外延MOCVD基本原理及LED各層結(jié)構(gòu).pptx

1、MOCVD基本原理及LED各層結(jié)構(gòu),1.何謂MOCVD:,MOCVD:MetalOrganicChemicalVaporDeposition MOVPE: MetalOrganicVaporPhaseEpitaxy OMVPE: OrganoMetallicVaporPhaseEpitaxy Often all three expressions are used interchangeably,MOCVD是 Metal-organic Chemical Vapor Deposition的縮寫。 直譯:有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法,其中的前兩個字母“MO”或“OM”，指的是半導(dǎo)體薄膜成長過程中所采用

2、的反應(yīng)源(precusor)為金屬有機(jī)物“Metal-organic”或是有機(jī)金屬“Organometallic”。,而后面三個字母“CVD”或是“VPE”，指的是所成長的半導(dǎo)體薄膜的特性是屬于非晶形態(tài)薄膜或是具有單晶形態(tài)的薄膜。 一般而言，“CVD”所指的是非晶形態(tài)薄膜的成長，這種成長方式歸類于“沉積”(Deposition)；而“VPE”所指的是具有單晶形態(tài)的薄膜成長方式，這種方式歸類于“外延(Epitaxy)。,是一種在基板上成長半導(dǎo)體薄膜的方法。其他類似的名稱如：,2. MOCVD系統(tǒng),2.1反應(yīng)室（Reactor/Chamber）:,反應(yīng)腔是MOCVD最重要的部位，材料的特性與設(shè)備的

3、好壞通通由它決定。,反應(yīng)腔主要是所有氣體混合及發(fā)生反應(yīng)的地方，腔體通常是由不銹鋼(帶有冷卻水回路)或是石英(太危險(xiǎn)已成歷史)所打造而成，而腔體的內(nèi)壁通常具有由石英或是高溫陶瓷所構(gòu)成的內(nèi)襯。,在腔體中會有一個乘載盤(Wafer Carrier / Suscepetor)用來乘載基板，這個乘載盤必須能夠有效率地吸收從加熱器所提供的能量而達(dá)到薄膜成長時所需要的溫度，而且還不能與反應(yīng)氣體發(fā)生反應(yīng)，所以多半是用石墨所制造而成。(因?yàn)槌砷LGaN需要NH3做為反應(yīng)源，而NH3在高溫時有腐蝕性所以石墨會鍍上SiC保護(hù)。),加熱器的設(shè)置，有的設(shè)置在反應(yīng)腔體之內(nèi)，也有設(shè)置在腔體之外。在反應(yīng)腔體內(nèi)部通常有許多可以讓

4、冷卻水流通的通道，可以讓冷卻水來避免腔體本身在薄膜成長時發(fā)生過熱的狀況。,1.Reactor,MO 源,NH3 H2,Heater,Chiller (Reactor Cooling),2.2氣體控制及混合系統(tǒng)(Gas handling & mixing system):,載流氣體從系統(tǒng)的最上游供應(yīng)端流入系統(tǒng)，經(jīng)由質(zhì)流量控制器（MFC）的調(diào)節(jié)來控制各個管路中的氣體流入反應(yīng)腔的流量。,當(dāng)這些氣體流入反應(yīng)腔之前，必須先經(jīng)過一組氣體切換路由器(manifold)來決定該管路中的氣體該流入反應(yīng)腔（Run）亦或是直接排至反應(yīng)腔尾端的廢氣管路（Vent）。,流入反應(yīng)腔體的氣體則可以參與反應(yīng)而成長薄膜，而直接

