（材料物理与化学专业论文）gan基led电极结构设计与模拟.pdf

摘要 摘要 目前常规的g a n 基半导体发光二极管( l e d ) 器件是在蓝宝石衬底上外延生长制 备的，由于电极在同一侧，形成台面结构，电流要横向传输，极易产生电流拥挤 效应，导致l e d 发光、发热不均匀。 本文定性分析了g a n 基l e d 的电流扩展效应，发现电流密度，n g a n 掺杂浓度 和电流横向扩展的有效长度对电流的均匀扩展有很大影响。采用s i l v a c o 软件， 利用二维有限元的方法，从l e d 工作的物理机制方面仿真得到l e d 的电学等特性。 比较了3 种不同尺寸的l e d 器件内的电流分布，得到电流密度与l 的关系曲线， 发现减小电流扩展长度l 可以提高电流的均匀性。 表面电流扩展对于器件的特性起着很重要的作用。运用有限元分析软件 a n s y s ，建立了l e d 的电流扩展的三维模型，模拟l e d 顶面电流扩展情况和内部电 流密度分布。比较分析了四种不同电极结构的常规3 0 0 u m x3 0 0 u m 的l e d ，发现负 电极l 型扩展和环形扩展电流分布较均匀。接着又设计并模拟了三种不同电极结 构的条形l e d ，比较得到了两种电流扩展相对均匀的结构，且可以作为商品化条形 l e d 的电极结构。最后，针对i m m xi m m 的大功率l e d ，设计了四种不同的电极结 构，通过仿真和对比，发现减小电流横向扩展的有效长度l 的确可以提高电流均 匀性。在相同工艺参数下，采用插指型电极结构且当插指数为5 时，电流分布最均 匀。五插指结构可以作为大功率l e d 的电极图形。 关键词：g a nl e d 电极结构电流扩展 a b s t r a c t 3 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h ec o n v e n t i o n a lg a n - b a s e dl i g h t - e m i t t i n gd i o d e s ( l e d s ) a r e f a b r i c a t e do ns a p p h i r es u b s t r a t e sb ye p i t a x i a lg r o w t h n el a t e r a lc u r r e n tt r a n s p o r ta r e i n e v i t a b l ye x i s ti nt h em e s a - s t r u c t u r eg a nb a s e dl e d s ，w h i c hc a u s e st h ec u r r e n tt o c r o w dn e a rt h ee d g eo ft h en - c o n t a c tp a da n dc a u s e st h el i g h to u t p u ta r en o tu n i f o r m i nt h i sp a p e r ，t h ec u r r e n ts p r e a d i n ge f f e c ti sq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d 刀l ea p p l i e d c u r r e n td e n s i t y ，t h en - t y p ed o p i n gc o n c e n t r a t i o na n dt h ee f f e c t i v el e n g t ho ft h el a t e r a l c u r r e n tt r a n s p o r ta r ef o u n dt oh a v eac o n s i d e r a b l ee f f e c to nt h eu n i f o r mc u r r e n t s p r e a d i n g e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fal e d i ss i m u l a t e dw i t ht h es o f t w a r eo fs i l v a c o ，b y u s i n gt w o - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h r e ek i n d so fd i f f e r e n ts i z e so fl e d s c u r r e n td i s t r i b u t i o ni n s i d et h ed e v i c ea r ec o m p a r e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e c u r r e n td e n s i t ya n dli sf o u n d i ti sa l s of o u n dt h a tc u r r e n tu n i f