（物理电子学专业论文）利用行星式mocvd反应室生长algainp红光外延片的研究.pdf

摘要 本文所研究的内容是通过改变气流量的分布，来改善l e d 外延片的均匀性， 从而为生长出高质量的l e d 外延片提供理论支撑和技术支持，为l e d 的快速发 展奠定基础。 本文通过理论分析了a i x t r o n2 8 0 0 g 4 行星式m o c v d 气体喷嘴上下两路 五族源的流量比、上下两路五族源流速、a s h 3 流量以及i i i 族源的总气流对外延 层m 组分、生长速率、掺杂浓度对晶体质量、均匀性等的影响。 研究了生长出高质量的a 1 g a i n p 红光l e d 外延片的生长工艺，并进行了实 验分析。探究使用最佳的生长工艺制作出的a 1 g a i n p 红光l e d 外延片的生长速 率提高了1 2 5 ，d b r 波长均匀性提高了2 0 ，m q w 均匀性提高了2 0 ，光 强度均匀性提高了1 0 ，从整体上提高了l e d 外延片的良率。因此，本文所研 究的气流量分布为l e d 行业的发展起到较大的推动作用。 关键字：m o c v d 反应室五族源的流量五族源流速i | i 族源的总气流a lg a in p 红光l e d 均匀性 a bs t r a c t t h ep r o c e s si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i si st h a ti m p r o v et h ee x c e l l e n t - u n i f o r m i t y l e de p iw a f e r sb yc h a n g i n gt h eg r o u pf l o wr a t e s ，a n d p r o v i d e s t h es p p o r to f t h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l yf o rg r o w t hh i g h - q u a l i t yl e de p i t ol a yt h e f o u n d a t i o nf o rr a p i dd e v e l o p m e n to fl e d t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h ee f f e c t so fd i f f e r e n tg r o u pvf l o wr a t i o sa n df l o wr a t e s ， a s h 3f l o wr a t e sa n dt o t a lg r o u pi i if l o wr a t e so nt h ea 1c o m p o s i t i o n s ，g r o w t hr a t e s ， c r y s t a lq u a l i t i e s ，d o p i n gc o n c e n t r a t i o n sa n du n i f o r m i t i e so fe p il a y e r sg r o w nb y a i x t r o n2 8 0 0 g 4p l a n e t a r ym o c v dr e a c t o r t h ep r o c e s so f p r o d u c i n gh i g hq u a l i t ya 1 g a l n pr e dl e de p iw a f e r si sr e s e a r c h e d a n dh a sb e e ne x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d b yu t i l i z i n gt h eo p t i m a lp r o c e s s ，t h eg r o w t h r a t eo fa 1 g a l n pr e dl e d e p iw a f e r si si n c r e a s e db y2 0 t h ew a v e l e n g t hu n i f o r m i t y o fd b ra n dm q wi si n c r e a s