半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)

1、外延基礎(chǔ)知識(shí)1、 基本概念能級(jí)：電子是不連續(xù)的，其值主要由主量子數(shù)n 決定，每一確定能量值稱為一個(gè)能級(jí)。能帶：大量孤立原子結(jié)合成晶體后，周期場(chǎng)中電子能量狀態(tài)出現(xiàn)新特點(diǎn)：孤立原子原來(lái)一個(gè)能級(jí)將分裂成大量密集的能級(jí)，構(gòu)成一相應(yīng)的能帶。 （晶體中電子能量狀態(tài)可用能帶描述）導(dǎo)帶：對(duì)未填滿電子的能帶，能帶中電子在外場(chǎng)作用下，將參與導(dǎo)電，形成宏觀電流，這樣的能帶稱為導(dǎo)帶。價(jià)帶：由價(jià)電子能級(jí)分裂形成的能帶，稱為價(jià)帶。 （價(jià)帶可能是滿帶，也可能是電子未填滿的能帶）直接帶隙：導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂位于k 空間同一位置。間接帶隙：導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂位于k 空間不同位置。同質(zhì)結(jié)： 組成 pn 結(jié)的 p 型區(qū)和 n 型區(qū)是同種材

2、料。 （ 如紅黃光中的： gaas 上生長(zhǎng) gaas, 藍(lán)綠光中： u（undope） gan 上生長(zhǎng) n（dope） gan ）異質(zhì)結(jié)：兩種晶體結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)相近，但帶隙寬度不同的半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)在一起形成的結(jié)，稱為異質(zhì)結(jié)。 （如藍(lán)綠光中： gan 上生長(zhǎng) al gan ）超晶格（ superlatic ） ：由兩種或兩種以上組分不同或?qū)щ婎愋透鳟惖某樱ㄏ噜弰?shì)阱內(nèi)電子波函數(shù)發(fā)生交迭）的材料，交替生長(zhǎng)形成的人工周期性結(jié)構(gòu)，稱為超晶格材料。量子阱 （qw） ：通常把勢(shì)壘較厚，以致于相鄰電子波函數(shù)不發(fā)生交迭的周期性結(jié)構(gòu)，稱為量子阱（它是超晶格的一種） 。2、 半導(dǎo)體1. 分類：元素半導(dǎo)體：

3、si 、 ge 化合物半導(dǎo)體：gaas、inp、gan（w-v）、znse（u-vi）、sic2. 化合物半導(dǎo)體優(yōu)點(diǎn)：a. 調(diào)節(jié)材料組分易形成直接帶隙材料， 有高的光電轉(zhuǎn)換效率。 （光電器件一般選用直接帶隙材料）b. 高電子遷移率。c. 可制成異質(zhì)結(jié)，進(jìn)行能帶裁減，易形成新器件。3. 半導(dǎo)體雜質(zhì)和缺陷雜質(zhì)：替位式雜質(zhì)（有效摻雜）間隙式雜質(zhì)缺陷：點(diǎn)缺陷：如空位、間隙原子線缺陷：如位錯(cuò)面缺陷： （即立方密積結(jié)構(gòu)里夾雜著少量六角密積）如層錯(cuò)4. 外延技術(shù)lpe:液相外延，生長(zhǎng)速率快，產(chǎn)量大，但晶體生長(zhǎng)難以精確控制。（普亮led常用此生長(zhǎng)方法）mocvd （也稱 movpe ） ： metal org

4、anic chemical vapour deposition金屬有機(jī)汽相淀積,精確控制晶體生長(zhǎng):重復(fù)性好:產(chǎn)量大:適合工業(yè)化大生產(chǎn)。hvpe:氫化物汽相外延，是近幾年在mocvd基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，適應(yīng)于w-v氮化物半導(dǎo)體薄膜和超晶格外延生長(zhǎng)的一種新技術(shù)。生長(zhǎng)速率快:但晶格質(zhì)量較差。mbe ：分子束外延:可精確控制晶體生長(zhǎng):生長(zhǎng)出的晶體異常光滑:晶格質(zhì)量非常好:但生長(zhǎng)速率慢:難以用于工業(yè)化大生產(chǎn)。3、 mocvd 設(shè)備1. 發(fā)展史：國(guó)際上起源于 80 年代初:我國(guó)在 80 年代中（ 85 年） 。國(guó)際上發(fā)展特點(diǎn)：專業(yè)化分工:我國(guó)發(fā)展特點(diǎn)：小而全:小作坊式。技術(shù)條件：a.mo源：難合成，操作困難

