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1、LED外延报告外延报告许春良2016.4.22目录1.LED工作原理、特性2.LED外延概述3.MOCVD设备简介4.外延层介绍 4-1.缓冲层 4-2.u2GaN 4-3.nGaN 4-4.Si掺杂 4-5.nALGaN/GaN、SRL、FB 4-6. MQW 4-7.电子阻挡层 4-8.p-GaN 4-9.接触层5.外延片常规检测方式 5-1.外延片常规检测方式之波长 5-2.外延片常规检测方式之表面 5-3.外延片常规检测方式之COW_Vf1偏高 5-4.外延片常规检测方式之COW_LOP偏低 5-5.外延片常规检测方式之COW_ESD不良1.LED工作原理、特性 发光二极管是由-族化合
2、物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）、 AlGaInP （磷化铝镓铟）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是P-N结发光的原理。如图1所示：2.LED外延概述 由LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事实上，LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。发光二极管对外延材料的技术要求主要有以下四条： 禁带宽度适合; 可
3、获得电导率高的P型和N型材料; 可获得完整性好的优质晶体; 发光复合几率大。 外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在，金属有机物化学气相淀积(MOCVD)技术是生长III-V族，II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。II、III族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3等，它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸汽，与V族的氢化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反应室，在加热的衬底表面发生反应，外延生长化合物晶体薄膜。TMGaN2NH3SiH4有机
4、金属 源：Reactor chamber 尾气收集器Scrubber外延片外延片衬底衬底大气大气气态 源：TEGaTMInTMAlCp2MgH23.MOCVD设备简介4.外延层介绍pGaNn+GaNn-GaNuGaNu1GaN(3D)AlGaN（buffer）Al2O3 pAlGaN/GaNInGaN/GaN(stress release layer)nAlGaNnInGaNp+GaNMQWpGaN接触层缓冲层nGaN外延层衬底InGaN/GaN/nGaN/GaNuGaN4-1.缓冲层 GaN的异质外延中，TMGa/TEGa为Ga源，TMAl为Al源，NH3为N源。缓冲层技术的采用大大改善了体
5、材料的晶体质量。 其生长过程为准二维生长模式，即经历孤立成岛、岛长大、高温退火（重结晶）、3D生长等步骤。其生长过程和质量可由工艺参数(/比、生长温度和压力等)去控制和调节。生长缓冲层分为buffer低温缓冲层阶段，RC重结晶阶段，高速纵向生长填平阶段。Buffer即低温缓冲层，于515C左右温度下生长25nm AlGaN形成。生长缓冲层的目的是为了降低GaN外延层与蓝宝石晶格失配和热失配造成的应力，降低外延层错密度。 buffer长不好，容易引起buffer pits，降低外延片ESD良率。 Recrystallization即重结晶（简称RC），于高温1045C左右把buffer烤成单晶（
6、原来长成多晶）。重结晶后的单晶才具有能正常外延的纤锌矿型结构。重结晶形成GaN岛，GaN岛长到一定尺寸时就不会再有明显的横向生长，转而进行高速的纵向生长（U1GaN层）填平图形化蓝宝石凸起的包。缓冲层本身的作用就是给后续GaN的生长提供成核中心并把图形化蓝宝石凸起的包填平，供后续正常生长。4-2.uGaN 高温1073C下生长不掺杂GaN，获得结晶质量好，表面平坦的外延层，为下面生长nGaN作准备。 这一过程，杂质量要控制尽可能的低。4-3.nGaN nGaN层分低掺和重掺两个阶段。 低掺是为了给重掺过渡，缓解晶格失配。高温1048C下，重掺Si，作为电极层，提供电子。掺杂浓度在5*1018左
7、右、厚度一般在4um左右、生长速率一般在4.3um/h左右。浓度太高、厚度太厚、生长速率过快都会使晶体质量变差，反向影响电子的提供量。而较低的生长温度导致迁移率的下降。4-4.Si掺杂掺杂浓度低，高阻的nGaN会影响电子向有源区的注入，并增加焦耳热，影响器件的可靠性。Si的掺杂浓度较高:GaN材料的结晶完整性会随着Si原子的掺入而降低，同时一般LED的P型GaN盖层的生长温度较高，Si原子的二次扩散作用也会随着Si掺入量的增加而增加，如果Si穿过有源区而扩散到p型欧姆接触层，还会严重影响pGaN盖层的电学特性。4-5.nALGaN/GaN、SRL对后面的MQW起到承接过度作用聚集电子、提高亮度