o r m i t yc a nb ei m p r o v e d b yr e d u c i n gt h ec u r r e n te x p a n s i o nl e n g t h ( l ) s u r f a c ec u r r e n ts p r e a d i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ec h a r a c t e r i s t i c sf o rt h el e d d e v i c e t o ps u r f a c ec u r r e n t ss p r e a d i n ga n dt h ei n t e r n a lc u r r e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o ni n t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l sa r es i m u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s f o u rd i f f e r e n te l e c t r o d es t r u c t u r et y p e so fl e d sw i t hac h i ps i z eo f3 0 0 u r nx3 0 0 u ma r e c o m p a r e da n da n a l y z e d i ti sd e a r l ys h o w nt l l a tt w ot y p e so f f o u rh a v eau n i f o r m c u r r e n td i s t r i b u t i o n t h e n , t h r e es p e c i a ls h a p el e d sw i t ht h r e ed i f f e r e n te l e c t r o d e s t r u c t u r e sa r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h ec u r r e n td i s t r i b u t i o ni sc o m p a r e da n dt w o g o o ds t r u c t u r e sa r ec h o o s e dt ou s ei nc o m m e r c i a l i z a t i o n a tl a s t ，f o u rd i f f e r e n ts t r u c t u r e l e d sw i t hac h i ps i z eo fl m m l m ma r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e d i ti sf o u n dt h a t r e d u c i n gt h ec u r r e n te x p a n s i o nl e n g t h ( l ) i sa ne f f e c t i v em e t h o dt og e tau n i f o r m c u r r e n td i s t r i b u t i o n i nt h es a m ep r o c e s sp a r a m e t e r s ，u s i n gp l u g - f i n g e re l e c t r o d e s t r u c t u r ec a nd e c r e a s et h ec u r r e n tc r o w d i n g w h e nt h en u m b e ro fi n s e r t e df i n g e r si sf i v e ， c u r r e n td i s t r i b u t i o ni sm o s tu n i f o r ma n dt h i se l e c t r o d es t r u c t u r ec a nb eu s e da s l l i g h p o w e rl e d se l e c t r o d e sg r a p h i c s k e yw o r d s ：g a n l e de l e c t r o d e s t r u c t u r ec u r r e n ts p r e a d i n g 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 色i 酸 日期碰：主丕 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保蜜，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 耋丝 日期型! ：主! 