5、。b.設(shè)備控制精度：流量及壓力控制c.反應(yīng)室設(shè)計(jì)： vecco:高速旋轉(zhuǎn)aixtron:氣浮式旋轉(zhuǎn)tomax swan :ccs系統(tǒng)（結(jié)合前兩種設(shè)備特點(diǎn)）nichia:雙流式2. mocvd 組成常用mo源：tmga（三甲基錢，液態(tài)）tmal （三甲基鋁，液態(tài)）tmin （三甲基錮，固態(tài)，現(xiàn)已有液態(tài)）tega （三乙基錢，液態(tài)）cp2mg （二茂基鎂，固態(tài)，現(xiàn)已有液態(tài)）載氣為純度很高（99.999999% ）的氫氣和氮?dú)馓貧猓焊呒兌龋?9.9999% ）的ash3（碑烷，液態(tài)）ph3 （磷烷，液態(tài)）si2h6 （乙硅烷，氣態(tài)）（前三種為紅黃光生產(chǎn)使用）nh3 （氨氣，液態(tài)）sih4 （硅烷，氣

6、態(tài)）（后兩種為藍(lán)綠光生產(chǎn)使用）氣控單元：主要由 mfc （流量計(jì)）、pc （壓力計(jì)）和一些管道組成，用于氣體的控制和輸送?？刂茊卧焊鶕?jù)pc機(jī)輸入的生長(zhǎng)程序，對(duì)工藝進(jìn)行控制。反應(yīng)室：a.按壓力分可分為常壓反應(yīng)室（如 nichia公司的設(shè)備）和低壓反應(yīng)室（如 veeco和aixtron 公司 的設(shè)備）。兩者區(qū)別：氣體流速。低壓反應(yīng)室優(yōu)點(diǎn)：氣體切換快，停滯層薄，預(yù)反應(yīng)小，界面轉(zhuǎn)換快。b.按形狀分：水平式（aixtron ）、立式（vecco和tomax swan ）、桶式（常用于 si外延）和雙流式（nichia ）。襯底：紅黃光生長(zhǎng)用 gaas（碎化錢），藍(lán)綠光生長(zhǎng)用al2o3（藍(lán)寶石）（最通用

7、）、sic （cree）和gaas（碎化錢卜 si（硅）（后兩種仍處于實(shí)驗(yàn)室階段）等。尾氣處理器：主要用于生長(zhǎng)后的廢氣處理，使其達(dá)到無(wú)污染排放。紅黃光生長(zhǎng)產(chǎn)生尾氣用化學(xué)尾氣處理器處 理，藍(lán)綠光生長(zhǎng)產(chǎn)生的尾氣用濕法尾氣處理器處理。4、 led的mocvd 外延生長(zhǎng)1 .基本反應(yīng)：紅黃光：tmga+ash3 k gaas+ch4tmga+ph3 gap+ch4藍(lán)綠光：tmga+ nh3 -gan+ch4反應(yīng)特點(diǎn)：a.遠(yuǎn)離化學(xué)平衡：v / m 1b.晶體生長(zhǎng)速率主要由w族元素決定2 .外延層結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)過程（1）紅黃光ledp-gap p1*10 18p-(al 0.95ga0.05)0.5ln0.5

8、p p2*10 17active layer(mqw)n-(al 0.95ga0.05)0.5ln 0.5p n5*10 17dbr(gaas/alas) n1*1018gaas buffer n1*1018 n-gaas（100）襯底a.首先對(duì)襯底進(jìn)行高溫處理，以清潔其表面。b.生長(zhǎng)一層gaas buffer（緩沖層），其晶格質(zhì)量較襯底好，可除襯底影響，但不能消除位錯(cuò)。c.生長(zhǎng)一套dbr （分布布拉格反射器）。它是利用gaas和alas反射率不同，可達(dá)到增反射效果， 提高反射率。每層厚度：d= 2/4n（d:厚度，入：波長(zhǎng)，n：材料折射率）,這一層相當(dāng)于鏡子的作用，減少襯底的吸收。d. 生長(zhǎng)