8、SRL缓解了量子阱有源区中的应力，改善了多量子阱表面形貌，减少了V 型缺陷密度，而且提高了多量子阱的光致发光强度，从而也改进了LED的发光效率4-6.MQWInGaN/GaN量子阱是量子阱是LED材料的核心材料的核心结构，在其生构，在其生长过程中，因低程中，因低温生温生长有利于有利于In的并入和减少的并入和减少In-N分解，而高温生分解，而高温生长能能获得高得高质量量的的GaN材料，材料，为此此InGaN/GaN多量子阱生多量子阱生长采用高低温法。采用高低温法。InGaN/GaN多量子阱生多量子阱生长过程中生程中生长温度、温度、载气成分、上下气流比、气成分、上下气流比、生生长中断、生中断、生长
9、速率等工速率等工艺条件条件对In组分的并入及材料特性有着重分的并入及材料特性有着重要的影响。要的影响。包括包括WELL 和和 Barrier ，提高，提高电子和空穴的复合效率子和空穴的复合效率厚度范厚度范围：Well：约20埃埃=2nm,barrier :140-150埃埃=15-16nm4-7.电子阻挡层 阻挡层一般是由AlGaN/GaN结构组成。由于空穴有效质量较大，迁移率较低，使得它向有缘层注入不足；而电子的有效质量比较小，迁移率较高，电子不能全部在有源层内与空穴复合复合而耗散，虽然对于MQW GaN-LED，垒层和阱层形成势垒将载流子限制在势阱中，然而这些自由载流子能量分布服从费米-狄
10、拉克分布，部分电子的能量高于势垒的高度，能够跃迁出势阱向pGaN运动。因此，增加一层电子阻挡层，提高电子想pGaN迁移的势垒。4-8.P-GaN 通常向GaN掺Mg为有源区提供空穴。Mg掺杂形成很多Mg-H键，无法有效提供空穴。为提高空穴浓度，pGaN需要经过退火处理以激活Mg.4-9.接触层 接触层有p+层与CIL层，即p型重掺与InGaN/GaN短周期超晶格结构。都是为了加强空穴的浓度，提高ITO与pGaN之间的欧姆接触。5.外延片常规检测方式衡量外延片质量的基本标准中心波长表面形貌芯片正常工作电压Vf1芯片正常工作亮度lop芯片抗静电能力ESD5-1.外延片常规检测方式之波长 正常情况下
11、，波长一般调节量子阱温度即可。1C对应2nm左右，升温波长变短，降温波长变长。影响波长因素，温度，In量，TEGa量，压强等。 1.亮度低，波长短亮度低，波长短检查生长曲线是否正常，测PL、XRD，观察有无In的掺杂峰，量子阱周期厚度是否正常。若掺杂峰较弱或者没有，检查源剩余量，In源管道，气动阀，冷阱有无堵塞或工作异常。若量子阱周期厚度明显变薄，检查TEGa源剩余量以及相应管道，气动阀。2.亮度正常，波长偏离亮度正常，波长偏离检查量子阱阶段生长温度曲线，In源、TEGa源剩余量，以及NH3气压力情况，并关注之后炉次波长情况。倾角（50X）正常(50X)六边形（50X）Pits(500X背光)
12、脏污（50X）弧形与六边形（50X）5-2.外延片常规检测方式之表面形貌弧形 倾角pits 深六边形 雾化看其在片子上的分布规律，若集中在中心或者边缘，主要针对翘曲调整。一般弧形是由于rGaN温度过高或长太薄引起。看其在片子上的分布规律，若集中在中心或者边缘，针对翘曲调整。一般倾角是由于rGaN温度太低引起。一般是由于buffer过薄或者pGaN掺Mg过多引起。看其在片子上的分布规律，若集中在中心或者边缘，针对翘曲调整。Pits分为buffer pits和nGaN buffer pits在胞与胞直接，nGaN pits在胞上方。一般是由于buffer或者nGaN温度过低引起。看其在片子上的分布
13、规律，若集中在中心或者边缘，针对翘曲调整。一般是由于u/nGaN过薄或温度过高引起。5-3.外延片常规检测方式之COW_Vf1偏高1.Mg掺变化（cp2Mg为固体，使用时间越久，带出效率越低），P+，Mg偏少，接触电阻变大，导致Vf1偏高；2.SRL开口：TMGa_2偏少，SRL温度偏高（SRL厚度偏薄），导致SRL开口变小，Vf1偏高（同时Vf4偏高）；3.Si掺：N-、N+、MQW的Si掺变少，电阻变大，Vf1偏高；4.CIL：TMIn偏少、CIL_THK偏薄，导致接触电阻偏大，Vf1偏高。5-4.外延片常规检测方式之COW_LOP偏低1.Base Mg偏少，空穴浓度偏低，导致亮度偏低；2.底层缺陷过多（XRD_002 102偏大）；3.buffer太厚，吸光；4. pGaN、p+GaN Mg偏多，吸光。5-5.外延片常规检测方式之COW_ESD不良1.Buffer偏薄（水氧值偏高）、RC温度偏高均会导致片子中心ESD不良；2.u1GaN温度 高于u2GaN,表面不稳定，可能会导致ESD不良；3. pGaN&p+GaN Mg偏少、外延层膜厚偏薄，p型扩展会较差，导致ESD不良。
