LED芯片MOCVD外延生長(zhǎng)

LED芯片MOCVD外延生長(zhǎng)第1頁(yè)/共41頁(yè)襯底材料的選擇

襯底材料是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的外延生長(zhǎng)技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個(gè)方面：[1]結(jié)構(gòu)特性好，外延材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)晶性能好、缺陷密度??；[2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強(qiáng)；[3]化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕；[4]熱學(xué)性能好，包括導(dǎo)熱性好和熱失配度小；[5]導(dǎo)電性好，能制成上下結(jié)構(gòu)；[6]光學(xué)性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收?。籟7]機(jī)械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等；[8]價(jià)格低廉；[9]大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。

牛牛文庫(kù)文檔分享第2頁(yè)/共41頁(yè)用于氮化鎵生長(zhǎng)的襯底材料性能優(yōu)劣比較

襯底材料Al2O3

SiCSiZnOGaN晶格失配度差中差良優(yōu)界面特性良良良良優(yōu)化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)優(yōu)良差優(yōu)導(dǎo)熱性能差優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)熱失配度差中差差優(yōu)導(dǎo)電性差優(yōu)優(yōu)優(yōu)優(yōu)光學(xué)性能優(yōu)優(yōu)差優(yōu)優(yōu)機(jī)械性能差差優(yōu)良中價(jià)格中高低高高尺寸中中大中小

牛牛文庫(kù)文檔分享第3頁(yè)/共41頁(yè)氮化鎵襯底

用于氮化鎵生長(zhǎng)的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯(cuò)密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度。可是，制備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過(guò)HVPE方法在其他襯底(如Al2O3、SiC)上生長(zhǎng)氮化鎵厚膜，然后通過(guò)剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優(yōu)點(diǎn)非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯(cuò)密度，比在Al2O3

、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯(cuò)密度要明顯低；但價(jià)格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導(dǎo)體照明的襯底之用受到限制。

牛牛文庫(kù)文檔分享第4頁(yè)/共41頁(yè)氮化鎵襯底生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備從高壓熔體中得到了單晶氮化鎵體材料，但尺寸很小，無(wú)法使用，目前主要是在藍(lán)寶石、硅、碳化硅襯底上生長(zhǎng)。雖然在藍(lán)寶石襯底上可以生產(chǎn)出中低檔氮化鎵發(fā)光二極管產(chǎn)品，但高檔產(chǎn)品只能在氮化鎵襯底上生產(chǎn)。目前只有日本幾家公司能夠提供氮化鎵襯底，價(jià)格奇貴，一片2英寸襯底價(jià)格約1萬(wàn)美元，這些襯底全部由HVPE（氫化物氣相外延）生產(chǎn)。HVPE是二十世紀(jì)六七十年代的技術(shù)，由于它生長(zhǎng)速率很快（一分鐘一微米以上），不能生長(zhǎng)量子阱、超晶格等結(jié)構(gòu)材料，在八十年代被MOCVD、MBE（分子束外延）等技術(shù)淘汰。然而，恰是由于它生長(zhǎng)速率快，可以生長(zhǎng)氮化鎵襯底，這種技術(shù)又在“死灰復(fù)燃”并受到重視。可以斷定，氮化鎵襯底肯定會(huì)繼續(xù)發(fā)展并形成產(chǎn)業(yè)化，HVPE技術(shù)必然會(huì)重新受到重視。與高溫提拉法相比，HVPE方法更有望生產(chǎn)出可實(shí)用化的氮化鎵襯底。不過(guò)國(guó)際上目前還沒(méi)有商品化的設(shè)備出售。目前國(guó)內(nèi)外研究氮化鎵襯底是用MOCVD和HVPE兩臺(tái)設(shè)備分開(kāi)進(jìn)行的。即先用MOCVD生長(zhǎng)0.1～1微米的結(jié)晶層，再用HVPE生長(zhǎng)約300微米的氮化鎵襯底層，最后將原襯底剝離、拋光等。由于生長(zhǎng)一個(gè)襯底需要在兩個(gè)生長(zhǎng)室中分兩次生長(zhǎng)，需要降溫、生長(zhǎng)停頓、取出等過(guò)程，這樣不可避免地會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：①樣品表面粘污；②生長(zhǎng)停頓、降溫造成表面再構(gòu)，影響下次生長(zhǎng)。