亟 导师签名： 刍= 三三三二_ 一 日期 趔竺：! ：巫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 自从人类进入电子时代，半导体材料就成为电子科技发展的基石。半导体材 料的研究和应用是整个材料科学发展的重要分支，是研制微电子器件、光电子器 件与集成电路的基础。半导体材料的发展经历了以下三个阶段： 第一代半导体：诞生于2 0 世纪4 0 年代，以s i 和g e 为主，其特征是频率低、 非直接带隙，他们促进了晶体管、集成电路和计算机的发明。 第二代半导体：2 0 世纪6 0 年代诞生了以g a a s 、i n p 化合物半导体材料为代表 的第二代半导体材料，促进了光电子及军用微电子( 1 - 3 0 0 g h z ) 的发展。在无线 通讯、光纤通信等领域获得了发展应用。 第三代半导体：兴起于2 0 世纪8 0 年代，也就是宽带隙半导体材料( e g 2 3 e v ) ， 包括氮化镓( g a n ) 、氮化铝( a l n ) 、碳化硅( s i c ) 、立方氮化硼( c b n ) 、硒化 锌( z n s e ) 、氧化锌( z n o ) 、金刚石及i n g a a i n 合金等。其具有优良的物理和化 学特性，在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。 v 族氮化物半导体材料主要包含g a n 、a i n 、i n n 、及其合金l n g a n 、a i g a n 等。可以通过控制不同的组分，得到不同的禁带宽度，可以从i n n 的1 9 e v 到g a n 的3 4 e v 直到a i n 的6 2 e v 不断变化，其波长涵盖了从红外到近紫外的整个可见光 区。由于他们特有的禁带宽度，可以用来制作绿光，蓝光和紫外的发光器件和光 电探测器。 2 0 世纪9 0 年代初期，随着材料生长和器件工艺的不断完善和发展，g a n 基器 件才发展起来。1 9 8 9 年a m a l l o 等人首次制作得到p 型g a n ，并制作了第一支 l e d 1 】；1 9 9 2 年s n a k a m u r a 2 3 - 4 】制造出他的第一支蓝光l e d 。随后g a n 系列材 料和器件成为国内外光电领域的主要研究对象。用g a n 系列材料制成的高亮度蓝、 绿、紫光紫外l e d 和l d 已经在市场上广泛销售。l e d 有颜色纯，功耗低，寿命 长等诸多优点，所以它发展迅速，应用同趋广泛。g a n 基材料的迅速发展使其在 全彩色显示、照明、信息存储、检测设备和医疗设备等方面的应用越来越广泛【5 棚。 1 2g a n 基半导体器件发展概况 由于g a n 材料具有宽禁带、高电子漂移饱和速度、高热导率、化学稳定性好 等众多优势，但是由于难得到g a n 体单晶、g a n 外延层位错密度大、存在较高的 2 g a n 基l e d 电极结构设计与模拟 1 1 型背景载流子浓度及p 型掺杂效果不佳等因素限制了其发展。蓝光l e d 的主要 半导体材料也一度集中在s i c 、z n s e 上，s i c 基蓝光l e d 也曾实现了商品化，但 是s i c 作为间接带隙半导体材料，其发光亮度很低，以至于它的应用范围很窄。 自从上世纪9 0 年代对p 型g a n 材料制备技术的实现旧1 以后，g a n 在光电器件，特 别是蓝绿光、紫光和紫外l e d 方面十几年来一直受到国内外研究人员的强烈关注。 由于g a n 材料的特殊性能，还适用于制作a i g a n g a n 高电子迁移率晶体管 ( h e m t ) ，其具有禁带宽度大、电子饱和速度高和击穿电场强等一系列优点，非常 适用于高频、大功率与高温器件n 阳。目前，在蓝宝石衬底上的a l g a n g a nh e m t 器件最大饱和电流为l1 3 0 m a m m ，截止频率f r 可达到1 0 7 g h z ，最大振荡频率懈 可达到1 5 1 g h z ，x 波段连续波功率密度达到3 0 w r a m 1 。a 1 g a n g a nh e m t 器 件在微波大功率特性方面取得很大的进步，也一直是国内外研究的重点。 众多国际大公司加强了对l e d 的投资与研究开发，如首尔半导体、日本日亚、 p h i l i p s 、l u m i l e d s 、美国c r e e 等，其中日本日亚公司在1 9 9 1 年研制出同质结g a n 蓝色l e d ，峰值波长达到4 3 0 n m ，光谱半宽为5 5 n m ，其光输出外量子效率约为 0 1 8 。其结构是：在( 0 0 0 1 ) 面蓝宝石a 1 2 0 3 衬底上先生长2 s u m 的g a n 过渡层， 生长0 8 u m 的硅掺杂n - g a n ，再生长约4 u m 的镁掺杂p 型g a n 。1 9 9 4 年日亚公 司研发出i n g a n a i g a n 双质结( d h ) 高亮度蓝色l e d 。p 型g a n 为欧姆接触层， 生长之后在7 0 0 的n 2 气氛下进行热处理来改善其质量。