(1)GaN外延生長流程

1、Epi process flow(recipe) introductionl組員：李捷、李英儒、孔凡華、吳耀襯底材料的選擇 襯底材料是半導體照明產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的外延生長技術、芯片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發(fā)展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面：1結構特性好，外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結晶性能好、缺陷密度??； 2界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強； 3化學穩(wěn)定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕； 4熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度??； 5導電性好，能制成上下結構； 6光學性能好，制作

2、的器件所發(fā)出的光被襯底吸收??； 7機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等； 8價格低廉； 9大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。 用于氮化鎵生長的襯底材料性能優(yōu)劣比用于氮化鎵生長的襯底材料性能優(yōu)劣比較較 襯底材料襯底材料 Al2O3 SiC Si ZnO GaN 晶格失配度差中差良優(yōu)界面特性良良良良優(yōu)化學穩(wěn)定性優(yōu)優(yōu)良差優(yōu)導熱性能差優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)熱失配度差中差差優(yōu)導電性差優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)光學性能優(yōu)優(yōu)差優(yōu)優(yōu)機械性能差差優(yōu)良中價格中高低高高尺寸中中大中小GaN類藍光二極管結構的發(fā)展l1969年Pankove等人用氣相外延方法在藍寶石上首次生長出GaN單晶薄膜，并制成第一只MIS結構的藍光LED。MIS(m

3、etal-insulator-semiconductor)結構同質結構異質結構l 異質結：由兩塊不同帶隙的單晶體半導連接而成的l單質結構（SH）雙異質結構（DH）單量子阱結構（SQW）多量子阱結構（MQW）半導體之間的接觸半導體之間的接觸量子阱材料的選擇：能帶的匹配晶格的匹配阱中電子阱中電子空穴復合放出光子能量的計算空穴復合放出光子能量的計算量子阱的優(yōu)點量子阱的優(yōu)點2 2 復合效率高復合效率高3 3 界面復合低界面復合低1 1 產(chǎn)生的光波長可調產(chǎn)生的光波長可調單量子阱與多量子阱單量子阱與多量子阱發(fā)光量發(fā)光量什么因素影響InGaN/GaN的MQW結構發(fā)光效率和光的波長？l極化效應l阱寬和壘寬lI

4、n組分極化效應下的能帶具體原因l 極化效應使 InGaN/GaN 多量子阱結構的帶邊由方形勢變成三角形勢， 使導帶和價帶間的帶隙寬度減小導致發(fā)光峰值波長紅移， 并使電子和空穴的分布產(chǎn)生空間分離從而減小發(fā)光效率 。l隨著 InGaN/GaN 多量子阱結構阱層 In 組分的增多或阱層寬度的增加， 極化效應帶來的發(fā)光峰值波長紅移效果進一步增強。不同阱寬和壘寬阱寬增大，禁帶寬減小，極化效應增強，導致發(fā)光波長紅移；極化效應是影響發(fā)光效率下降的主要原因。壘寬增大，空穴向N-區(qū)運輸難度增加，發(fā)光效率降低；極化效應影響下，發(fā)光波長紅移，同時發(fā)光效率進一步下降。阱寬和壘厚影響原因l隨著阱寬和壘厚的增加 InGa

5、N/GaN 多量子阱結構的輻射峰值波長出現(xiàn)一定程度的紅移，輻射強度也有所降低 ，而且極化效應產(chǎn)生的極化電場能夠減小 InGaN/GaN 多量子阱結構導帶和價帶間的帶隙寬度 并使電子和空穴的分布產(chǎn)生空間分離 進一步減小了輻射強度。不同溫度不同In組分溫度低，In組分較高且富In區(qū)內的In分布不均導致禁帶寬度發(fā)生漲落，從而使PL譜FWHM變大。In組分減小影響lIn組分減小量子阱對載流子的限制作用有所減弱，使載流子在GaN層中復合的可能性增加。lIn組分的減小，極化效應也小，輸出的波長向紫光方向移動。lIn組分的減小，極化效應也小，輻射功增強?？偨Y：l在極化效應的影響下， InGaN/GaN 多量

