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LED外延基础知识 制造一部 彭昀鹏 目录 半导体基础知识 外延结构与生长原理 常见异常分析 半导体基础知识 半导体的定义 晶体 能带的形成 N型、P型半导体 PN结发光原理 半导体基础知识 半导体基础知识-晶体 单晶 晶体 多晶 固体： 非晶体 半导体基础知识-能带 能级、能带————禁带、导带、价带 半导体基础知识-P型、N型 载流子：电子、空穴 半导体基础知识-PN结、发光 形成PN结——电子、空穴注入——复合发光 外延结构与生长原理 外延原材料 气相外延原理 外延结构 各层生长原理和条件 Buffer-U1-U2-nGaN-MQW-pGaN-AlGaN 外延结构与生长原理-原料 衬底---蓝宝石衬底（AL203） MO源---TMGa(三甲基镓)；TEGa(三乙基镓)；TMAL(三甲基铝)；TMIN(三甲基铟)；CP2Mg(二茂镁) 气体---NH3；N2；H2；SiH4 外延结构与生长原理-气相外延 外延结构与生长原理-整体结构 外延结构与生长原理-Buffer 由于衬底（AL203）与GaN材料的晶格失配较大，故在生长GaN之前需要生长一层薄薄的缓冲层，我们将其称为Buffer层。 高压（500T）、低温条件下通入TMG，在衬底表面快速沉积一层缓冲层。由于晶格失配，此时GaN结晶质量较差。 反射率曲线上升。 外延结构与生长原理-Roughing 即U1层，形成结晶质量较高的晶核，并以之为中心形成岛装生长。 首先在停止通入TMG的情况下升至高温（1000℃以上），在高温高压条件下，Buffer中结晶质量不好的部分被烤掉，留下结晶质量较高的晶核。此时反射率将下降至衬底本身的反射率水平。 保持高温高压，通入TMG，使晶核以较高的结晶质量按岛装生长。此时反射率将降至0附近。 以上为3D生长过程。 外延结构与生长原理- Recovery 即U2层，此时使外延从3D生长向2D生长转变。 略微提高温度，降低气压（200T），使晶岛相接处的地方开始连接，生长，直至外延表面整体趋于平整。 随着外延表面趋于平整，反射率将开始上升。此时由于外延片表面与衬底层的反射光将发生干涉作用，反射率将开始呈现正弦曲线震荡。 外延结构与生长原理- nGaN 在u-GaN之上生长n-GaN做为电子注入层。 保持2D生长GaN的条件，通入SiH4，Si原子会取代Ga原子的位置，由于Ga是三价的，Si是四价的，因此多出一个电子，属于n型掺杂。 反射率曲线将保持正弦曲线震荡。由震荡的频率可以计算出此时的生长速率。 外延结构与生长原理-MQW 超晶格结构发光层，主要由阱与磊反复叠加构成。 当In原子取代Ga原子时，GaN的禁带宽度将变小，构成MQW中的阱层。磊层则分为掺入Si原子的n型磊以及不掺杂的u型磊。阱层很薄，和磊层相间分布，将使注入的载流子在外延生长的方向受到限制，从而提高电子空穴对的空间浓度，加大复合发光的几率，提高发光效率。 MQW层使用TEG提供Ga源。阱层的温度（760℃左右）和In源的掺杂浓度决定了发光波长。磊层使用相对较高的温度（ 880℃左右）以提高结晶质量。 外延结构与生长原理-pGaN p型层为量子阱注入空穴。 生长GaN时加入Cp2Mg， Mg原子会取代Ga原子的位置，而Mg是二价，因此会少了一个电子（等于多一个空穴），属于p型掺杂。 P型层分为低温段LP层与高温段HP层。LP层温度一般与阱温接近，在为pGaN生长打下基础的同时，还起到了保护最后一个阱的作用。HP层提高pGaN的结晶质量，保证空穴的正常注入。 外延结构与生长原理-AlGaN Al-GaN层厚度较低，一般出现在nGaN层中部或者HP层的开始部分，并相应掺入一定量的SiH4或Cp2Mg。 Al原子相对较小，当其取代Ga原子时，将使外延的晶格常数变小，从而使禁带宽度变宽。因此，Al-GaN层是一个载流子阻挡层，将在载流子注入时在二维方向上起到载流子扩散的作用。因而，适当生长Al-GaN可以有效提高芯片的亮度。但是过分掺Al会使载流子注入变难，导致电性发生异常。 此外，在nGaN插入AlGaN层可以起到释放应力，抑制位错，提高外延结晶质量的作用。 常见异常分析 第一时间异常 外延表面异常 石墨盘异常 QT测试异常 快速数据异常 电压异常 亮度异常 ESD、Ir异常 长期数据异常 寿测