在芯片制造过程中，首 先局部刻蚀掉顶部的p 型g a n 层，直到露出n - g a n 为止；接着分别将n i a u 和 t y a l 蒸发到n - g a n 和p g a n 上形成接触电极；最后将片子切成一个个管芯，贴装 在引线框架上进行封装。这种i n g a n a i g a n 双质结( d h ) 高亮度蓝光二极管的峰值 波长为4 5 0 n r n ，光谱半宽仅为7 0 r i m ，外量子效率为5 4 ，正向电压为3 6 v ，最 大为4 v 。2 0 m a 下的光输出功率达到3 m w ，发光强度也非常大，是目前各种性能 指标都非常好的蓝光二极管产品u 2 1 3 ，。 随着m o c v d 技术和g a n 系材料在l e d 产品中的大量应用，目前l e d 已经 实现了全彩化和高亮度化。尤其是2 0 世纪9 0 年代初出现的g a n 基蓝绿光l e d ， 发展极为迅速，1 0 年间发光效率增长了1 0 0 倍。随着超高亮度a 1 g a l n pl e d 和蓝 色i n g a nl e d 的实用化，使可见光l e d 的应用领域由室内拓展到室外，由单色显 示发展为彩色显示，信息显示的密度在不断提高，信息显示的距离在逐步由近及 远。全色超高亮度l e d 的实用化和商品化，使照明技术面临一场新的革命，由多 个超高亮度红、蓝、绿三色l e d 组成的像素管不仅可以发出波长连续可调的各种 色光，而且还可以发出亮度达几十到一百烛光的白色光成为照明光源【i4 1 。对于相 同发光亮度的白炽灯和l e d 像素管来说，后者的功耗只占前者的1 0 - - 2 0 ，白 炽灯的寿命一般不超过2 0 0 0 小时，而l e d 灯的寿命长达数万小时。公路、铁路 的交通信号灯、警示灯、标志灯，和各类汽车的指示灯，用超高亮度l e d 取代加 第一章绪论 3 滤光片的白炽灯泡，不仅响应速度快，寿命长、抗震、耐冲击，而且效率高、节 省电能。超高亮度l e d 将有可能成为一种很有竞争力的新型电光源。利用g a n 基 蓝、紫光l e d 芯片和荧光粉制作的白光l e d 流明效率已经超过了白炽灯，达到 8 5 - 9 0 1 删1 5 , 1 6 ，使得l e d 逐渐进入普通照明领域成为可能，而且其流明效率仍 在不断提高。白光l e d 以其节能环保、长寿命、全固态、体积小等诸多优势已经 在仪器设备照明、飞机照明、汽车照明、移动电话、装饰照明得到广泛应用。 因为半导体照明诱人的发展前景，美、日、欧盟等发达国家和地区都由政府组 织启动了l e d 照明计划，如日本的“2 l 世纪光计划”、美国的“国家半导体照明计 划”、欧盟的“彩虹计划”等。我们国家也于2 0 0 3 年6 月1 7 日，由科技部牵头正式 启动中国“国家半导体照明工程”。 1 3l e d 电极的研究现状 g a n 系材料是重要的i i i - v 族化合物半导体材料，g a n 系发光二极管( l e d ) 是 发展固态照明、实现人类照明革命的关键性光源，具有广泛的应用前景。目前商 品化的l e d 生产主要采用金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 的方法在蓝宝石 衬底上外延得到。由于其衬底蓝宝石为绝缘体，所以必须通过刻蚀器件表面形成 台面结构n l1 8 1 9 ，p 型电极和n 型电极在同一侧，不可避免地存在电流的横向扩展， 从而极易产生电流拥挤效应n9 矧。这将导致l e d 发光、发热不均匀，使用寿命下 降等问题乜卜2 们。对于大面积的大功率l e d ，电流拥挤更加严重，必须通过电极结 构优化设计来提高电流均匀性。 电流拥挤效应加速器件退化的可能原因主要包括：( 1 ) 台面边缘局部区域产生 过多焦耳热，热量不能有效扩散，致使器件的结温比较高；( 2 ) 局部区域电流密度 大，使得金属的电迁移在局部比较严重，加速了器件退化。这种电流拥挤效应会 随着器件老化而更加严重，形成恶性循环，最终使得器件失效汹1 。 目前国内外对l e d 电极的研究多集中与通过什么样的工艺条件可以制作 n - g a n 和p g a n 材料的良好欧姆接触，集中于形成良好欧姆接触的机理研究，集 中于电流拥挤效应对器件性能影响和加速器件退化的研究；所以对于l e d 不同尺 寸不同版图下的电极结构设计和电极结构对电流拥挤效应影响的研究甚少。基本 情况如下： e l i a s h c v i c h 等报道了横向l e d 中的电流拥挤效应，并在忽略透明电极层的电 阻的情况下得出：为了得到均匀的电流分布，n g a n 层和透明电极层的电导率应 该在同一个数量级。k i m 等在考虑透明电极层电阻率的情况下，也得到了相似的 结论乜1 毙2 a 。e b o n g 等用a i m s p i c e 软件在电路模型的基础上模拟了l e d 的电流扩 展，得到了两种采用简单电极结构的l e d 的电流分布，但是这种方法计算精度较 4 g a n 基l e d 电极结构设计与模拟 差啪1 。沈光地等提出了用红外热像仪测量器件表面的温度分布，来验证电流扩展 的均匀性胁1 ，由于l e d 器件表面温度跟量子阱附近的温度有比较大的差异，所以 此方法只能定性的比较电流均匀性。