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Al2O3襯底目前用于氮化鎵生長(zhǎng)的最普遍的襯底是Al2O3，其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見(jiàn)光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對(duì)成熟；不足方面雖然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被過(guò)渡層生長(zhǎng)技術(shù)所克服，導(dǎo)電性能差通過(guò)同側(cè)P、N電極所克服，機(jī)械性能差不易切割通過(guò)激光劃片所克服，很大的熱失配對(duì)外延層形成壓應(yīng)力因而不會(huì)龜裂。但是，差的導(dǎo)熱性在器件小電流工作下沒(méi)有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問(wèn)題十分突出。國(guó)內(nèi)外Al2O3襯底今后的研發(fā)任務(wù)是生長(zhǎng)大直徑的Al2O3單晶，向4-6英吋方向發(fā)展，以及降低雜質(zhì)污染和提高表面拋光質(zhì)量。

牛牛文庫(kù)文檔分享第6頁(yè)/共41頁(yè)SiC襯底

除了Al2O3襯底外，目前用于氮化鎵生長(zhǎng)襯底就是SiC，它在市場(chǎng)上的占有率位居第二，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見(jiàn)光等，但不足方面也很突出，如價(jià)格太高、晶體質(zhì)量難以達(dá)到Al2O3和Si那么好、機(jī)械加工性能比較差。另外，SiC襯底吸收380nm以下的紫外光，不適合用來(lái)研發(fā)380nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能，不需要象Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問(wèn)題，而是采用上下電極結(jié)構(gòu)，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問(wèn)題，故在發(fā)展中的半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位。目前國(guó)際上能提供商用的高質(zhì)量的SiC襯底的廠家只有美國(guó)CREE公司。國(guó)內(nèi)外SiC襯底今后研發(fā)的任務(wù)是大幅度降低制造成本和提高晶體結(jié)晶質(zhì)量。

牛牛文庫(kù)文檔分享第7頁(yè)/共41頁(yè)Si襯底在硅襯底上制備發(fā)光二極管是本領(lǐng)域里夢(mèng)寐以求的一件事情，因?yàn)橐坏┘夹g(shù)獲得突破，外延生長(zhǎng)成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多優(yōu)點(diǎn)，如晶體質(zhì)量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)定性等。然而，由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長(zhǎng)過(guò)程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si襯底上很難得到無(wú)龜裂及器件級(jí)質(zhì)量的GaN材料。另外，由于硅襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)重，LED出光效率低。

目前國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的硅襯底上藍(lán)光LED光功率最好水平是420mW，是德國(guó)Magdeburg大學(xué)研制的。日本Nagoya技術(shù)研究所今年在上海國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇上報(bào)道的硅襯底上藍(lán)光LED光輸出功率為18mW。

牛牛文庫(kù)文檔分享第8頁(yè)/共41頁(yè)Si襯底上生產(chǎn)GaN外延外延襯底

牛牛文庫(kù)文檔分享第9頁(yè)/共41頁(yè)ZnO襯底之所以ZnO作為GaN外延的候選襯底，是因?yàn)樗麄儍烧呔哂蟹浅ｓ@人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續(xù)值小，接觸勢(shì)壘?。?。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點(diǎn)是在GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前，ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來(lái)制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達(dá)不到器件水平和P型摻雜問(wèn)題沒(méi)有真正解決，適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的設(shè)備尚未研制成功。研發(fā)的重點(diǎn)是尋找合適的生長(zhǎng)方法。但是，ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材料。ZnO的禁帶寬度為3.37eV，屬直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，它在380nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲?，是高效紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體激光器的候選材料。這是因?yàn)椋琙nO的激子束縛能高達(dá)60meV，比其他半導(dǎo)體材料高得多（GaN為26meV），因而具有比其他材料更高的發(fā)光效率。另外ZnO材料的生長(zhǎng)非常安全，可以采用沒(méi)有任何毒性的水為氧源，用有機(jī)金屬鋅為鋅源。因而，今后ZnO材料的生產(chǎn)是真正意義上的綠色生產(chǎn)，原材料鋅和水資源豐富、價(jià)格便宜，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展。