5、排入反應(yīng)腔尾端的廢氣管路的氣體則是不參與薄膜成長反應(yīng)的。,Run Line,Vent Line,Manifold valve,不論是有機(jī)金屬反應(yīng)源或是氫化物氣體，都是屬于具有毒性的物質(zhì)，有機(jī)金屬在接觸空氣之后會發(fā)生自然氧化，所以毒性較低，而氫化物氣體則是毒性相當(dāng)高的物質(zhì)，所以在使用時務(wù)必要特別注意安全。,2.3反應(yīng)源（Precursor）:,反應(yīng)源可以分成兩種，一種是有機(jī)金屬反應(yīng)源(Alk)，另二種是氫化物(Hydride)氣體反應(yīng)源。,有機(jī)金屬反應(yīng)源儲藏在一個具有兩個聯(lián)外管路的密封不銹鋼罐( bubbler）內(nèi)，在使用此金屬反應(yīng)源時，載流氣體可以從其中一端流入，并從另外一端流出時將反應(yīng)源的飽

6、和蒸氣帶出，進(jìn)而能夠流至反應(yīng)腔。,氫化物氣體則是儲存在氣密鋼瓶內(nèi)，經(jīng)由壓力調(diào)節(jié)器（Regulator）及流量控制器來控制流入反應(yīng)腔體的氣體流量。,2.4控制+量測系統(tǒng):,控制機(jī)臺運(yùn)行、執(zhí)行設(shè)定的程序(Recipe)。通常還包含一些量測設(shè)備。 (ex. Thermo Detector、interferometer、reflectivity .),監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制整個MOCVD設(shè)備，運(yùn)行程序的方式有2種。 一種是RealTime Process，另一種是Backgroung Process。前者優(yōu)點(diǎn)是在機(jī)臺運(yùn)行時可以實(shí)時更改參數(shù)，但主控計(jì)算機(jī)如有異常時，機(jī)臺會因此shutdown。后者的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)程

7、序上傳至MOCVD(PLC)之后，不受主控計(jì)算機(jī)運(yùn)作的影響，缺點(diǎn)是程序一旦編寫錯誤難以修正。,除了控制之外，監(jiān)控系統(tǒng)也會收集各項(xiàng)硬件工作參數(shù)(ex.壓力、流量、閥門動作)與其他量測數(shù)據(jù)。,猶如人的雙眼，透過量測系統(tǒng)我們得以了解薄膜的成長狀況。,主要設(shè)備,美國Veeco是世界上少數(shù)幾家， 制作GaN MOCVD的設(shè)備商。 它并購了eMcore的TurboDisc 部門后，擁有開始有制作設(shè)備 的技術(shù)。 目前安徽廠主力設(shè)備為K465i， 每爐次產(chǎn)能45片。,1.公司簡介,Gas Cabinet,Reactor Cabinet,Robot Cabinet,Turbo Disk技術(shù)，主要是利用高速選轉(zhuǎn)(

8、8002000rpm)來制造出線性層流，達(dá)到外延成 長的目的。,2.反應(yīng)爐原理,優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)能大，操作簡單，Throughput高，很適合公司大規(guī)模生產(chǎn)。 缺點(diǎn)是制程條件依賴人員經(jīng)驗(yàn)判斷、源耗大、耗材較多，均勻性較差。 適合波長容忍度較大的產(chǎn)品。,Process Gases Inlet,Process Gases Control Item Manual Valve Regulator Pressure Gauge,3.設(shè)備簡介 Process Gases,SiH4、NH3、N2、H2 制程氣體進(jìn)器接口 用量最大的氣體是H2、N2、NH3這3種氣體純度要求很高，進(jìn)設(shè)備前純度必須1ppb。 SiH4一

9、般沒有經(jīng)過純化器。 *1ppb = 1e-9,氣體經(jīng)過調(diào)壓后，分流至各管道。,Thermo Bath、MFC、PC、Manual Valves,3.設(shè)備簡介 MO Source Module,金屬源模塊通常包含: 恒溫槽與壓力控制器(PC)-確保bubbler維持恒溫、穩(wěn)定飽和蒸汽壓(濃度)。 質(zhì)流量控制器(MFC)-控制流出氣體的流量。 充抽與測漏管道-更換新源時使用。,RealTemp (inner-middle-outer),Reactor Cooling Water (by Chiller),Shutter,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1400rpm時會產(chǎn)生擾流，目前機(jī)型已經(jīng)改良設(shè)計(jì)。,3.設(shè)備簡介 R