6、子阱結構的光電子學特性對阱寬、壘厚和In的濃度的依賴性增強。GaN外延生長流程外延生長流程l襯底 結構設計 高溫除雜緩沖層生長 GaN層生長N型GaN層生長 多量子阱發(fā)光層生長 P型GaN層生長 退火 檢測（PL、EL、X射線.） 外延片 GaN外延生長流程 高溫除雜 通入氫氣，反應室爐溫度升高1050 ,高溫、燃燒除去襯底上的雜質,時間10min。 藍寶石襯底(4305m)通H2、高溫 10min GaN外延生長流程 : 生長緩沖層爐溫降底控制在530時, 通入NH3和TGM在藍寶石襯底上生長一層30nm厚的GaN緩沖層，時間3min。藍寶石襯底(430m)GaN緩沖層30nmNH3(500

7、0ml/min)TGM(15mol/min) GaN外延生長流程 退火 切斷Ga源，N源。爐溫升至1100，時間7min，將低溫長的非晶緩沖層通過高溫形成多晶GaN 緩沖層。藍寶石襯底(430m)GaN緩沖層30nm1150 退火 GaN外延生長流程 長GaN單晶 將爐溫控制至1160,在GaN緩沖層上生長一層0.5m厚的GaN單晶 。藍寶石襯底(430m)GaN單晶 0.5m GaN外延生長流程 長N型GaN 將爐溫控制至1160,長GaN 的同時摻Si(濃度5X108/cm3),時間1小時，厚度2.5m。藍寶石襯底(430m)N型GaN 2.5ml 長多量子阱MQW 爐溫降至750,先長一

8、層InGaN(2nm),接著把溫度升高到1160 ，長一層GaN (14nm),連續(xù)長8個InGaN和 GaN勢阱勢壘pair(16nm)，整個MQW厚度120nm.調整摻In的濃度可調整波長，用時約80min.藍寶石襯底(430m)MQW多量子阱GaN外延生長流程 GaN外延生長流程l 多量子阱結構l 量子阱為LED的發(fā)光區(qū)GaN勢壘140AInGaN勢阱20A1200A1個pair GaN外延生長流程l 長P型GaN 爐溫升至930,長GaN的同時摻Mg(濃度5X1019/cm3),長200nm厚,時間20min。 長接觸層 爐溫降至800,長GaN的同時摻Mg(濃度1020/cm3),長

9、15nm厚,時間2min。 激活 在N2氣氛下，將爐溫降至600,加熱20min,打破MgH鍵,激活Mg的導電性。 降溫 爐溫降至150，時間 30min。藍寶石襯底(430m)GNaNGaNP型GaN3.4m藍寶石基板緩衝層氮化鎵N-Type-氮化鎵-矽摻雜(氮化鎵/氮化銦鎵)x5-淺井結構(氮化鎵/氮化銦鎵)x8-量子井結構P-Type-氮化鋁鎵-電流阻擋層P-Type-氮化鎵-鎂摻雜P-Type-氮化銦鎵-金屬接觸層外延外延結構示意圖結構示意圖藍寶石基板磊晶前磊晶後In GaN:MgsapphireGaNbufferN-GaNIn GaN well GaN barrierP-GaN:Mg

10、Al-GaN:Mg基片：藍寶石載氣 ：H2，N2 反應劑 ：NH3，SiH4，MO源MO Source包括：三甲基鎵：trimethyl gallium (TMGa)：(CH3)3Ga 載氣（H2） 三乙基鎵：triethyl gallium (TEGa)：(C2H5)3Ga 載氣（N2）三甲基銦：trimethyl indium (TMIn)：(CH3)3In 載氣（ N2）三甲基鋁：trimethyl aluminium 載氣(H2) (TMAl)： (CH3)3Al二茂鎂：Magncsocenc; bis (cyclopentadienyl) magnesium (Cp2Mg)：Mg(C