牛牛文庫(kù)文檔分享第10頁(yè)/共41頁(yè)外延工藝

由LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事實(shí)上，LED的波長(zhǎng)、亮度、正向電壓等主要光電參數(shù)基本上取決于外延材料。發(fā)光二極管對(duì)外延片的技術(shù)主要有以下四條：①禁帶寬度適合。②可獲得電導(dǎo)率高的P型和N型材料。③可獲得完整性好的優(yōu)質(zhì)晶體。④發(fā)光復(fù)合幾率大。外延技術(shù)與設(shè)備是外延片制造技術(shù)的關(guān)鍵所在，金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，簡(jiǎn)稱(chēng)MOCVD)技術(shù)生長(zhǎng)III-V族，II-VI族化合物及合金的薄層單晶的主要方法。II、III族金屬有機(jī)化合物通常為甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3等，它們大多數(shù)是高蒸汽壓的液體或固體。用氫氣或氮?dú)庾鳛檩d氣，通入液體中攜帶出蒸汽，與V族的氫化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反應(yīng)室，在加熱的襯底表面發(fā)生反應(yīng)，外延生長(zhǎng)化合物晶體薄膜。

牛牛文庫(kù)文檔分享第11頁(yè)/共41頁(yè)CVDCVD是反應(yīng)物以氣態(tài)到達(dá)加熱的襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成固態(tài)薄膜和氣態(tài)產(chǎn)物。利用化學(xué)氣相淀積可以制備，從金屬薄膜也可以制備無(wú)機(jī)薄膜?；瘜W(xué)氣相淀積種類(lèi)很多，主要有：常壓CVD（APCVD），低壓CVD（LPCVD）、超低壓CVD（VLPCVD）、等離子體增強(qiáng)型CVD（PECVD）、激光增強(qiáng)型CVD（LECVD），金屬氧化物CVD（MOCVD），其他還有電子自旋共振CVD（ECRCVD）等方法按著淀積過(guò)程中發(fā)生化學(xué)的種類(lèi)不同可以分為熱解法、氧化法、還原法、水解法、混合反應(yīng)等。

牛牛文庫(kù)文檔分享第12頁(yè)/共41頁(yè)CVD的優(yōu)缺點(diǎn)CVD制備的薄膜最大的特點(diǎn)是致密性好、高效率、良好的臺(tái)階覆、孔蓋能力、可以實(shí)現(xiàn)厚膜淀積、以及相對(duì)的低成本；缺點(diǎn)是淀積過(guò)程容易對(duì)薄膜表面形成污染、對(duì)環(huán)境的污染等常壓CVD（APCVD）的特點(diǎn)是不需要很好的真空度、淀積速度非常快、反應(yīng)受溫度影響不大，淀積速度主要受反應(yīng)氣體的輸運(yùn)速度的影響。LPCVD的特點(diǎn)是其良好的擴(kuò)散性（宏觀表現(xiàn)為臺(tái)階覆蓋能力），反應(yīng)速度主要受淀積溫度的影響比較大，另外溫度梯度對(duì)淀積的薄膜性能（晶粒大小、應(yīng)力等）有很大的影響。PECVD最大的特點(diǎn)是反應(yīng)溫度低（200－400℃）和良好的臺(tái)階覆蓋能力，可以應(yīng)用在AL等低熔點(diǎn)金屬薄膜上淀積，主要缺點(diǎn)是淀積過(guò)程引入的粘污；溫度、射頻、壓力等都是影響PECVD工藝的重要因素。MOCVD的主要優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)溫度低，廣泛應(yīng)用在化合物半導(dǎo)體制備上，特別是高亮LED的制備上。