e db y15 a n d17 r e s p e c t i v e l y t h el i g h ti n t e n s i t y u n i f o r m i t yi si n c r e a s e db y10 ，p r o d u c ty i e l dh a sb e e ni m p r o v e dt o o t h e r e f o r e ，t h e p r o c e s si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i sf o rt h el e di n d u s t r yh a sp l a y e dap o w e r f u lr o l ei n p r o m o t i n g k e yw o r d s ：m o c v dr e a c t o rg r o u pv f l o wr a t i o s g r o u pv f l o wr a t e st o t a l g r o u pi i if l o wr a t e s a i g a l n pr e dl e du n i f o r m i t y i l 第一章绪论 1 1 引言 m o c v d ( m e t a lo 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 ) t 1 即金属有机化合物气相 沉积是一种先进的外延生长设备，其定义为一个在特定外界环境、特定生长温度、 特定生长压力等条件下，将金属有机源传输到腔体内，在特定的温度下金属有机 源进行热分解，所形成的化合物具有一种特有的光电性能的外延材料过程。 m o c v d 的外延生长技术应用于半导体领域是从19 6 8 年开始的【2 1 ，随着技术 不断的更新涌出很多新的外延技术。按照外延方式划分为有液相外延( l i q u i d p h a s ee p i t a x y ) 、气相外延( v a p o rp h a s ee p i t a x y ) 、分子束外延( m o l e c u l a rb e a m e p i t a x y ) 、化学束外延( c h e m i c a lb e a me p i t a x y ) 、金属有机化合物化学气相外延 ( m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e s o s i t i o n ) 等不同的外延技术。m a n a s e v i t 应用 m o c v d ，最先在蓝宝石衬底上应用多种v 族源生长异质结外延。由于当时生 长的外延层质量不高比其它外延低，没有得到广泛的应用。直到1 9 7 5 年，技术 不断的更新和源材料纯度越来越高。s e k i 等【3 】使用m o c v d 生长出高质量的g a a s 外延层，也证明了碳并不能污染m o 源材料。从此，很多实验室开始进行半导 体激光器和太阳能电池的相关的研究。不久，成功的研究出太阳能电池的最高转 化效率为2 3 ，也研究出g a l n a s 和g a l n a s p 激光器【4 】。m o c v d 技术迅速的发 展，很多专家对m o c v d 越来越感兴趣，取得较大的进步。值得注意的是，使 用m o c v d 技术可以生长四元系a 1 g a l n p 等材料，而应用气相外延、液相外延 等不能生长。同时，也不适应大规模生长红、黄光l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e s ) 。 在g a n 方面，首先生长出蓝光l e d 外延片，紧接着生长出高质量的激光器 5 1 。 迅速的得到市场的认可。这些足以证明m o c v d 是生长外延材料最好的方法。 今天，m o c v d 技术已经得到广泛的应用。它不仅成为制备化合物半导体异 质结、超晶格、量子阱等结构，而且还是生产化合物半导体光电子、微电子器件 等。现在，半导体激光器、发光二极管、太阳能电池等使用m o c v d 生产已形 成产业化，并且在高速发展之中。 1 2 国内外发展现状 目前，半导体行业得到全世界越来越多的关注，其技术核心主要在l e d 的 外延片和芯片技术，即整个l e d 行业的中上游 6 】。