LED芯片MOCVD外延生长资料.ppt

国产MOCVD 江苏光电信息材料实验室产 GaN外延片产业化生长法 GaN外延片产业化方面广泛使用的两步生长法，工艺简述如下： 由于GaN和常用的衬底材料的晶格失配度大，为了获得晶体质量较好的GaN外延层，一般采用两步生长工艺。首先在较低的温度下(500～600℃)生长一层很薄的GaN和AIN作为缓冲层，再将温度调整到较高值生长GaN外延层。Akasaki首先以AIN作为缓冲层生长得到了高质量的GaN晶体。AlN能与GaN较好匹配，而和蓝宝石衬底匹配不好，但由于它很薄，低温沉积的无定型性质，会在高温生长GaN外延层时成为结晶体。随后Nakamura发现以GaN为缓冲层可以得到更高质量的GaN晶体。 MOCVD法生长GaN的主要技术要求 MOCVD技术最初是为制备GaAs和InP等化合物半导体材料而开发的，用于GaN基材料外延生长时，采用的是NH3气源，危险性降低，但对设备的要求不仅没有降低，反而提出了更为特殊的要求： 1、生长温度高，接近1200度的高温表面对气体产生热浮力，气体难以到达衬底表面； 2、NH3具有强腐蚀性，反应器材料要能适应； 3、TMGa/TMIn/TMAl等对氧气和水份特别敏感，要求气体纯度高，且与大气隔离； 4、形成掺Mg的P型层后，要经热处理激活； 5、TMGa和NH3即使在低温下也会预反应形成新产物； 6、形成多层膜时，气体成份要快速切换，以形成陡峭界面； 7、既要求膜厚均匀，又要求组分均匀。 MOCVD法生长GaN存在的问题 1、衬底要求与外延材料的晶格失配度小、热膨胀系数接近、有较大的尺寸、价格便宜、适应生产等，GaN匹配的衬底少； 2、气相预反应带来的加合物和聚合物在反应器气体喷口凝结，在反应室避沉积以及在气相中形成微粒，阻碍反应物输送、影响外延膜的质量以及缩短设备维护周期和损害泵系统； 3、NH3的利用低，尾气对环境影响较大； 4、设备的气密性和气体纯度要求很高； 5、气氛适应性和气流控制也存在较大的难度； InGaAlP材料的外延制作 四元系InGaAlP化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光二极管的最佳材料，InGaAlP外延片制造的LED发光波段处在550～650nm之间，这一发光波段范围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重要前提。AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，波长625nm 附近其外延片的内量子效率可达到100%，已接近极限。目前MOCVD生长InGaAlP外延片技术已相当成熟。 InGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的GaAs衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到GaAs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、TMAl、PH3与AsH3。通过掺Si或掺Te以及掺Mg或掺Zn生长N型与P型薄膜材料。对于InGaAlP薄膜材料生长，所选用的III族元素流量通常为(1-5)×10-5克分子，V族元素的流量为（1-2）×10-3克分子。为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速度和长晶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。 GaInN外延的制作 氮化物半导体是制备白光LED的基石，GaN基LED外延片和芯片技术，是白光LED的核心技术，被称之为半导体照明的发动机。因此，为了获得高质量的LED，降低位错等缺陷密度，提高晶体质量，是半导体照明技术开发的核心。 外延生长方法的改进 为了得到高质量的外延层，已经提出很多改进的方法，主要如下： ①常规LEO法 LEO是一种SAE(selective area epitaxy)方法，可追溯到Nishinaga于1988年对LPE(liquid phase epitaxy)的深入研究，LEO常用SiO2 或SiNx作为掩膜（mask），mask平行或者垂直衬底的（11-20）面而放置于buffer或高温生长的薄膜上，mask的两种取向的侧向生长速率比为1.5，不过一般常选用平行方向(1100) 。GaN在窗口区向上生长，当到达掩膜高度时就开始了侧向生长，直到两侧侧向生长的GaN汇合成平整的薄膜。 PE(Pendeo epitaxy)法 衬底上长缓冲层，再长一层高温GaN 选择腐蚀形式周期性的 stripe及trench，stripe 沿(1-100)方向， 侧面为（11-20） PE生长，有二种模式。 Model A：侧面（11-20）生长速率大于(0001)面垂直生长速率； Model B：开始(0001)面生长快，紧接着又