牛牛文庫(kù)文檔分享第13頁(yè)/共41頁(yè)CVD外延的生長(zhǎng)過(guò)程1、參加反應(yīng)的氣體混合物被運(yùn)輸?shù)匠练e區(qū)；2、反應(yīng)物分子由主氣流擴(kuò)散到襯底表面；3、反應(yīng)物分子吸附在襯底表面上；4、吸附物分子間或吸附物分子與氣體分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成外延成分及反應(yīng)副產(chǎn)物，外延粒子沿襯底表面遷移并結(jié)合進(jìn)入晶格點(diǎn)陣；5、反應(yīng)副產(chǎn)物由襯底表面外擴(kuò)散到主氣流中，然后排出沉積區(qū)。

牛牛文庫(kù)文檔分享第14頁(yè)/共41頁(yè)CVD外延生長(zhǎng)過(guò)程示意圖

牛牛文庫(kù)文檔分享第15頁(yè)/共41頁(yè)立式鐘罩型常壓CVD

牛牛文庫(kù)文檔分享第16頁(yè)/共41頁(yè)臥式高頻感應(yīng)加熱常壓CVD

牛牛文庫(kù)文檔分享第17頁(yè)/共41頁(yè)臥式電阻加熱低壓CVD

牛牛文庫(kù)文檔分享第18頁(yè)/共41頁(yè)臥式等離子增強(qiáng)低壓CVD

牛牛文庫(kù)文檔分享第19頁(yè)/共41頁(yè)立式平板型等離子增強(qiáng)CVD

牛牛文庫(kù)文檔分享第20頁(yè)/共41頁(yè)桶式CVD

牛牛文庫(kù)文檔分享第21頁(yè)/共41頁(yè)MOCVD

金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，簡(jiǎn)稱(chēng)MOCVD）自20世紀(jì)60年代首次提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)70年代至80年代的發(fā)展，90年代已經(jīng)成為砷化鎵、磷化銦等光電子材料外延片制備的核心生長(zhǎng)技術(shù)，特別是制備氮化鎵發(fā)光二極管和激光器外延片的主流方法。到目前為止，從生長(zhǎng)的氮化鎵外延片和器件的性能以及生產(chǎn)成本等主要指標(biāo)來(lái)看還沒(méi)有其它方法能與之相比。

牛牛文庫(kù)文檔分享第22頁(yè)/共41頁(yè)MOCVD的優(yōu)點(diǎn)用來(lái)生長(zhǎng)化合物晶體的各組份和摻雜劑都可以以氣態(tài)方式通入反應(yīng)室中，可以通過(guò)控制各種氣體的流量來(lái)控制外延層的組分，導(dǎo)電類(lèi)型，載流子濃度，厚度等特性。因有抽氣裝置，反應(yīng)室中氣體流速快，對(duì)于異質(zhì)外延時(shí)，反應(yīng)氣體切換很快，可以得到陡峭的界面。外延發(fā)生在加熱的襯底的表面上，通過(guò)監(jiān)控襯底的溫度可以控制反應(yīng)過(guò)程。在一定條件下，外延層的生長(zhǎng)速度與金屬有機(jī)源的供應(yīng)量成正比。

牛牛文庫(kù)文檔分享第23頁(yè)/共41頁(yè)MOCVD及相關(guān)設(shè)備技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀MOCVD技術(shù)自二十世紀(jì)六十年代首先提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)七十至八十年代的發(fā)展，九十年代已經(jīng)成為砷化鎵、磷化銦等光電子材料外延片制備的核心生長(zhǎng)技術(shù)。目前已經(jīng)在砷化鎵、磷化銦等光電子材料生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。日本科學(xué)家Nakamura將MOCVD應(yīng)用氮化鎵材料制備，利用他自己研制的MOCVD設(shè)備(一種非常特殊的反應(yīng)室結(jié)構(gòu))，于1994年首先生產(chǎn)出高亮度藍(lán)光和綠光發(fā)光二極管，1998年實(shí)現(xiàn)了室溫下連續(xù)激射10,000小時(shí)，取得了劃時(shí)代的進(jìn)展。到目前為止，MOCVD是制備氮化鎵發(fā)光二極管和激光器外延片的主流方法，從生長(zhǎng)的氮化鎵外延片和器件的性能以及生產(chǎn)成本等主要指標(biāo)來(lái)看，還沒(méi)有其它方法能與之相比。國(guó)際上MOCVD設(shè)備制造商主要有三家：德國(guó)的AIXTRON公司、美國(guó)的EMCORE公司（Veeco）、英國(guó)的ThomasSwan公司（目前ThomasSwan公司被AIXTRON公司收購(gòu)），這三家公司產(chǎn)品的主要區(qū)別在于反應(yīng)室。

