaxy)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
3、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.， 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 组成大气Substrate: Ga
4、As(100),H,glassfCr/Mo制造1光电性 能检制1光鼻性形魏棣测|过8IEP卩阻博團*谱口崖生快 束出炉MO源即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 99.99999.9999常用MO源：TMGa（三甲基镓，液态）TMA1 （三甲基铝，液态）TMIn （三甲基铟，固态，现已有液态）T
5、EGa （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
6、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
7、 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
8、。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、TMA1、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
9、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 一GaAs+CH4TMGa+PH3 aP+CH4蓝绿光：TMGa+ NH3 _GaN+CH4反应特点：a.远离化学平衡：V/III1b. 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a.首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。(1)红黄光LEDb. 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）
10、。它是利用GaAs和AlAs反射率不同，可达到增反射效果，提咼反射率。每层厚度：d=A/4n（d :厚度，入：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（AlxGa1-x）0.5In0.5P /（AlyGa1-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
11、周期厚度），可明显提咼发光效 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 LEDP-electrodeP-GaN(P: 3-5x10i7cm-s)p-AlGaNActive layer(MQW)N-GaN(4pm, N:3-5x1018cm-3)n-electrodeBufferSapphirea. 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
12、.6%），因此必须在低温下生长一层buffer（缓冲层）约 2030nm，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4ym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AlXGa1-XN层,因此层Al
13、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。nin=产生光子数/注入电子空穴对nin :内量子效率nex=取出光子数/注入电子空穴对nex :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）。测试项目显微镜PLX - rayE-CV
14、EL测试项目观察其表面形 貌，一旦出现 异常（如：有 黑点），将隔 离处理测量外延片的 光致发光波 长，相对强 度，FWHM （半高宽）， 整炉波长均匀 性测量外延片晶 格质量（用FWHM :半高 宽表示），材 料组分，量子 阱周期其厚度测量外延片 的掺杂浓度测量外延片 20mA下的光 强和波长测试频率每炉都做视机台而定视机台而定GaAs专用每炉都做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 MQ
15、W （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
