LED半导体发光二极管浅析.ppt

1 氮化镓衬底生产技术和设备 从高压熔体中可得到单晶氮化镓体材料，但尺寸很小，无法使用。目前主要是在蓝宝石、硅、碳化硅衬底上生长。 虽然在蓝宝石衬底上可以生产出中低档的氮化镓发光二极管产品，但高档产品只能在氮化镓衬底上生产。 目前只有日本几家公司能够提供氮化镓衬底，价格极贵，一片2英寸衬底价格约1万美元，这些衬底全部由HVPE(氢化物气相外延)生产。 氮化镓衬底生产技术和设备 HVPE是二十世纪六七十年代的技术，由于它生长速率很快(一分钟一微米以上)，不能生长量子阱、超晶格等结构材料，在八十年代被MOCVD、MBE(分子束外延)等技术淘汰。 然而，恰是由于它生长速率快，可以生长氮化镓衬底，这种技术后来又“死灰复燃”并受到重视。 可以断定，氮化镓衬底肯定会继续发展并形成产业化，HVPE技术必然会重新受到重视。与高温提拉法相比，HVPE方法更有望生产出可实用化的氮化镓衬底。不过国际上目前还没有商品化的设备出售。 氮化镓衬底生产技术和设备 目前国内外研究氮化镓衬底均是用MOCVD和HVPE两台设备分开进行的,即： 蓝宝石(Al2O3)特性表 D:俄罗斯 Cradley Crystals公司(C面2英寸蓝宝石基板技术参数) ZnO衬底 之所以ZnO作为GaN外延的候选衬底，是因为他们二者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配度非常小，禁带宽度接近（能带不连续值小，接触势垒小）。 但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。 目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平/和P型掺杂问题没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。 研发的重点是寻找合适的生长方法。 ZnO衬底 但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。ZnO的禁带宽度为3.37eV，属于直接带隙，和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380nm附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材料。这是因为，ZnO的激子束缚能高达60meV，比其他半导体材料高得多(GaN为26meV)，因而具有比其他材料更高的发光效率。 另外ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。因而，今后ZnO材料的生产是真正意义上的绿色生产，原材料锌和水资源丰富、价格便宜，有利于大规模生产和持续发展。 ①外延材料具有适合的禁带宽度 禁带宽度决定发射波长： λ=1240/Eg Eg由材料性质决定，可以通过调节外延材料的组分调整Eg。 ②外延材料的发光复合几率大 LED的发光原理：pn结处的空穴和电子的复合发光，同时伴有热产生，复合几率大，则发光效率高。 InGaAlP材料，调整Ga-Al组分，改变Eg，得到黄绿到深红的LED波长。但改变组分的同时使得直接跃迁半导体材料变为间接跃迁，影响发光效率。 ③p型n型两种外延材料的电导率要高 影响电导率的因素：掺杂浓度、温度、均匀性。 掺杂浓度：不应小于1×1017/cm3 参杂温度：MOCVD反应腔温度及材料特性 参杂均匀型： MOCVD气流平稳、气压 ④外延层的完整性 外延层的完整性：晶体的错位和空位缺陷，氧气等杂质。 影响完整性的因素：不同的外延技术、同一外延技术不同的设备，同一设备不同的操作人员 VPE (或叫CVD) 气相外延VPE方法是原材料(或反应物)通过气相输运并在气相中(或衬底表面)进行化学反应而在衬底上生长单晶薄层的技术. 该方法是反应物以气态形式到达加热的衬底表面，发生化学反应，形成固态薄膜和气态产物(是气-固相变过程)。 气相外延VPE技术属于化学气相沉积技术范畴，由于它是借助加热的方式提供化学反应过程所需要的能量，所以也叫CVD技术。 VPE (或叫CVD) 利用化学气相淀积可以制备无机薄膜，从金属薄膜也可以制备无机薄膜。 化学气相淀积种类很多，主要有：常压CVD(APCVD)，低压CVD(LPCVD)、超低压CVD(VLPCVD)、等离子体增强型CVD（PECVD）、激光增强型CVD(LECVD)，金属氧化物CVD（MOCVD），其他还有电子自旋共振CVD(ECRCVD)等方法 按着淀积过程中发生化学的种类不同可以分为热解法、氧化法、还原法、水解法、混合反应等。 CVD的优缺点 CVD制备的薄膜最大的特点是致密性好、效率高、可以实现厚膜淀积、以及相对的低成本； 缺点是淀积过程容易对薄膜表面形成污染、对环境的污染等 常压CVD（APCVD）的特点是不需要很好的真空度、淀积速度非常快、反应受温度影响不大，淀积速度主要受反应气体的输运速度的影响。 低压CVD（LPCVD）的特点是其良好的扩散性（宏观表现为台阶覆盖能力），反应速度