牛牛文庫(kù)文檔分享第24頁(yè)/共41頁(yè)MOCVD設(shè)備公司名稱(chēng)品牌規(guī)格1ThomasSwamCRIUS30×2inCCS3×2in2AIXTRONAIX12×4in49×2in7×6in3VeecoGanzillaTurvoDisc

牛牛文庫(kù)文檔分享第25頁(yè)/共41頁(yè)MOCVD設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)研制大型化的MOCVD設(shè)備。為了滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，MOCVD設(shè)備更大型化。目前一次生產(chǎn)24片2英寸外延片的設(shè)備已經(jīng)有商品出售，以后將會(huì)生產(chǎn)更大規(guī)模的設(shè)備，不過(guò)這些設(shè)備一般只能生產(chǎn)中低檔產(chǎn)品；研制有自己特色的專(zhuān)用MOCVD設(shè)備。這些設(shè)備一般只能一次生產(chǎn)1片2英寸外延片，但其外延片質(zhì)量很高。目前高檔產(chǎn)品主要由這些設(shè)備生產(chǎn)，不過(guò)這些設(shè)備一般不出售。

牛牛文庫(kù)文檔分享第26頁(yè)/共41頁(yè)ThomasSwan的MOCVD實(shí)物

牛牛文庫(kù)文檔分享第27頁(yè)/共41頁(yè)MOCVD參數(shù)

設(shè)備參數(shù)和配置：外延片3×2英寸/爐

反應(yīng)腔溫度控制：1200℃

壓力控制：0～800Torr

激光干涉在位生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

反應(yīng)氣體：氨氣，硅烷（純度：6N）

載氣：氫氣，氮?dú)?；（純度?N）

MO源：三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn),三甲基鋁(TMAl)，二茂基鎂(Cp2Mg)（純度：外延級(jí)）

牛牛文庫(kù)文檔分享第28頁(yè)/共41頁(yè)MOCVD原理圖

牛牛文庫(kù)文檔分享第29頁(yè)/共41頁(yè)國(guó)產(chǎn)MOCVD江蘇光電信息材料實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)

牛牛文庫(kù)文檔分享第30頁(yè)/共41頁(yè)GaN外延片產(chǎn)業(yè)化生長(zhǎng)法GaN外延片產(chǎn)業(yè)化方面廣泛使用的兩步生長(zhǎng)法，工藝簡(jiǎn)述如下：由于GaN和常用的襯底材料的晶格失配度大，為了獲得晶體質(zhì)量較好的GaN外延層，一般采用兩步生長(zhǎng)工藝。首先在較低的溫度下(500～600℃)生長(zhǎng)一層很薄的GaN和AIN作為緩沖層，再將溫度調(diào)整到較高值生長(zhǎng)GaN外延層。Akasaki首先以AIN作為緩沖層生長(zhǎng)得到了高質(zhì)量的GaN晶體。AlN能與GaN較好匹配，而和藍(lán)寶石襯底匹配不好，但由于它很薄，低溫沉積的無(wú)定型性質(zhì)，會(huì)在高溫生長(zhǎng)GaN外延層時(shí)成為結(jié)晶體。隨后Nakamura發(fā)現(xiàn)以GaN為緩沖層可以得到更高質(zhì)量的GaN晶體。