器件表面电极的结构以及欧姆接触的制作对 于改善器件电流扩展是非常重要的，通过优化电极结构可以优化电流扩展分布， 减少器件串联电阻，进而减少焦耳热的产生，以达到改善器件特性的目的心蛐1 。也 有研究者提出了简单的常规l e d 的电极结构，优化电极结构并比较性能差异啪1 。 1 4 本文研究内容 由于目前l e d 电极结构设计比较缺乏，本文先从器件仿真的角度发现影响电 流均匀性的因素，然后从影响电流均匀的电流扩散长度的交流考虑设计电极结构。 运用软件模拟l e d 的特性，快速有效，节约资源，并可以反映器件内部的电流分 布情况。本文将运用s l l v a c o 公司的a t l a s 器件仿真软件1 ，建立不同结构的 二维器件模型，模拟分析g a n 基l e d 的特性，并得到内部电流密度的分布，进而 对器件结构进行优化，对器件制造提供理论支持，指导电极结构的设计和优化。 从理论分析的角度得到影响电流分布均匀性的因素有器件的工作电流大小，n - g a n 的掺杂浓度，电流扩展路径长度。接着用a n s y s 软件模拟l e d 顶面电流扩展情 况和内部电流密度分布。比较分析了四种不同电极结构的常规3 0 0 u r n 3 0 0 u r n 的 l e d ，发现负电极l 型扩展和环形扩展电流分布较均匀。接着又设计模拟了三种 不同电极结构的条形l e d ，比较得到了两种电流扩展相对均匀的结构，且可以作 为条形l e d 的电极结构。最后，针对l m m xl m m 的大功率l e d ，设计了四种不 同的电极结构，通过仿真和对比得出当插指数为5 时，电流分布很均匀，且这种 五插指的电极结构可以作为大功率l e d 的电极结构。 第二章g a n 材料的有关性质 第二章i i i 族氮化物材料的有关性质 2 1i i i 族氮化物材料的优势 第三代半导体材料的代表，一n 族材料得到了越来越广泛的关注。g a n 基材 料是宽禁带直接带隙半导体材料，具有优良的电学与光学性能，如宽的禁带宽度、 高的击穿电场、电子饱和速度高、热导率非常大、耐高温、耐腐蚀、耐放射线辐 射等诸多优点，特别适合于制作高效率的发光器件以及耐高温、耐高压的大功率 微波器件等。作为新型的宽禁带半导体材料，g a n 材料近年来一直是国际上化合物 半导体方面研究的热点。g a n 在电流通过时可发出蓝光口羽，在其中加入适量的铟元 素后可以改变其发光颜色，它可与i n n ，a i n 形成组分连续可变的三元或四元固溶 体合金( a i g a n 、i n g a n 、a 1 i n g a n ) ，对应的波长覆盖了红光到近紫外光的范围口3 3 射。由于量子限制效应会在m q w s 中产生很高浓度的载流子，增加了载流子的复 合效率，辐射强度非常可观。g a n 基l e d ，作为半导体“冷”光源，具有高效节能、 无污染、多色彩、长寿命等特点，是传统照明光源的理想替代品，在光电子领域 具有极大的应用前景。 与s i c 材料相比，g a n 材料的不足主要是它的热导率比s i c 的低，但是g a n 的 迁移率又比s i c 高；更重要的是，g a n 系列材料可以形成调制掺杂的a i g a n g a n 异 质结，由于极强的压电极化与自发极化效应的存在，即使在未掺杂的情况下， a i g a n g a n 异质结界面也能形成高浓度的二维电子气( 2 d e g ) 3 6 3 。二维电子气具有 非常高的迁移率，可以获得极高的峰值电子速度和饱和电子速度训。g a n 材料研究 与器件应用的迅速发展，扩大了半导体器件的应用领域，其中很多领域是第一代、 第二代半导体所不能胜任的。 2 2 1g a n 材料的晶体结构 2 2g a n 结构及性质 族氮化物主要存在两种晶体结构：纤锌矿( w u r t z i t e ) 结构和闪锌矿 ( z i n e b l e n d e ) 结构，其中纤锌矿结构是稳定结构，而闪锌矿结构是亚稳态的， 它们的群空间分别是g , 4 和t 。2 。在一般情况下，由于n 原子和i i l 族金属原子的电负 性相差特别大，它们所形成的共价键存在很大的离子键成分，使得纤锌矿结构成 为一种热力学稳态的结构，在外延生长时纤锌矿结构更容易生长。因此人们对纤 6 g a n 基l e d 电极结构设计与模拟 锌矿结构的i i i 族氮化物研究的更多，后面主要介绍的是纤锌矿结构的i i i 族氮化物。 纤锌矿型g a n 属于六方结构。g a 和n 双原子面沿 0 0 0 1 方向交替堆积而成， 堆积顺序为：g a n 6 a b n b g a n g a 龇g a n g a 批。闪锌矿型g a n 由立方单胞构成，单 胞中的原子位置类似于金刚石结构。它的密排面是( 1 11 ) ，每个密排面是g a 和n 双原子面构成，沿 1 1 1 方向的原子堆积顺序为：g a n g a b n g a 。n 。g a n g a b n n g 削c ， 如图2 1 所示。 o g a一n ( 1 ) 纤锌矿型结构 c 2 ) 闪锌矿型结构 图2 16 a n 晶体的两种基本结构 由以上的两种空间结构可知，它们都不具备空间中心反演对称性，并且g a 原 子和n 原子的电负性差别很大，使g a n 材料具有很强的极性。 