9、一層n型（al 0.95ga0.05）0.5ln 0.5p ,為active layer（有源區(qū)）提供輻射復(fù)合電子。e. actrive layer （有源層）,其成分是（alxga1-x）0.5ln0.5p /（al yga1-y）0.5ln 0.5p,是主要的發(fā)光層，光強(qiáng) 和波長(zhǎng)主要由此層決定。它通過調(diào)節(jié)mqw （多量子阱）中的al（鋁）的組分，達(dá)到調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的作用，通過優(yōu)化此層的參數(shù)（如：阱的個(gè)數(shù)，材料組分，量子阱周期厚度），可明顯提高發(fā)光效率。f. 生長(zhǎng)一層p型（al0.95ga0.05）0.5ln0.5p,此層因al組分很高，對(duì)載流子起到限制的作用，可明顯提高發(fā)光效率。g.生長(zhǎng)一層p型

10、gap層，此層為電流擴(kuò)展層，擴(kuò)展層越厚，電流擴(kuò)展得越好，亮度越高。（但有一個(gè)成本問題）(2)藍(lán)綠光ledp-electrodep-gan(p: 3-5 x1017cm-3)p-alganactive layer(mqw)n-electrode n-gan（4 g, n:3-5 x1018cm-3）1pbuffersapphirea.首先對(duì)襯底進(jìn)行高溫處理，以清潔其表面。b.因al2o3 與gan失配非常大（達(dá)到 13.6%）,因此必須在低溫下生長(zhǎng)一層buffer（緩沖層）約2030nm ,若此層生長(zhǎng)有問題，將極大影響上層晶格質(zhì)量。c.生長(zhǎng)一層約4師厚的n型gan,此層主要為active lay

11、er （有源層），提供輻射復(fù)合電子。h. 生長(zhǎng)一套active layer（mqw）,其成分是inxga1-xn/gan ,是主要的發(fā)光層，光強(qiáng)和波長(zhǎng)主要由此層決定。它通過調(diào)節(jié) mqw （多量子阱）中的in（錮）的組分，達(dá)到調(diào)節(jié)波長(zhǎng)的作用，通過優(yōu)化此層 的參數(shù)（如：阱的個(gè)數(shù)，材料組分，量子阱周期厚度及摻雜濃度），可明顯提高發(fā)光效率，其晶格質(zhì)量對(duì)esd有很大的影響。i. 生長(zhǎng)一層p型alxga1-xn層,因此層al組分較高，對(duì)載流子起到限制的作用， 可明顯提高發(fā)光效率。d.生長(zhǎng)一層p型gan ,為active layer（有源區(qū)）提供輻射復(fù)合電子。紅黃光和藍(lán)綠光外延生長(zhǎng)完后均須退火，以活化p層，

12、紅黃光是在反應(yīng)室內(nèi)退火，而藍(lán)綠光是在退火爐內(nèi)退火（也有公司在反應(yīng)室內(nèi)退火）。外延生長(zhǎng)以提高內(nèi)量子效率為主，芯片及封裝工藝提高的是外量子效率。hn=產(chǎn)生光子數(shù)/注入電子空穴對(duì)hn:內(nèi)量子效率rex=取出光子數(shù)/注入電子空穴對(duì)t）ex ：外量子效率3 .測(cè)試測(cè)試項(xiàng)目顯微鏡plx raye- cvel測(cè)試項(xiàng)目觀察其表面形 貌，一旦出現(xiàn)異 常（如:有黑 點(diǎn)），將隔離處 理測(cè)量外延片的 光致發(fā)光波長(zhǎng)， 相對(duì)強(qiáng)度，fwhm （半高 寬），整爐波長(zhǎng) 均勻性測(cè)量外延片晶格 質(zhì)量（用fwhm :半高寬 表不），材料組 分，量子阱周期 其厚度測(cè)量外延片 的摻雜濃度測(cè)量外延片20ma下的光 強(qiáng)和波長(zhǎng)測(cè)試頻率每爐都做視機(jī)臺(tái)而定視機(jī)臺(tái)而定gaas專用每爐都做外延工藝測(cè)試主要有：顯微鏡觀察,pl （光致發(fā)光），x-ray , e-cv （電化學(xué)）和 el （電致發(fā)光）4 .發(fā)展方向p型層），采用 bonding 技術(shù)gaas:提高外量子效率，如：加厚 p-gap ,采用表面粗化技術(shù)（粗化（bonding 金屬）。gan :提高內(nèi)量子效率，如