牛牛文庫(kù)文檔分享第31頁(yè)/共41頁(yè)MOCVD法生長(zhǎng)GaN的主要技術(shù)要求MOCVD技術(shù)最初是為制備GaAs和InP等化合物半導(dǎo)體材料而開(kāi)發(fā)的，用于GaN基材料外延生長(zhǎng)時(shí)，采用的是NH3氣源，危險(xiǎn)性降低，但對(duì)設(shè)備的要求不僅沒(méi)有降低，反而提出了更為特殊的要求：1、生長(zhǎng)溫度高，接近1200度的高溫表面對(duì)氣體產(chǎn)生熱浮力，氣體難以到達(dá)襯底表面；2、NH3具有強(qiáng)腐蝕性，反應(yīng)器材料要能適應(yīng)；3、TMGa/TMIn/TMAl等對(duì)氧氣和水份特別敏感，要求氣體純度高，且與大氣隔離；4、形成摻Mg的P型層后，要經(jīng)熱處理激活；5、TMGa和NH3即使在低溫下也會(huì)預(yù)反應(yīng)形成新產(chǎn)物；6、形成多層膜時(shí)，氣體成份要快速切換，以形成陡峭界面；7、既要求膜厚均勻，又要求組分均勻。

牛牛文庫(kù)文檔分享第32頁(yè)/共41頁(yè)MOCVD法生長(zhǎng)GaN存在的問(wèn)題1、襯底要求與外延材料的晶格失配度小、熱膨脹系數(shù)接近、有較大的尺寸、價(jià)格便宜、適應(yīng)生產(chǎn)等，GaN匹配的襯底少；2、氣相預(yù)反應(yīng)帶來(lái)的加合物和聚合物在反應(yīng)器氣體噴口凝結(jié)，在反應(yīng)室避沉積以及在氣相中形成微粒，阻礙反應(yīng)物輸送、影響外延膜的質(zhì)量以及縮短設(shè)備維護(hù)周期和損害泵系統(tǒng)；3、NH3的利用低，尾氣對(duì)環(huán)境影響較大；4、設(shè)備的氣密性和氣體純度要求很高；5、氣氛適應(yīng)性和氣流控制也存在較大的難度；

牛牛文庫(kù)文檔分享第33頁(yè)/共41頁(yè)InGaAlP材料的外延制作四元系InGaAlP化合物半導(dǎo)體是制造紅色和黃色超高亮度發(fā)光二極管的最佳材料，InGaAlP外延片制造的LED發(fā)光波段處在550～650nm之間，這一發(fā)光波段范圍內(nèi)，外延層的晶格常數(shù)能夠與GaAs襯底完善地匹配，這是穩(wěn)定批量生產(chǎn)超高亮度LED外延材料的重要前提。AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生長(zhǎng)技術(shù)和多量子阱結(jié)構(gòu)，波長(zhǎng)625nm附近其外延片的內(nèi)量子效率可達(dá)到100%，已接近極限。目前MOCVD生長(zhǎng)InGaAlP外延片技術(shù)已相當(dāng)成熟。InGaAlP外延生長(zhǎng)的基本原理是，在一塊加熱至適當(dāng)溫度的GaAs襯底基片上，氣態(tài)物質(zhì)In,Ga,Al,P有控制的輸送到GaAs襯底表面，生長(zhǎng)出具有特定組分，特定厚度，特定電學(xué)和光學(xué)參數(shù)的半導(dǎo)體薄膜外延材料。III族與V族的源物質(zhì)分別為T(mén)MGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3與AsH3。通過(guò)摻Si或摻Te以及摻Mg或摻Zn生長(zhǎng)N型與P型薄膜材料。對(duì)于InGaAlP薄膜材料生長(zhǎng)，所選用的III族元素流量通常為(1-5)×10-5克分子，V族元素的流量為（1-2）×10-3克分子。為獲得合適的長(zhǎng)晶速度及優(yōu)良的晶體結(jié)構(gòu)，襯底旋轉(zhuǎn)速度和長(zhǎng)晶溫度的優(yōu)化與匹配至關(guān)重要。細(xì)致調(diào)節(jié)生長(zhǎng)腔體內(nèi)的熱場(chǎng)分布，將有利于獲得均勻分布的組分與厚度，進(jìn)而提高了外延材料光電性能的一致性。