现阶段，l e d 行业得到蓬勃 的发展，主要是因为它具有节能、绿色、环保、体积小、亮度高、寿命长的特点， 在各种显示、指示和信号灯以及照明等领域显现出极为广泛的应用【_ 7 1 。为了生长 出高质量的l e d 外延片，全世界很多m o c v d 厂商和研发机构不断努力推出很 多新型m o c v d 。 现阶段，在国际上m o c v d 的制造技术已经日趋成熟，其中m o c v d 设备 从2 0 0 3 年的6 8 片机、2 0 0 4 年的1 2 片机、2 0 0 5 年的1 5 片机、2 0 0 6 年的2 1 2 4 片机，发展到目前的已经达到4 2 、4 5 、4 9 和6 0 片机( 一次可载6 0 片2 英寸的衬 底生长外延) 。m o c v d 装载量的不断增加让l e d 外延片单位生产成本极大地降 低。目前，很多l e d 量产企业对产能的最低需求在4 9 片以上。现阶段台湾外延 厂商在技术上已经具备生产4 英寸和6 英寸的能力，但是由于芯片的技术不够成 熟，成本很高，因此多数台湾厂家还是以2 英寸的m o v c d 设备为生产主流。 大陆现阶段还是以2 英寸，还不具备生产4 英寸外延片的能力，目前只有三安光 电准备生产4 英寸外延片；不过大部分发达国家已经开始使用4 英寸m o v c d 设备。当全球市场全部开始使用4 英寸外延片，外延片的生产成本将大幅下降。 在不久的将来2 英寸的m o c v d 设备将被替换为4 英寸m o c v d 设备。在2 0 0 9 年5 月a i x t r o n 与s e m i l e d s 共同开发出6 英寸蓝光外延片，应用a i x t r o n 2 8 0 0 g 4h tm o c v d 反应炉上，生长出6 x 6 寸外延片，相比于原来的4 2 x 2 英寸产 量增加约3 0 ，不但提高了外延片均匀性较好，也极大提高外延片产生边缘效应 ( e d g ee f f e c t ) 的几率。 目前，全世界主要m o c v d 设备生产商有德国a i x t r o n 公司、美国v e e c o 公司、日本酸素( n i p p o ns a n s o ) 和日新电机( n i s s i ne l e c t r i c ) 等，但后两家日本企 业的面向的市场只限于日本国内，以保持日本具有较高的半导体技术。此外，日 亚公司和丰田合成共同研发m o c v d 设备，其g a n m o c v d 设备没有进行任何 销售，主要是为了自己的公司生长高质量的外延片。从m o c v d 设备上的主要 性能来看，日亚公司的设备，在器件的性能和产品质量要优于德国a i x t r o n 公 司和美国v e e c o 公司设备。因此m o c v d 设备的供应商在国际的舞台上，只有 德国a i x t r o n 公司、美国v e e c o 公司。下面将简单描述这两家公司。 德国a i x t r o n 公司( 德国艾思强公司) 根据g a r t n e rd a t a q u e s t 近期一份分析报告，2 0 0 8 年a i x t r o n 公司m o c v d 设备占有全球m o c v d 市场份额的7 2 以上。a i x t r o n 公司特有的水平行星式 技术应用在大型2 8 0 0 g 4 h t4 9 * 2 以及t h o m a ss w a n ( 19 9 9 年被a i x t r o n 收购) c c sc r i u s3 0 * 2m o c v d 系统，使得a i x t r o n 的m o c v d 设备被广泛的认为世 界上技术和商业价值最完美的结合。2 0 1 0 年a i x t r o n 公司推出最先进的行星 式反应室2 8 0 0g 46 0 * 2 ，2 0 1 1 年a i x t r o n 公司已经成功的研发出8 寸外延片， 极大的降低l e d 生产厂商的成本。 美国v e e c o 公司 美国维易科精密仪器有限公司m o c v d 设备全球占有率在2 0 以上，2 0 0 5 年主打机型为4 5 片机l “6 5 ，至今k 系列m o c v d 不断升极。2 0 0 8 年主打机型 为k 5 5 0 ，2 0 1 0 年推出k 7 5 0 。 2 随着全球大力发展半导体行业，使得今年以来m o c v d 机台出现供不应求 的状况。