LED外延基礎(chǔ)知識(shí)

1、LED外延基礎(chǔ)知識(shí)目錄 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理 常見(jiàn)異常分析半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 半導(dǎo)體的定義 晶體 能帶的形成 N型、P型半導(dǎo)體 PN結(jié)發(fā)光原理半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 物體物體電阻率電阻率導(dǎo)體導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體 CM 10e9什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體？ 物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來(lái)衡量。電阻率越大，物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來(lái)衡量。電阻率越大，說(shuō)明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。表給出以電阻率來(lái)區(qū)分導(dǎo)體，絕緣說(shuō)明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。表給出以電阻率來(lái)區(qū)分導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體的大致范圍。體和半導(dǎo)體的大致范圍。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)-晶體 單晶 晶體 多晶固體： 非晶體固體可

2、分為晶體和非晶體兩大類。原子無(wú)規(guī)則固體可分為晶體和非晶體兩大類。原子無(wú)規(guī)則排列所組成的物質(zhì)為非晶體。而晶體則是由原排列所組成的物質(zhì)為非晶體。而晶體則是由原子規(guī)則排列所組成的物質(zhì)。子規(guī)則排列所組成的物質(zhì)。在整個(gè)晶體內(nèi)，原子都是周期性的規(guī)則排列，在整個(gè)晶體內(nèi)，原子都是周期性的規(guī)則排列，稱之為單晶。由許多取向不同的單晶顆粒雜亂稱之為單晶。由許多取向不同的單晶顆粒雜亂地排列在一起的固體稱為多晶。地排列在一起的固體稱為多晶。閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)-能帶能級(jí)、能帶禁帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶能級(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

3、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）禁帶：在導(dǎo)帶與夾帶之間，電子無(wú)法存在的能帶，稱為禁帶。 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)-P型、N型載流子：電子、空穴 摻雜： 施主摻雜-N型半導(dǎo)體 受主摻雜-P型半導(dǎo)體n對(duì)GaN晶體而言，當(dāng)生長(zhǎng)時(shí)，加入SiH4，Si原子會(huì)取代Ga原子的位置，由于Ga是三價(jià)的，Si是四價(jià)的，因此多出一個(gè)電子，屬于n型摻雜。反之，加入Cp

4、2Mg， Mg原子會(huì)取代Ga原子的位置，由于Mg是二價(jià)，因此少了一個(gè)電子（多一個(gè)電洞），屬于p型摻雜。半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)-PN結(jié)、發(fā)光形成PN結(jié)電子、空穴注入復(fù)合發(fā)光外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理 外延原材料 氣相外延原理 外延結(jié)構(gòu) 各層生長(zhǎng)原理和條件 Buffer-U1-U2-nGaN-MQW-pGaN-AlGaN 外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理-原料襯底-藍(lán)寶石襯底（AL203）MO源-TMGa(三甲基鎵)；TEGa(三乙基鎵)；TMAL(三甲基鋁)；TMIN(三甲基銦)；CP2Mg(二茂鎂)氣體-NH3；N2；H2；SiH4價(jià)格晶格常數(shù)nm晶格失配度熱脹系數(shù)10-6K-1應(yīng)用廠商GaN$160 0.319(鎢鋅)5

5、.596H-SiC$2200.3083.5%4.20美國(guó)Osram藍(lán)寶石（Al2O3）$200.47613.8%7.50日本、臺(tái)灣、大陸Si(111)$20.54317%3.59南昌晶能光電ZnO2%LiAlO21.4%外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理-氣相外延HHHNCH3GaCH3CH3GaCH4 =CH3 + H H + H = H2CH3 radicalGa(CH3)3 + NH3 GaN + 3CH4HHHNGaCH3CH3CH3H2H2H2H2外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理-整體結(jié)構(gòu)襯底襯底Buffer 大約30nmu-GaN MQW（barrier+well) GaN/InGaN約為300nmP-GaN約

6、為300nmAlGaN約為200nmn-GaN約4000nm外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理-Buffer由于襯底（AL203）與GaN材料的晶格失配較大，故在生長(zhǎng)GaN之前需要生長(zhǎng)一層薄薄的緩沖層，我們將其稱為Buffer層。高壓、低溫條件下通入TMG，在襯底表面快速沉積一層緩沖層。由于晶格失配，此時(shí)GaN結(jié)晶質(zhì)量較差。反射率曲線上升。外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理-Roughing即U1層，形成結(jié)晶質(zhì)量較高的晶核，并以之為中心形成島裝生長(zhǎng)。首先在停止通入TMG的情況下升至高溫，在高溫高壓條件下，Buffer中結(jié)晶質(zhì)量不好的部分被烤掉，留下結(jié)晶質(zhì)量較高的晶核。此時(shí)反射率將下降至襯底本身的反射率水平。保持高溫高壓，通入