牛牛文庫(kù)文檔分享第34頁(yè)/共41頁(yè)GaInN外延的制作氮化物半導(dǎo)體是制備白光LED的基石，GaN基LED外延片和芯片技術(shù)，是白光LED的核心技術(shù)，被稱(chēng)之為半導(dǎo)體照明的發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，為了獲得高質(zhì)量的LED，降低位錯(cuò)等缺陷密度，提高晶體質(zhì)量，是半導(dǎo)體照明技術(shù)開(kāi)發(fā)的核心。

牛牛文庫(kù)文檔分享第35頁(yè)/共41頁(yè)外延生長(zhǎng)方法的改進(jìn)為了得到高質(zhì)量的外延層，已經(jīng)提出很多改進(jìn)的方法，主要如下：①常規(guī)LEO法LEO是一種SAE(selectiveareaepitaxy)方法，可追溯到Nishinaga于1988年對(duì)LPE(liquidphaseepitaxy)的深入研究，LEO常用SiO2

或SiNx作為掩膜（mask），mask平行或者垂直襯底的（11-20）面而放置于buffer或高溫生長(zhǎng)的薄膜上，mask的兩種取向的側(cè)向生長(zhǎng)速率比為1.5，不過(guò)一般常選用平行方向(1100)。GaN在窗口區(qū)向上生長(zhǎng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)掩膜高度時(shí)就開(kāi)始了側(cè)向生長(zhǎng)，直到兩側(cè)側(cè)向生長(zhǎng)的GaN匯合成平整的薄膜。

牛牛文庫(kù)文檔分享第36頁(yè)/共41頁(yè)P(yáng)E(Pendeoepitaxy)法襯底上長(zhǎng)緩沖層，再長(zhǎng)一層高溫GaN選擇腐蝕形式周期性的stripe及trench，stripe沿(1-100)方向，側(cè)面為（11-20）PE生長(zhǎng)，有二種模式。ModelA：側(cè)面（11-20）生長(zhǎng)速率大于(0001)面垂直生長(zhǎng)速率；ModelB：開(kāi)始(0001)面生長(zhǎng)快，緊接著又有從新形成的（11-20）面的側(cè)面生長(zhǎng)。一般生長(zhǎng)溫度上升，modelA可能性增大，有時(shí)在同一個(gè)PE生長(zhǎng)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)兩種生長(zhǎng)模式，這是由于生長(zhǎng)參數(shù)的微小波動(dòng)造成擴(kuò)散特性的改變，從而也揭示了與生長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)學(xué)有關(guān)的參數(shù)(如平均自由程，平均壽命)相聯(lián)系的閾值能量很低。PE生長(zhǎng)得到的GaNTD密度下降了4-5個(gè)個(gè)量級(jí)，SEM顯示側(cè)面生長(zhǎng)的GaN匯合處或者是無(wú)位錯(cuò)或者是空洞，但在這些空洞上方的GaN仍為無(wú)位錯(cuò)區(qū)；AFM顯示PE生長(zhǎng)的GaN表面粗糙度僅為原子級(jí)，相當(dāng)光滑；實(shí)驗(yàn)表明，PE生長(zhǎng)比相同結(jié)構(gòu)的LEO生長(zhǎng)快4-5倍，且PEGaN的應(yīng)力比LEOGaN中的小5-10倍。

牛牛文庫(kù)文檔分享第37頁(yè)/共41頁(yè)其它新型外延材料ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材料。ZnO的禁帶寬度為3.37eV，屬直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比，它在380nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲?，是高效紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體激光器的候選材料。這是因?yàn)?，ZnO的激子束縛能高達(dá)60meV，比其他半導(dǎo)體材料高得多（GaN為26meV），因而具有比其他材料更高的發(fā)光效率。ZnO材料的生長(zhǎng)非常安全，既沒(méi)有GaAs那樣采用毒性很高的砷烷為原材料，也沒(méi)有GaN那樣采用毒性較