(1)GaN外延生长流程civq

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,Epi process flow(recipe) introduction,组员：李捷、李英儒、孔凡华、吴耀,衬底材料的选择,衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面,：,1,结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；,2,界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；,3,化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀；,4,热学性能好，包括导热性好和热失配度小；,5,导电性好，能制成上下结构；,6,光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小；,7,机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；,8,价格低廉；,9,大尺寸，一般要求直径不小于,2,英吋。,用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较,衬底材料,Al,2,O,3,SiC,Si,ZnO,GaN,晶格失配度,差,中,差,良,优,界面特性,良,良,良,良,优,化学稳定性,优,优,良,差,优,导热性能,差,优,优,优,优,热失配度,差,中,差,差,优,导电性,差,优,优,优,优,光学性能,优,优,差,优,优,机械性能,差,差,优,良,中,价格,中,高,低,高,高,尺寸,中,中,大,中,小,GaN,类蓝光二极管结构的发展,1969,年,Pankove,等人用气相外延方法在蓝宝石上首次生长出,GaN,单晶薄膜，并制成第一只,MIS,结构的蓝光,LED,。,MIS(metal-insulator-semiconductor),结构,同质结构,异质结构,异质结：由两块不同带隙的单晶体半导连接而成的,单质结构（,SH,）,双异质结构（DH）,单量子阱结构（SQW）,多量子阱结构（,MQW,）,半导体之间的接触,量子阱材料的选择：,能带的匹配,晶格的匹配,阱中电子,空穴复合放出光子能量的计算,量子阱的优点,2,复合效率高,3,界面复合低,1,产生的光波长可调,单量子阱与多量子阱,发光量,什么因素影响InGaN/GaN的MQW结构发光效率和光的波长？,极化效应,阱宽和垒宽,In,组分,极化效应下的能带,具体原因,极化效应使,InGaN/GaN,多量子阱结构的带边由方形势变成三角形势， 使导带和价带间的带隙宽度减小导致发光峰值波长红移， 并使电子和空穴的分布产生空间分离从而减小发光效率 。,随着,InGaN/GaN,多量子阱结构阱层,In,组分的增多或阱层宽度的增加， 极化效应带来的发光峰值波长红移效果进一步增强。,不同阱宽和垒宽,阱宽增大，禁带宽减小，极化效应增强，导致发光波长红移；极化效应是影响发光效率下降的主要原因。,垒宽增大，空穴向,N-,区运输难度增加，发光效率降低；极化效应影响下，发光波长红移，同时发光效率进一步下降。,阱宽和垒厚影响原因,随着阱宽和垒厚的增加,InGaN/GaN,多量子阱结构的辐射峰值波长出现一定程度的红移，辐射强度也有所降低 ，而且极化效应产生的极化电场能够减小,InGaN/GaN,多量子阱结构导带和价带间的带隙宽度 并使电子和空穴的分布产生空间分离 进一步减小了辐射强度。,不同温度不同,In,组分,温度低，,In,组分较高且富,In,区内的,In,分布,不均导致禁带宽度发生涨落，从而使,PL,谱,FWHM,变大。,In组分减小影响,In,组分减小量子阱对载流子的限制作用有所减弱，使载流子在,GaN,层中复合的可能性增加。,In,组分的减小，极化效应也小，输出的波长向紫光方向移动。,In,组分的减小，极化效应也小，辐射功增强。,总结：,在极化效应的影响下，,InGaN/GaN,多量子阱结构的光电子学特性对阱宽、垒厚和,In,的浓度的依赖性增强。,GaN,外延生长流程,衬底, 结构设计,高温除杂,缓冲层生长,GaN层,生长,N型GaN层生长, 多量子阱发光层生,长,P型GaN层生长,退火, 检测（PL,、,EL、X射线.）, 外延片,GaN,外延生长流程,高温除杂,通入氢气，反应室炉温度升高,1050 ,高温、燃烧除去衬底上的杂质,时间,10min,。,蓝宝石衬底,(4305m),通,H,2,、,高温,10min,GaN,外延生长流程, :,生长缓冲层,炉温降底控制在,530,时,通入,NH,3,和,TGM,在蓝宝石衬底上生长一层,30nm,厚的,GaN,缓冲层，时间,3min,。,蓝宝石衬底,(430m),GaN,缓冲层,30nm,NH,3,(5000ml/min),TGM(15,mol/min),GaN,外延生长流程,退火,切断,Ga,源，,N,源。,炉温升至,1100,，时间,7min,，将低温长的非晶缓冲层通过高温形成多晶,GaN,缓冲层。,蓝宝石衬底,(430m),GaN,缓冲层,30nm,1150,退火,GaN,外延生长流程,长,GaN,单晶,将炉温控制至,1160,在,GaN,缓冲层上生长一层,0.5m,厚的,GaN,单晶 。,蓝宝石衬底,(430m),GaN,单晶,0.5m,GaN,外延生长流程,长,N,型,GaN,将炉温控制至,1160,长,GaN,的同时掺,Si(,浓度,5X10,8,/cm,3,),时间,1,小时，厚度,2.5m,。