7、TMG，使晶核以較高的結(jié)晶質(zhì)量按島裝生長(zhǎng)。此時(shí)反射率將降至0附近。以上為3D生長(zhǎng)過(guò)程。外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理- Recovery即U2層，此時(shí)使外延從3D生長(zhǎng)向2D生長(zhǎng)轉(zhuǎn)變。略微提高溫度，降低氣壓，使晶島相接處的地方開始連接，生長(zhǎng)，直至外延表面整體趨于平整。隨著外延表面趨于平整，反射率將開始上升。此時(shí)由于外延片表面與襯底層的反射光將發(fā)生干涉作用，反射率將開始呈現(xiàn)正弦曲線震蕩。外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理- nGaN在u-GaN之上生長(zhǎng)n-GaN做為電子注入層。保持2D生長(zhǎng)GaN的條件，通入SiH4，Si原子會(huì)取代Ga原子的位置，由于Ga是三價(jià)的，Si是四價(jià)的，因此多出一個(gè)電子，屬于n型摻雜。反射率曲線將保持

8、正弦曲線震蕩。由震蕩的頻率可以計(jì)算出此時(shí)的生長(zhǎng)速率。外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理-MQW超晶格結(jié)構(gòu)發(fā)光層，主要由阱與磊反復(fù)疊加構(gòu)成。當(dāng)In原子取代Ga原子時(shí)，GaN的禁帶寬度將變小，構(gòu)成MQW中的阱層。磊層則分為摻入Si原子的n型磊以及不摻雜的u型磊。阱層很薄，和磊層相間分布，將使注入的載流子在外延生長(zhǎng)的方向受到限制，從而提高電子空穴對(duì)的空間濃度，加大復(fù)合發(fā)光的幾率，提高發(fā)光效率。MQW層使用TEG提供Ga源。阱層的溫度和In源的摻雜濃度決定了發(fā)光波長(zhǎng)。磊層使用相對(duì)較高的溫度以提高結(jié)晶質(zhì)量。外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理-pGaNp型層為量子阱注入空穴。生長(zhǎng)GaN時(shí)加入Cp2Mg， Mg原子會(huì)取代Ga原子的位置，而

9、Mg是二價(jià)，因此會(huì)少了一個(gè)電子（等于多一個(gè)空穴），屬于p型摻雜。P型層分為低溫段LP層與高溫段HP層。LP層溫度一般與阱溫接近，在為pGaN生長(zhǎng)打下基礎(chǔ)的同時(shí)，還起到了保護(hù)最后一個(gè)阱的作用。HP層提高pGaN的結(jié)晶質(zhì)量，保證空穴的正常注入。外延結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)原理-AlGaNAl-GaN層厚度較低，一般出現(xiàn)在nGaN層中部或者HP層的開始部分，并相應(yīng)摻入一定量的SiH4或Cp2Mg。Al原子相對(duì)較小，當(dāng)其取代Ga原子時(shí)，將使外延的晶格常數(shù)變小，從而使禁帶寬度變寬。因此，Al-GaN層是一個(gè)載流子阻擋層，將在載流子注入時(shí)在二維方向上起到載流子擴(kuò)散的作用。因而，適當(dāng)生長(zhǎng)Al-GaN可以有效提高芯片的亮度

10、。但是過(guò)分摻Al會(huì)使載流子注入變難，導(dǎo)致電性發(fā)生異常。此外，在nGaN插入AlGaN層可以起到釋放應(yīng)力，抑制位錯(cuò)，提高外延結(jié)晶質(zhì)量的作用。常見(jiàn)異常分析 第一時(shí)間異常 外延表面異常 石墨盤異常 QT測(cè)試異常 快速數(shù)據(jù)異常 電壓異常 亮度異常 ESD、Ir異常 長(zhǎng)期數(shù)據(jù)異常 壽測(cè) mW常見(jiàn)異常分析-外觀正常表面來(lái)自襯底：刻蝕、落灰、劃傷等。U、N-GaN溫度不適合：眉毛、魚鱗等。Buffer不夠厚：彩邊。pGaN溫度過(guò)低或Mg過(guò)量：霧邊。第一時(shí)間常見(jiàn)異常分析-石墨盤石墨盤未烤凈發(fā)白。RT溫度曲線上升，生長(zhǎng)率下降。外延片中心波長(zhǎng)藍(lán)移。第一時(shí)間常見(jiàn)異常分析-QT異常 亮度低、電壓高、波長(zhǎng)正常： 可能是