在此期间v e e c o 获得相对有利的市场占有率，尤其在中国市场获得大 批的订单。中国地区的m o c v d 的需求量相较去年增长将近8 0 。根据了解， 由于v e e c o 开始通过委外代工来增加产能，目前其产能规模也逐渐接近产业龙 头a t r o n 。 m o c v d 是生产l e d 外延片主要生长设备，而l e d 外延片的水平高低决定了 整个l e d 产业链的水平。为了发展我国的半导体行业，国家先后推出很多政策 和计划。从而使我国在m o c v d 设备国产化方面已取得了一定的进展。中国电 子科技集团公司第四十八研究所通过消化吸收和关键技术再创新等措施，研发成 功了g a n 生产型m o c v d 设备( 6 木2 ”) ，填补了我国无m o c v d 的空白，从而 极大的促进我国l e d 产业的技术发展。同时，我国的很多单位先后开始研发 m o c v d 设备，譬如中科院半导体所、西安电子科技大学、山东大学、南昌大学、 青岛杰生电器等单位也成功研发了研究型的m o c v d 设备。2 0 1 0 年天龙光电和 香港一家公司合作开始研发m o c v d 设备。2 0 11 年北京思捷爱普开始生产出第 一台红光m o c v d 。目前，国内研制的m o c v d 设备最大产能为1 2 片。为了 我国l e d 行业快速、健康、正常的发展，必须拥有自己的m o c v d 设备，m o c v d 设备的发展对于我国来说还有漫长发展之路要走【8 1 。 1 3 论文研究目的和内容 本文主要研究目的是利用行星式m o c v d 反应室对a 1 g a i n p 红光外延片生 长参数的研究。改变气体喷嘴上下两路五族源的流量比、上下两路五族源流速、 a s h 3 流量以及i i i 族源的总气流对a 1 组分、生长速率、x r d 摇摆曲线的半高宽、 掺杂浓度、p l 波长的均匀性等的影响。因此利用a i x t r o n2 8 0 0g 4 行星式反 应室生长a 1 g a l n p 红光l e d 气流的研究变得十分重要。 2 8 0 0 ( 3 4 是德国a i x t r o n 公司最新的l p m o c v d 设备，在国内外仅有很 少的人深入了解p h 3 的t o p ：b o t t o m 对掺杂浓度、d b r 均匀性的影响，以及总 气流量的对m q w 的晶格匹配和波长均匀性的影响。因此为了获得波长均匀性 好、亮度高的红光l e d ，有必要对2 8 0 0 g 4 的生长特性进行深入研究。主要通过 以下几组实验进行深入的研究： 1 改变a s 化物的总气流量从1 5 0 0 0 s c c m - - 18 0 0 0 s e e m ，生长a i a s a 1 g a a sd b r ， 通过应用光荧光谱仪( p l ) 测试其波长的变化。使用x r d 摇摆曲线测试其 g a 和a l 的生长速率、g a a s 和a 1 g a a s 的生长厚度。分析a s 化物的总气流 量对d b r 个参数的影响，从而更有效的生长高质量的d b r ，为生长l e d 外 延片提供强大的理论支撑。 2 改变a s h 3 流量生长红光l e d 外延片，通过p l 测试其波长的变化、亮度的 变化、以及均匀性的变化。分析出a s h 3 的流量对红光l e d 夕 、延片波长、 亮度、均匀性有那些影响。 3 通过改变p h 3 上下两路的流量比分别为0 ：1 0 0 、 3 0 ：7 0 、5 0 ：5 0 ，生长 a i l n p g a l n pd b r 。生长此外延结构，使用通过x r d 测试查看其摇摆曲线的 半高宽，并使用x r d 的2 0 测试a i l n p g a l n p 厚度，生成厚度变化曲线。 根据生长厚度计算生长速率的变化。使用p l 测试a i l n p g a l n p 波长均匀性。 通过以上数据可以研究p h 3 气流对生长速率的影响，从而为生长红光l e d 全结构奠定基础。 4 改变p h 3 上下两路流速，上加3 0 的流速和下加3 0 的流速，生长 a i i n p g a l n p 。主要条件不变，结构不变。通过x r d 测出摇摆曲线的半高宽 及其厚度变化，通过厚度计算出生长速率。使用p l 测试其波长均匀性。这 些数据有利于分析p h 3 流速对a i g a l n p 红光l e d 特性的影响。 