11、5H5)2 載氣（H2）MOCVD法生長GaN的主要技術要求l MOCVD技術最初是為制備GaAs和InP等化合物半導體材料而開發(fā)的，用于GaN基材料外延生長時，采用的是NH3氣源，危險性降低，但對設備的要求不僅沒有降低，反而提出了更為特殊的要求：1、生長溫度高，接近1200度的高溫表面對氣體產(chǎn)生熱浮力，氣體難以到達襯底表面；2、NH3具有強腐蝕性，反應器材料要能適應；3、TMGa/TMIn/TMAl等對氧氣和水份特別敏感，要求氣體純度高，且與大氣隔離；4、形成摻Mg的P型層后，要經(jīng)熱處理激活；5、TMGa和NH3即使在低溫下也會預反應形成新產(chǎn)物；6、形成多層膜時，氣體成份要快速切換，以形成陡

12、峭界面；7、既要求膜厚均勻，又要求組分均勻。MOCVD法生長GaN存在的問題1、襯底要求與外延材料的晶格失配度小、熱膨脹系數(shù)接近、有較大的尺寸、價格便宜、適應生產(chǎn)等，GaN匹配的襯底少；2、氣相預反應帶來的加合物和聚合物在反應器氣體噴口凝結，在反應室避沉積以及在氣相中形成微粒，阻礙反應物輸送、影響外延膜的質量以及縮短設備維護周期和損害泵系統(tǒng)；3、NH3的利用低，尾氣對環(huán)境影響較大；4、設備的氣密性和氣體純度要求很高；5、氣氛適應性和氣流控制也存在較大的難度；光致發(fā)光光致發(fā)光分析分析（P L）光譜分析 峰值波長 波長均勻性 半高寬（FWHM）X-射線分析（射線分析（XRD） 晶格質量(002 1

13、02) 組分分析(Indium Composition) 周期計算(Thickness of one pair) 電致發(fā)光量測（電致發(fā)光量測（EL）電致發(fā)光分析參數(shù)：亮度(mcd) 正向偏壓(Vf) 波長(nm) 半峰寬 反向電流 波長漂移 反向電壓 抗ESD能力外延測試手段外延測試手段PL： PhotoluminescencePLPL是一種運用外來光源照射待測樣品，使之發(fā)出熒光的一種非破壞性檢測技術。經(jīng)由能量高于樣品能隙的外來光源激發(fā)，使得原本在價帶的電子，有機會躍遷到更高能階；因此，在原本的價帶便留下一個電洞，而形成電子-電洞對。這組電子-空穴對，如果以輻射耦合的方式結合，就可以放出一個光

14、子。當然，也有可能是以熱能或其他能量的方式放出。對于因輻射耦合而放出的光，因其是由外來光源的激發(fā)所形成的，所以通常稱之為光致發(fā)光（Photoluminescence）。原理l 當激發(fā)光源照射在待測樣品上，利用入射光子能量大于半導體材料的能隙，將電子由價帶(valence band)激發(fā)到導帶(conductionband)。而在非常短的時間之內，大部分的高階電子(空穴)會由此釋放聲子或其他過程，躍遷到傳導帶(價電帶)的最低能階，之后再由電子-空穴對再結合(electron-hole pair recombination)而放出螢光。原理二、 PL系統(tǒng)SourceShutterNDFTop Mi

15、rrorBeam SplitterObjective LensSampleGratingFilterDetector1 Source: For 藍光UV266nm2 Source: 白光SlitX-射線分析（射線分析（X-Ray）X-射線衍射（XRD）基本原理l當一束X射線照射到晶體上時，被電子散射。l由于散射波之間的干涉作用，使得空間某 些方向上的波則始終保持相互疊加，于是在這個方向上可以觀測到衍射線。l而另一些方向上的波則始終是互相是抵消 的，于是就沒有衍射線產(chǎn)生。X-射線衍射（XRD）基本原理l衍射花樣反映晶體內部的原子分布規(guī)律。衍射花樣反映晶體內部的原子分布規(guī)律。l衍射線的空間分布規(guī)律，（稱之