10、eactor,3.設(shè)備簡介大部介紹Power Supply Unit,4. 操作介面 Nexus MOCVD Control Software,主控制選單,程序編寫,程序控制,載盤傳送,製程監(jiān)控,起始參數(shù)設(shè)定,操作人員登錄,4. 操作介面 Nexus MOCVD Control Software,RealTemp200 測溫系統(tǒng) Tw:芯片表面溫度 Tc : Carrier溫度 Rw:芯片表面反射率,EpiViser200 溫度監(jiān)控與反射率(成長曲線) 監(jiān)測系統(tǒng)。,5.量測系統(tǒng),Aixtron的Reactor Design有兩項(xiàng)主要技術(shù) 1.Planetary (Aixtron自行開發(fā)的水平氣

11、流+行星轉(zhuǎn)盤),1.公司簡介,Gas Cabinet,Load Lock,Gas Mixing Cabinet,Reactor In GroveBox,2. Shower Head (并購Thomas Swan后取得的均勻氣流技術(shù)),目前設(shè)備主要以G5 (Planetary)和CriusII(Shower Head)，每爐次產(chǎn)能分別為42 pcs與31(or 37)pcs。,LED各層結(jié)構(gòu),I.1,I.2,如何在Sapphire上成長GaN,各種GaN材料 nGaN / InGaN / pGaN / AlGaN,I.1,如何在Sapphire上成長GaN LED,GaN材料LED早期發(fā)展的瓶頸

12、，除了材料本身制作不易外、整個LED也有其他難以克服的挑戰(zhàn)。 首先，GaN沒有適當(dāng)?shù)幕?，晶格差異太大難以成長出質(zhì)量良好的GaN材料。 GaN= Al2O3= Si= SiC= . 其次，即使制作出堪用的GaN，卻不易制作P型GaN。導(dǎo)致LED整體結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)。 這2個困難點(diǎn)先后被日本幾位科學(xué)家解決 GaN成長問題: 1983日本田貞史等人以高溫AlN作為緩沖層，再成長GaN。 1985日本名古屋教授Isamu Akasaki 以低溫AlN作為緩沖層，成長GaN。 1991日亞研究員Nakamura 以低溫GaN作為緩沖層，成長GaN。 至此已經(jīng)大致解決GaN在sapphire上因?yàn)榫Ц癫町愡^

13、大而無法成長的問題。 P型GaN的制作問題: 1989日本名古屋教授Isamu Akasaki利用分子束照射GaN參雜Mg的材料得到明顯的p型GaN。 1991日亞研究員Nakamura用熱退火的方式得到p型GaN。 至此GaN LED制作的2大難題先后被 Akasaki與Nakamura教授解決。 1993第一顆GaN LED(藍(lán)光LED)問世，發(fā)明人Nakamura。,目前我司采用的方法基本上是基于Nakamura的外延方式。 先以低溫(約530c)GaN作為緩沖層，再高溫(1060c)成長晶格質(zhì)量較佳的GaN。 P型GaN的制作也是采用Nakamura用熱活化(退火)的方式，再約530c

14、(700c)將外延片放入退火爐活化p型GaN。 外延生長時有2個十分重要的量測參數(shù)，基板溫度與基板的反射率。 尤其是透過基板的反射率，可以讓我們理解，薄膜成長過程的變化。 以下我們透過反射率曲線，來解釋GaN的成長方式。,Sapphire,H化,H化溫度：1080左右 6分鐘 H化作用：在開始生長之前，將藍(lán)寶石襯底在高溫的氫氣氣氛中清潔襯底表面，去除雜質(zhì)、水分等，如去除表面的氧化物薄膜。,BUFFER,Buffer溫度：550左右 Buffer作用：在藍(lán)寶石襯底上生長GaN為異質(zhì)結(jié)生長，兩種材料之間晶格失配大，所以先在較低的溫度下，生長很薄的一層GaN緩沖過渡層。減小異質(zhì)結(jié)生長所產(chǎn)生的缺陷。