5 p 化物m o 源总气流为1 4 0 0 0 、1 5 0 0 0 、1 6 0 0 0 ，生长m q w 。通过x r d 测试 其摇摆曲线半高宽和晶格匹配的好坏，证明改变p 化物的总气流是否会影响 晶格匹配和半高宽的数值。同时使用p l 光谱仪测试其m q w 的波长，验证 改变p 化物的总气流对m q w 波长、晶格匹配的影响。 6 通过以上实验获得有价值的参数，在小盘转速、温度、环境等都相同情况下， 生长a 1 g a l n p 红光l e d 。不同的是p h 3 上下两路的流量比0 ：1 0 0 、3 0 ：7 0 、 5 0 ：5 0 分别对应不同p 化物总气流为1 4 0 0 0 、1 5 0 0 0 、1 6 0 0 0 的情况下生长。 分别比较l e d 的p l 波长均匀性、亮度等特性。 通过以上实验获得相应的实验数据。我们将通过这些数据和利用a i x t r o n g 3 机型生长出来的a 1 g a l n p 红光l e d 进行对比，从而得知2 8 0 0g 4 行星式反应 室生长a 1 g a l n p 红光l e d 稳定的气流比，更加清晰的了解a i x t r o n2 8 0 0g 4 ， 掌握2 8 0 0g 4 行星式反应室的一些规律。这不仅对生产优质外延片有极大帮助， 而且还对将来2 8 0 0g 4 行星式反应室m o c v d 的升级及更新提供更多的数据支 撑。 4 第二章a ig ain p 材料与结构 2 1a i g a i n p 材料的特点 目前，l e d 发光二极管的亮度与m q w 的发光效率有极大的关系，m q w 的 发光效率受到有机源的纯度和外延结构以及工艺水平的限制。为了提高发光效率 就必须选择好外延材料、外延结构、工艺。四元系m g a l n p 材料具有以下几个特 占【1 l 1 3 】 j 、 1 它具有直接跃迁的性质，复合发光的概率很高。同时，也具有极高的发光效 率。 2 它不仅可以生长出高质量的p 型、n 型半导体，也可以制作出高质量的p - n 结。p 型、n 型半导体可以制作出很高的电导率。 3 应用与m g a l n p 晶格匹配的n g a a s 衬底，使用先进的m o c v d 生长。获 得高质量的l e d 外延层。 4 禁带宽度随着( a 1 x g a l x ) o 5 i o _ o 5 p 材料的a 1 组分改变，可以从直接带隙跃迁 的间接带隙，能级从1 9 e v - 2 3 e v , 其发光波长从5 6 0 h m 6 5 0 n m ，发光颜色为 红光、黄光、黄绿光、橙光。 2 2l e d 的发光原理 l e d 发光二极管 h 。7 1 主要是由p 型晶体和n 型晶体共同组成，在p 型晶体 与n 型晶体之间存在一个过渡层，我们称之为p n 结。当一端加入正向电压施加 于p n 结两侧时，在半导体材料中，其p 型半导体里的空穴的浓度比n 型半导 体的空穴浓度高很多，从而使非平衡状态下的n 型半导体中空穴大大高于p 型 半导体中的空穴，由于我们加入电流，因此产生的少数载流子状态很活跃，相对 于p - n 结整体，进入价带中的非平衡状态下的空穴和导带中的电子进行复合， 当达到饱和状态时，剩下的能量通过光的这种形式向外辐射，因此由电能转变为 光能的形式。p - n 结添加反向电压，一部分载流子很难发生移动，因此，不能发 光，当反向电压过大时，p - n 结会被击穿。 通过这种方式注入电流，以电致发光原理为基础制作出的二极管我们称为发 光二极管，简称为l e d 。因此，l e d 最基本的工作原理是一种由电能转化为光 能的过程，当通入正向工作电压下，工作电流从l e d 的正极流向负极时，一般 情况下，半导体的禁带宽度随着电流的加大，复合辐射的能量也随之而变大，因 此，光子对应的波长随之而变短，相反光子对应的波长随之而变长。由于禁带宽 度的大小取决于半导体材料，因此，我们可以发出不同颜色、不同波长、不同强 度的光线。 绝大多数发光二极管，是以i i i v 族、i i v i 族化合物作为半导体材料。这几 种半导体材料的可以发出红光、黄光、黄绿光、蓝光、蓝绿光、绿光、紫光等， 现阶段，红光、黄光、黄绿光、橙光等主要应用的半导体材料主要是a 1 g a l n p ， 而蓝光、绿光、蓝绿光、紫光及紫外光等主要应用的半导体材料主要以a 1 g a l n n 。 