,蓝宝石衬底,(430m),N,型,GaN 2.5m,长多量子阱,MQW,炉温降至,750,先长一层,InGaN(2nm),接着把温度升高到,1160 ,，长一层,GaN (14nm),连续长,8,个,InGaN,和,GaN,势阱势垒,pair(16nm),，整个,MQW,厚度,120nm.,调整掺,In,的浓度可调整波长，用时约,80min.,蓝宝石衬底,(430m),MQW,多量子阱,GaN,外延生长流程,GaN,外延生长流程,多量子阱结构,量子阱为,LED,的发光区,GaN,势垒,140A,InGaN,势阱,20A,1200A,1,个,pair,GaN,外延生长流程,长,P,型,GaN,炉温升至,930,长,GaN,的同时掺,Mg(,浓度,5X10,19,/cm,3,),长,200nm,厚,时间,20min,。,长接触层 炉温降至,800,长,GaN,的同时掺,Mg(,浓度,10,20,/cm,3,),长,15nm,厚,时间,2min,。,激活 在,N,2,气氛下，将炉温降至,600,加热,20min,打破,Mg,H,键,激活,Mg,的导电性。,降温 炉温降至,150,，时间,30min,。,蓝宝石衬底,(430m),GNa,N,GaN,P,型,GaN,3.4m,藍寶石基板,緩衝層,氮化鎵,N-Type-,氮化鎵,-,矽掺雜,(,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,-,鎂掺雜,P-Type-,氮化銦鎵,-,金屬接觸層,外延,结构示意图,藍寶石基板,磊晶前,磊晶後,In GaN:Mg,sapphire,GaN,buffer,N-GaN,In GaN well,GaN barrier,P-GaN:Mg,Al-GaN:Mg,外延生长的原辅材料,基片：蓝宝石,载气 ：,H,2,，,N,2,反应剂 ：,NH,3,，,SiH,4,，,MO,源,MO Source,包括：,三甲基镓：,trimethyl gallium (TMGa,),：,(,CH,3,),3,Ga,载气（,H,2,）,三乙基镓：,triethyl gallium (TEGa),：,(C,2,H,5,),3,Ga,载气（,N,2,）,三甲基铟：,trimethyl indium (TMIn)：(CH,3,),3,In,载气（,N,2,）,三甲基铝：,trimethyl aluminium,载气,(H,2,),(TMAl),：,(CH,3,),3,Al,二茂镁,：,Magncsocenc; bis (cyclopentadienyl) magnesium (Cp,2,Mg)：Mg(C,5,H,5,),2,载气（,H,2,）,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,NH,3,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,、,NH,3,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,NH,3,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,、,NH,3,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；,光致发光,分析,（,P L,）,光谱分析 峰值波长 波长均匀性 半高宽（,FWHM,）,X-,射线分析（,XRD,）,晶格质量,(002 102),组分分析,(Indium Composition),周期计算,(Thickness of one pair),电致发光量测（,EL,）,电致发光分析参数：亮度,(mcd),正向偏压,(Vf),波长,(nm),半峰宽 反向电流 波长漂移 反向电压 抗,ESD,能力,外延测试手段,PL,：,Photoluminescence,PL,是一种运用外来光源照射待测样品，使之发出荧光,的一种,非破坏性,檢测技术。经由能量高于样品能隙的,外来光源激发，使得原本在价带的电子，有机会跃迁,到更高能阶；因此，在原本的价带便留下一个电洞，,而形成,電子,-,电洞对,。这组电子,-,空穴,对，如果以辐射,耦合的方式结合，就可以放出一个光子。当然，也有,可能是以热能或其他能量的方式放出。,对于因辐射耦合而放出的光，因其是由外来光源,的激发所形成的，所以通常称之为,光致,发,光,（,Photoluminescence,）,。,原理,当激发光源照射在待测样品上，利用入射光子能量大于半导体材料,的,能隙，,将,电子由,价帶,(valence band),激发到,导,带,(conductionband),。而在非常短的时间之内，大部分的高阶电子,(,空穴,),会由,此,释放声子或其他过程，,跃迁,到传导带,(,价电带,),的最低能阶，之后再由电子,-,空穴,对再结合,(electron-hole pair recombination),而放出螢光。,原理,二、,PL,系统,Source,Shutter,NDF,Top Mirror,Beam Splitter,Objective Lens,Sample,Grating,Filter,Detector,1 Source: For,蓝光,UV266nm,2 Source,:,白光,Slit,X-,射线分析（,X-Ray,）,X-,射线衍射（,XRD,）基本原理,当一束,X,射线照射到晶体上时，被电子散射。,由于散射波之间的干涉作用，使得空间某,些方向上的波则始终保持相互叠加，于是在这个方向上可以观测到衍射线。,而另一些方向上的波则始终是互相是抵消,的，于是就没有衍射线产生。,X-,射线衍射（,XRD,）基本原理,衍射花样反映晶体内部的原子分布规律。,衍射线的空间分布规律，（称之为衍射几何），反应晶胞的大小、形状和位向等。,衍射线的强度则取决于原子的品种和它们在晶胞中的位置。,衍射理论所的中心问题,:,在衍射现象与晶体结构之间建立起定性和定量的关系。,布拉格公式的示意图,衍射几何,-,布拉格公式,根据图示，干涉加强的条件是：,式中：,n,为整数，称为反射级数；,d,为面间距。,为,X,射线的波长。,为入射线或反射线与反射面的夹角，称,为掠射角，由于它等于入射线与衍射线夹角的一半，故又称为半衍射角，把,2,称为衍射角。,XRD,分析,演讲完毕，谢谢观看！,