11、退火不夠，pGaN中Mg原子未完全活化。送合金爐退火后再測(cè)。 若退火后仍然不亮，檢查生長(zhǎng)曲線是否正常，SiH4通入是否正常。 亮度低、波長(zhǎng)短： 檢查生長(zhǎng)曲線是否正常，測(cè)試PL、XRD，觀察有無(wú)In的摻雜峰，量子阱周期厚度是否正常。 若In摻雜峰較弱甚至沒(méi)有，檢查In源剩余量，In源管道、氣動(dòng)閥、冷阱有無(wú)堵塞或工作異常。 若量子阱周期厚度明顯變薄，檢查TEG源剩余量，以及相應(yīng)管道、氣動(dòng)閥、冷阱。 亮度正常，波長(zhǎng)偏離： 檢查量子阱階段生長(zhǎng)溫度曲線，In源、TEG源剩余量，石墨盤狀況，以及NH3壓力等，并關(guān)注之后爐次的波長(zhǎng)范圍。 第一時(shí)間常見(jiàn)異常分析-快速數(shù)據(jù)快速數(shù)據(jù)：將一部產(chǎn)出外延片進(jìn)行采樣測(cè)試，

12、以期在最短的時(shí)間內(nèi)獲得反應(yīng)同爐次外延的電性、亮度、抗靜電等性質(zhì)的數(shù)據(jù)?？焖倨瑪?shù)據(jù)一般的獲得周期為三天左右，較全面的反映了外延片的品質(zhì)，是外延工藝調(diào)整的最重要的依據(jù)之一。 -電壓Vf：芯片20mA正常電流工作時(shí)的電壓。此外還有5mA小電流工作時(shí)的電壓Vf2等。 -亮度Iv：芯片正常電流工作時(shí)的亮度。此外還有小電流亮度Iv2。 -波長(zhǎng)Wld：正常工作時(shí)的積分波長(zhǎng)。此外還有峰值波長(zhǎng)Wlp、小電流波長(zhǎng)Wld2。 -半寬Hw：正常工作時(shí)的發(fā)光峰半寬值。 -藍(lán)移：大電流與小電流工作狀態(tài)下的波長(zhǎng)差。 -漏電Ir：施加8V反向電壓時(shí)的電流。 -反向電壓Vz：施加10uA反向電流時(shí)的電壓。 -抗靜電ESD：器件

13、抗靜電能力，分為人體模式與機(jī)械模式。常見(jiàn)異常分析-快速電壓 電壓Vf1高： 外延片工作狀態(tài)壓降主要來(lái)源：nGaN、MQW、pGaN、pAlGaN等。 若nGaN的Si摻雜過(guò)少，將導(dǎo)致電壓高、Vz高、ESD變差，亮度無(wú)太大影響。 若MQW出現(xiàn)問(wèn)題，Vf1與Vf3將一同升高，并可能伴有亮度下降、半寬藍(lán)移等數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象。 若pGaN的Mg摻少導(dǎo)致電壓升高，將同時(shí)導(dǎo)致ESD變差、亮度降低等。 若pAlGaN中Al摻雜過(guò)量導(dǎo)致電壓升高，將會(huì)導(dǎo)致Vz變大、ESD變差。 電壓Vf1低： 電壓偏低一般是由nGaN的Si摻雜過(guò)多導(dǎo)致，將伴隨Ir變大，ESD變差等現(xiàn)象?？焖贁?shù)據(jù)常見(jiàn)異常分析-快速Iv 亮度（Iv