15、Buffer層的厚度薄厚對后面GaN生長溫度、片子表面的粗糙度均有一定影響，快測功率有差異，但包燈后功率相近。,Buffer,Sapphire,3D,3D的溫度：1060左右 3D：在buffer之后，升溫后經(jīng)高溫后留下一層薄薄的GaN晶種，該層即是以這些GaN晶種為基礎(chǔ)以三維模式進(jìn)行生長。 3D層生長的質(zhì)量好壞對后面的GaN生長表面有很大影響（如黑點(diǎn)升溫，亮點(diǎn)降溫），該層溫度相對低能提升VZ。降低IR，但可能會導(dǎo)致VF上升。,Sapphire,Buffer,UGaN（2D、GR）,UGaN的溫度：1085左右 UGaN的作用：該層是在三維生長結(jié)束后快速的進(jìn)行二維生長，填平3D未長平區(qū)域，得到

16、較平GaN表面。該層能對3D層的生長缺陷進(jìn)行覆蓋。 當(dāng)該層溫度過低時，表面可能出現(xiàn)黑點(diǎn)，過高時可能導(dǎo)致表面出現(xiàn)亮點(diǎn)（氣泡），該層對VZ、IR、VF、ESD均有影響。,Sapphire,NGaN的溫度：1095左右 NGaN的作用：在高溫下生長GaN,并在生長中摻入施主雜質(zhì)（如Si），為二極管發(fā)光提供輻射復(fù)合載流子即電子。該層為LED歐姆接觸提供N型。 該層溫度過低會導(dǎo)致出現(xiàn)黑點(diǎn)，過高會導(dǎo)致表面出現(xiàn)Si裂，兩種表面缺陷都會導(dǎo)致ESD變差。,NGaN,NGaN,SL,SL的溫度：805左右 SL的作用：這層也是發(fā)光層，部分光由這層產(chǎn)生。同時，這層也為MQW的生長起到過渡作用。 該層的周期個數(shù)對ES

17、D有一定影響。,NGaN,SL,MQW,MQW的溫度：710左右 MQW的作用：LED的主要發(fā)光層。PGaN和NGaN提供的輻射復(fù)合載流子主要在這層輻射復(fù)合發(fā)光。LED的發(fā)光波長和強(qiáng)度由這層來決定。 該層晶格質(zhì)量至關(guān)重要，基本上對產(chǎn)品的各項(xiàng)性能都有較大影響。,NGaN,SL,Barrier,Will,Barrier,Will,Will,Barrier,LP,LP的溫度：750左右,NGaN,SL,Barrier,Will,Barrier,Will,Will,Barrier,LP,PAlGaN,PAlGaN的溫度：940左右 PAlGaN的作用：因?yàn)镻AlGaN的勢壘較高，可以把更多的載流子限制

18、在有源區(qū)，提高輻射復(fù)合率，即提高內(nèi)量子效率。該層對VZ、IR、ESD有一定影響。,NGaN,SL,Barrier,Will,Barrier,Will,Will,Barrier,LP,PAlGaN,PGaN,PGaN的溫度：930左右 PGaN的作用：在GaN中摻入受主雜質(zhì)（摻Mg)，形成P型半導(dǎo)體材料。這層是為MQW發(fā)光提供輻射復(fù)合空穴，為LED歐姆接觸提供P型。該層對產(chǎn)品ESD、IR、VF有較大影響。,NGaN,SL,Barrier,Will,Barrier,Will,Will,Barrier,LP,PAlGaN,PGaN,Sapphire 430um,Shallow MQWs,LTpGaN : Low Temp pGaN,pGaN: Mg,First Barrier : Si,nGaN LD: Si Low Dope,QWs(GaN :In),uBarrier (GaN : undope),P+:pGaN High Dope,nGaN : Si,3D growth (GaN:undope),Buffer Layer,Thermo Clean,1070,550,1040,R