2 2 2g a n 材料的基本性质 g a n 晶体材料的一些物理参数如表2 1 所示。 表2 1g a n 晶体基本参数 第二章g a n 材料的有关性质 7 2 3 1g a n 的电学特性 2 3g a n 的电学特性与能带 g a n 属于宽禁带半导体材料，具有直接带隙结构，直接带隙决定了g a n 可以用 于制作发光器件。由于g a n 的禁带宽度大，使其在很大的温度范围内本征载流子 浓度都很低，但是非故意掺杂的g a n 都是呈现n 型，且本底载流子浓度较高。目 前最好的非故意掺杂g a n ，电子浓度可以达到1 0 拍c m - 3 数量级嘲。一般g a n 的载流 子浓度在1 0 ”- 1 0 1 8 c 一范围内。 g a n 材料电学性能的另一个重要参数是载流子迁移率，它是电场、温度、掺杂 和外延材料质量的函数。因为g a n 的电子和空穴的有效质量比传统半导体材料大， 所以它的载流子迁移率较低。理论上，有人计算了g a n 的低场室温迁移率，得出 g a n 中电离杂质浓度为1 0 1 7 - 1 0 c m - 3 时，其迁移率为1 0 0 - 1 3 0 0 c m 2 v s 呻1 。 2 3 2g a n 的能带结构 g a n 具有直接带隙结构，它们的能带结构与直接带隙的闪锌矿型结构的g a a s 接近，但也有很大的不同。一个主要不同的地方是在晶体场的作用下，g a n 的价带 简并消失，因此而存在三种带隙激子，分别叫做a 激子、b 激子和c 激子。另外由 于g a n 的价带严重偏离抛物线性，有效质量近似在g a n 的价带中不大适用，而用 于g a a s 和其它的一v 族半导体则非常有效m 1 。应力对g a n 价带边偏移的影响小 g a n 基l e d 电极结构设计与模拟 于其对g a a s 的影响。 图2 2 纤锌矿g a n 的能带结构。 ic v v s p l i t - o f fb a n d 图2 3 闪锌矿g a n 的能带结构。 纤锌锌矿结构和闪锌矿结构的价带都有三个劈裂的能带，它来自于自旋轨道 的相互作用和晶体的对称性“羽。纤锌锌矿结构g a n 禁带宽度大于其闪锌矿结构的 禁带宽度，其能带结构如图2 2 所示h 。 第三章l e d 器件基础 第三章l e d 器件基础 3 1g a n 基l e d 器件结构与工艺 l e d 器件芯片大都是用金属有机物气相沉积法( m 0 c v d ) 或分子束外延法( m b e ) 在8 0 u m 厚的蓝宝石衬底上先生长一层低温g a n 缓冲层，再在高温条件下外延一层 ng a n ，接着在n g a n 外延层匕生长5 1 2 层的多量子阱层，然后在多量子阱层上 外延p - 6 a n 层，接着在p - g a n 层上制作i t o 透弱电极并淀积金属n i u ( 5 n m 5 n m ) 作为p 电极，最后刻蚀掉部分p - g a n 与n g a n “，露出n g a n 并制作n 电极，n 电 极采用金属t i a 1 n i a u 。l e d 器件一般结构模型如图3 1 所示。 g 白n d 删m 口 图3il e d 器件一般结构模型图 对于不同颜色，不同亮度的l e d 芯片其制造过程都是类似的。l e d 芯片的制作 鲁暨包含前工和后工两部分。前工有分以下几个步骤：发光材料的外延生长、研 磨、化学抛光、金属蒸镀、光刻、腐蚀以及舍金工艺，是芯片制造的主要部分， 其决定了芯片内部质量。后工主要包括：芯粒的切割、分检、封装、参数检测， 入库等。 前工序加工的主要设备、仪器有：m o c v d 外延设备、电子柬蒸发、离子溅射、 光刻机、研磨机、划片机、清洗机、芯片测试分选机，以及各种光电参数的检测 仪器。后工序封装的主要设备有：自动装片机、自动焊线机、自动点胶机、自动封 装机、光电参数测试分选机、编带机、光电参数检测仪，以及s m d l e d 封装设备。 3 1 1 衬底的选择与外延生长 g a s 材料有很多种生长方法，如高压合成g a n 体材料、同质外延、异质外延1 。 但是由于6 a n 熔点达到2 5 0 0 具有非常高的氨饱和蒸汽压，所以高压合成g a n 体材料这种方法在工艺技术上难度大，井且合成的体积小，质量也不理想，无法 l o g a n 基l e d 电极结构设计与模拟 达到商业的要求。 同质外延生长使用的衬底材料为g a n ，通常采用的是使用h v p e 方法结合剥离 工艺得到的质量不是特别高的g a n 衬底。g a n 材料由于缺少合适的体单晶衬底，通 常采用异质外延技术h 引。目前比较合适的衬底材料有g a a s 、蓝宝石、s i 、s i c 或 其他衬底。衬底材料对于异质外延g a n 的晶体质量有很大的影响，进而影响器件 的质量，因此对衬底的选择绝对是至关重要的h 引。衬底材料的选择一般考虑结构 匹配、晶格常数匹配、热膨胀系数匹配、可大尺寸和价格适宜等原则。对g a n 衬 底材料的选择，已经有很多尝试，但是到目前为止，仍然没有找到最理想的衬底。 在所选的衬底中，g a a s 和s i 衬底比较便宜，制备工艺已经相对成熟，可以大 面积获得，用这两种衬底来生长g a n ，将来有望将g a n 光电器件与非常成熟的s i 和g o a s 电子器件集成在一起。