14、）低： 快速中亮度Iv分為直接亮度Iv與460nm折算亮度Ivnor，兩者都與波長(zhǎng)關(guān)系緊密。若波長(zhǎng)偏短，Iv亮度和Ivnor亮度都將降低，前者降低幅度更大。若波長(zhǎng)偏長(zhǎng)， Iv亮度和Ivnor亮度都會(huì)變高，但I(xiàn)vnor亮度變高幅度較小，有可能因?yàn)椤安ㄩL(zhǎng)長(zhǎng)亮度低”影響良率。 若波長(zhǎng)正常，對(duì)比小電流下亮度Iv、藍(lán)移、半寬等數(shù)據(jù)有無(wú)異常，若有則量子阱結(jié)構(gòu)需要調(diào)整。 若量子阱確定正常，則檢查電壓、漏電、ESD等數(shù)據(jù)有無(wú)異常，綜合判斷異常點(diǎn)。 亮度高： 根據(jù)外延波長(zhǎng)、板型的不同，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)亮度偏高的情況，可以通過(guò)調(diào)整量子阱的個(gè)數(shù)、結(jié)構(gòu)，調(diào)整Al摻雜，改變襯底等方法進(jìn)行改善?？焖贁?shù)據(jù)常見(jiàn)異常分析-藍(lán)移、Hw

15、Hw、藍(lán)移都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的成色造成影響。為了提高產(chǎn)品的一致性，需要將外延的Hw、藍(lán)移值限定在一定的范圍內(nèi)。藍(lán)移與Hw的大小與量子阱中躍遷能級(jí)的變化幅度有很大關(guān)系。由于InGaN與GaN的晶格失配，會(huì)在量子阱中產(chǎn)生極化效應(yīng)，致使電子躍遷的幅度將發(fā)生變化，將導(dǎo)致Hw增加，藍(lán)移變大。同時(shí)，極化效應(yīng)會(huì)使載流子復(fù)合產(chǎn)生聲子，導(dǎo)致熱阻變大從而影響壽測(cè)。通過(guò)減少In摻雜或者將阱寬減薄的方法，可以減小藍(lán)移和Hw，但是有可能對(duì)亮度造成影響。快速數(shù)據(jù)常見(jiàn)異常分析-ESDESD表現(xiàn)了芯片的抗靜電能力。靜電釋放對(duì)器件造成了破壞，表現(xiàn)為漏電Ir變大。 ESD又分為人體模式與機(jī)械模式。一般來(lái)說(shuō)HM模式峰值電流較大，MM總體釋

16、放能量較多。芯片結(jié)構(gòu)被靜電破壞有兩種可能，一是外延本身結(jié)晶質(zhì)量較差，容易被擊穿。此時(shí)需要針對(duì)Buffer、U、nGaN的生長(zhǎng)條件進(jìn)行調(diào)整。二是外延本身結(jié)晶質(zhì)量還好，但靜電測(cè)試過(guò)程中能量釋放過(guò)于集中，導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)被破壞。此時(shí)則需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。AlGaN對(duì)ESD影響很大。一旦TMAl用完沒(méi)有及時(shí)更換，將造成外延的ESD長(zhǎng)期劇烈變差?？焖贁?shù)據(jù)常見(jiàn)異常分析-快速ESD-Ir首先對(duì)比近期數(shù)據(jù)以及同期其他機(jī)臺(tái)數(shù)據(jù)，排除芯片部的原因。 漏電（Ir）變大、ESD變差 Ir較大表明外延中漏電通道較多，結(jié)晶質(zhì)量較差，此時(shí)ESD差是由于較差的結(jié)晶質(zhì)量經(jīng)受不住大電流轟擊，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性破壞造成的。根據(jù)電壓有沒(méi)有變化或XRD半寬有無(wú)異常，可以判斷是nGaN的Si摻雜過(guò)多、還是Buffer或uGaN生長(zhǎng)條件不適合導(dǎo)致。 Ir變小、ESD變差 Ir較小表明外延原本結(jié)晶質(zhì)量較好，但是大電流轟擊時(shí)由于電能釋放的密度太大，造成期間結(jié)構(gòu)被破壞。結(jié)合電壓有無(wú)變化分析，可能的原因有：nGaN，尤其是n2層，過(guò)薄或nGaN生長(zhǎng)速率太低；pAlGaN過(guò)厚或Al摻雜過(guò)量；n-GaN或量子阱Si摻雜太少等。 Ir變大、ESD超過(guò)100% 大電流轟擊后漏電反而變好，說(shuō)明Ir的來(lái)源不是結(jié)構(gòu)性的漏電通道，有可能是一些不穩(wěn)定的中間能級(jí)缺陷或者電容放電造成的。調(diào)整u、n層溫度，增加AlGaN摻雜