s i c 与g a n 的晶格失配最小，为3 5 ，并且有研究 在s i c 衬底上己获得了质量优异的g a n 材料，但是s i c 衬底的缺点就是价格比较 昂贵，且难以制备“7 1 。现在蓝宝石衬底使用最为普遍，因为它具有跟氮化物稳定 结构相同的六方对称性，在高温下稳定性好，而且制备工艺比较成熟，价钱也相 对便宜，但是其晶格失配比s i c 衬底大。虽然蓝宝石难解理，硬度很高，给器件 生产工艺带来诸多不便，提高了生产的成本，但是易于外延生长得到高质量的g a n 外延片，所以目前蓝宝石衬底在工业大规模生产中得到广泛的应用，也是g a n 基 l e d 商业化中最成功的衬底。目前在实验室进行g b n 材料外延与器件制作的研究工 作中使用的也多是蓝宝石衬底。蓝宝石和s i c 衬底还有一个共同的缺点就是缺乏 大尺寸的单晶片，难以制备大尺寸的单晶衬底，目前常用的仅限于2 或3 英寸大 小，衬底的质量和尺寸还有待于进一步提高。 对于g a n 系列材料，要获得好的晶体质量离不开可靠的外延技术。以功率型 g a n 基蓝光l e d 为核心的半导体照明器件制作流程是以材料外延为基础h 吼瑚1 ，现 在人们研究i 族氮化物材料的生长使用的生长技术主要有：氢化物气相外延 ( h v p e ) 、分子束外延( m b e ) 和金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 。 h v p e 卤化物气相外延( h y d r i d ev a p o rp h a s ee p i t a x y ) 是可以外延大面积g a n 薄膜的一种方法。其生长速率最快，每小时生长可达几百微米，因此它很难精确 的控制生长厚度，而且反应气体( 卤气及卤化物) 对设备腐蚀性很大，得到的g a n 晶体质量比较差，不适合用于器件结构的外延生长，以至于目前h v p e 法得到的g a n 材料还无法直接用于制造器件。但有报告称通常利用h v p e 法可以用作厚g a n 层 ( 1 0 - 5 0 0 u m ) 的生长，h v p e 法结合横向外延生长技术，生长结束后用激光剥离掉衬 底就可以得到3 0 0 - 5 0 0 u m 厚的g a n 体晶基片，可以作为g a n 外延的衬底材料。 m b e 分子束外延( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ) 也是一种真空外延技术，对真空 度的要求很高，设备复杂而昂贵。m b e 生长速率最慢，有利于精确的控制生长厚度、 掺杂量和材料组份，而且得到的g a n 晶体质量是这三种外延方法中最好的。因此 第三章l e d 器件基础 m b e 特别适合用于量子阱、超晶格等超薄层的材料外延生长，但是因为价格太昂贵、 生长速度过慢，所以通常仅用于实验室中的材料生长研究工作，无法运用于大规 模的商业生产应用。 m o c v d 是m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 的英文缩写。m o c v d 法 是在气相外延生长( v p e ) 的基础上逐步发展起来的一种新型的气相外延生长技术。 对i i i 族氮化物来说，它以i i i 族金属有机物作为i i l 族源，以n h 。作为n 源，在高温下 ( 通常) 1 0 0 0 ) ，通过热分解等反应形式在衬底材料上进行气相外延，进而生长 出i i i 族氮化物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。m o c v d 法生长速率比 m b e 法快，而结晶质量要高于h 、，p e 法，可以直接用于生长g a n 基薄膜、异质结、 量子阱、超晶格等。m o c v d 技术具有一系列优点：生长易于控制，外延层大面积均 匀性良好；可以生长纯度很高的材料，适合于生长各种异质结构材料，可以生长 超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡；适用范围广泛，可以进行大规模生产。 所以m o c v d 技术是目前制备1 1 1 族氮化物材料的最常用方法陋h 砬3 ，也是l e d 芯片行 业中是最常用的外延方法，而且m o c v d 设备的数量也成为衡量一个l e d 厂商生产 能力的重要标志。 由于g a n 材料的特殊性能，外延生长工艺复杂，主要有几个方面的问题需待 解决：生长大块g a n 体单晶技术尚未完善，导致许多g a n 物理特性的解释不成 熟，制约了光电器件研究的进一步发展；外延g a n 膜大部分采用m o c v d 、m b e 等 方法，而g a 源材料昂贵、消耗大，导致成本高；g a n 的杂质浓度高、纯度低、 晶格完整性差，使得生产的器件成品率低；目前p 型掺杂工艺大多采用掺m g ， 工艺复杂，设备昂贵，且难以操作；g a n 材料及三元合金中电子和空穴的电离系 数及完整能带结构，深能级起源及特性等理论问题还不清楚，g a n 中的很多缺陷有 待进一步研究；欧姆接触的接触电阻还比较大，影响了器件的性能嫡引。 尽管还有诸多问题和工艺技术有待解决，但由于g a n 基材料诱人的应用前景， 并伴随大量的科研投入，这些问题将会逐步得到解决并将有力推动微电子及光电 子技术的发展。 3 1 2 研磨工艺 l e d 晶圆( w a f e r ) 是通过在蓝宝石衬底上外延生长发光材料而得到的。为了保 证整个外延生长过程中外延的发光材料的稳定性，一般使用的蓝宝石衬底都比较 厚( 厚度通常在3 0 0 u m - - 4 5 0 u m 之间) 。一般蓝宝石是不导电的，而且热导率比较小， 所以一般都要通过研磨将衬底减薄到l o o u m 左右，减薄后的衬底增强芯片的导电 性能，提高芯片工作中的散热能力，增加芯片使用寿命。此外，对于集成电路芯 片( i c ) 以及l e d 芯片制造来说，晶圆表面良好的平整度是制造高质量器件的绝对 1 2 6 a n 基l e d 电极结构设计与模拟 必要条件。如果晶圆表面平整度达不到要求，将会严重影响光刻工艺的效果。 研磨工艺就是利用特种磨料与衬底表面的磨擦，进而达到对衬底进行减薄的 目的。研磨工艺的主要步骤包括：粘片一机械减薄一下片三个工序。 粘片是将外延片牢固地粘附在具有高平整度的毛玻璃片上，以便于后面的真 空吸附工序的进行，通常是采用熔融态的石英蜡或橡胶蜡作粘结剂。粘片工艺质 量的好坏主要是通过检查外延片的平整度、是否有气泡存在以及是否产生裂片等 环节来保证。机械减薄就是一种传统的磨料研磨工艺，通过磨料与衬底的机械摩 擦使其厚度减薄到1 0 0 1 5 0 u m 左右，通过检查外延片的平整度和表面质量来保证 加工质量。下片工艺是利用热源加热粘有外延片的毛玻璃片，使固态的蜡层充分 融化，从而将外延片从毛玻璃片上分离下来，同时采用超声波水浴清洗等方法将 外延片上的蜡清洗干净。 3 1 3 抛光与清洗 化学抛光事实上是一个化学腐蚀的过程。w a f e r 安装在抛光头上，下降到抛光 垫的表面，然后以与抛光垫转动相反的方向旋转。抛光垫材料一般是有填充物的 聚亚安酷铸件切片或聚氨酷涂层的无纺布。二氧化硅抛光液悬浮在适度含氢氧化 钾或氨水的腐蚀液中，滴到抛光垫上。碱性抛光液在w a f e r ：表面生成一薄层二氧 化硅，抛光垫以持续的机械摩擦作用除去氧化物，w a f e r 表面的高点被去除掉，直 到获得平整的表面。半导体工艺中存在着大范围的清洗工艺，洁净的外延片是芯 片生产工序全过程的基本要求，清洗工艺贯穿芯片生产的整个过程。外延片表面 常见的污染有4 大类：颗粒、有机残余物、无机残余物、需要去除的氧化层。清洗 工艺在生产配制上应该是经济又安全的，必须能在去除其表面全部污染物的同时， 又不能刻蚀或损害外延片表面。最常用的清洗方案是化学清洗和水冲洗。 ( 1 ) 化学清洗 液体的化学清洗工艺通常称为湿法工艺或湿法清洗，用于去除光刻胶以及掺 杂、合金前外延片的清洗工艺。化学清洗一般是在嵌入清洗台的台板上的玻璃、 石英或是聚四氟乙烯的池子中进行的，池子下部是一个加热盘周围被加热用的电 阻丝缠绕或者其内部有一个浸入式加热器。 化学清洗的一般工艺流程为：装片一浸入清洗( 可多次使用的溶液) 一加热 ( 有些工艺不需要加热) 一二次浸入清洗( 新配置的溶液) 。 针对不同的污染物类型，常用的化学清洗方案有以下几种： ( a ) 热硫酸添加氧化剂 硫酸是一种非常有效的清洗剂，常用于光刻胶的去除。在9 0 1 2 - - - 1 2 5 的温度范围 内，可以除去外延片表面大多数无机残余物和颗粒。添加到硫酸中的氧化剂用来 第三章l e d 器件基础 去除含碳的残余物，通过化学反应将碳转化成二氧化碳。一般使用的氧化剂有：过 氧化氢( h ：0 ：) ，亚硫酸氨 ( n h 4 ) ：s ：q ，硝酸( h n o 。) 和臭氧( 0 3 ) 。 ( b ) 硫酸和过氧化氢混合清洗液 用于各个工艺过程之前，尤其是金属蒸镀工艺之前外延片的清洗，也可用作 光刻胶的去除剂。 。 ( c ) 氢氟酸清洗液 芯片制造工艺过程中通常会发生氧化反应，产生的薄层氧化物可成为绝缘体， 从而影响甚至破坏芯片发光材料和金属电极层之间良好的欧姆接触。去除这些薄 的氧化层是众多工艺的要求，有氧化物附着的外延片表面具有吸湿性，没有氧化 物的表面具有憎水性，使用氢氟酸去除氧化物是首选。用水和氢氟酸的混合溶液 既要保证可以将外延片表面的氧化物去除，同时又不会过分地刻蚀外延材料部分， 这就要求选择一定的强度，典型的溶液稀释比例是l ：5 0 到1 ：1 0 0 。 ( 2 ) 水冲洗 化学清洗( 湿法清洗) 的后面紧接着一般都有一个去离子水的清洗工艺。清 水冲洗具有从表面上去除化学清洗液和终止氧化物刻蚀反应的双重功效。采用比 较多且效果明显的是超声波辅助进行的化学清洗和水冲洗。在水冲洗系统中使用 额外的超声波振动辅助，可以加速清洗工艺的进行。使用超声波可以提高清洗效 力从而允许较低槽温。超声波是通过蒸汽漩涡来辅助冲洗的。 3 1 4 光刻 光刻工艺( p h o t o l i t h o g r a p h y ) 是半导体工艺过程中非常重要的一步工序， 它是用来在外延片表面层上建立所需的特定( 水平) 图形的工艺