虽然半导体中的i i v i 族材料也能制作出红光及绿光，但是受到i i v i 族材料稳 定性的影响，因此，现在所使用的半导体发光材料绝大部分是i i i v 族 1 8 - 2 0 】。 2 3 四元系a ig ain pl e d 的基本结构 提高发光二极管亮度是很多专家学者研究l e d 的热点之一。提高l e d 的 发光亮度的方法，一种是改进半导体材料性质和优化l e d 的结构设计；其次是 提高芯片的工艺的水平；最后是提高封装技术。其中优化l e d 的基本结构重要 是通过提高l e d 的内量子效率和外量子效率。内量子效率铂与外量子效率巧外的 关系可用公式为【2 1 】： 刁外2 r 内r m ( 2 1 ) 内量子效率为有源区内在单位时间内发生辐射复合，由此产生的光子数 和注入的载流子数的比。外量子效率叩外为单位时间内产出的光子数和载流子数 之间的比例。出光率7 7 出为有源区逃出l e d 内的光子数和l e d 内的总光子数的 比。内量子效率7 7 内的公式为： 1 t 一 么! ! 吖内1 l ，+ 眠， ( 2 2 ) 目前提高内量子效率主要取决于半导体材料的特性以及异质结的设计。目前 a 1 g a l n p 材料的内量子效率在9 0 以上，只有外量子效率很低。因此，提高外量 子效率方法很重要。现阶段提高外量子效率的方法有【2 2 埘】：d b r 反射层、表面 粗化、衬底剥离技术、倒装技术等。 典型的l e d 的结构主要包括g a a s 衬底、反射层、限制层、有源层、电流 扩展剧2 5 渤】。一般a 1 g a l n p 红光l e d 结构如图2 3 所示。 a ) g a a s 衬底 由于四元系a 1 g a l n p 材料与g a a s 衬底晶格完全匹配，为了生长出高质量的 l e d 外延片我们应当选择好衬底，衬底的好坏主要取决于以下几个方面。 1 衬底晶体结构和外延层的晶体结构匹配要很相近、晶格常数失配要较小、结 晶质量高、很低缺陷密度。 2 衬底热膨胀系数和外延层的热膨胀系数要相匹配，这样具有较好的热传导性 和较低的热失配。 3 衬底和外延层之间要有较好的化学稳定性，在生长的过程中不会分解和腐 6 蚀。 4 衬底材料的成本和技术要求，以及衬底尺寸的要求不能低于2 英寸。 b ) n g a a s 缓冲层 此层的作用主要在于为生长高质量的布拉格反射层提供良好的基础结构。此 层一般采用s i h 4 作为n g a a s 缓冲层的掺杂源，一般生长的厚度一般为 o 3 0 5 u m 。 表2 1 典型的a 1 g a l n p 红光l e d 结构 p + 一g a p 欧姆接触层 p - g a p 电流扩展层 p - a 1 i n p 限制层 p - a 1 g a i n p 波导层 m q w 有源层 n - a i g a l n p 波导层 n - a i i n p 限制层 a i g a a s a i a s 反射层 n - g a a s 缓冲层 g a h s 衬底 c ) a 1 g a a s a 1 a sd b r 反射层 分布式布拉格反射层是由不同折射率材料所形成，其厚度一般为k 4 周期性 生长，因此我们可以针对特定的波长具有相对较强的反射率。a 1 g a a s a 1 a s 设计 各层厚度一般为发光波长的1 4 。厚度公式为： d = 九| 4 n c o s 9 ( 2 3 ) 其中d 为生长厚度，1 1 为d b r 材料的折射率，咒为反射光波长，为入射 角。 目前提高发光二极管的发光效率主要通过提高其内量子效率和光提取效率 两种方法来实现。提高内量子效率，可以通过提高外延材料的质量，改善电流分 布，增强有源层对电子和空穴的限制等方法来实现。而提高外量子效率，则可以 通过表面粗化或者在有源层与衬底之间插入分布式布拉格反射层的方法来实现。 对某些波段的发光二极管，其所发出的光可能被衬底所吸收。尤其是在有源层发 光波长较短时，衬底对有源层发出的光吸收更严重。为了减小衬底的光吸收，可 以在有源层与衬底之间插入分布式布拉格反射层。有源层发出的射向衬底的光被 分布式布拉格反射层反射并从顶部射出，因此发光二极管的光提取效率得到极大 的提高。分布式布拉格反射层是由两种不同折射率材料组成的周期性层状结构。 d b r 结构的优势在生长比较简单，d b r 与g a a s 衬底匹配度较高，具有较高的 反射率，对电学特性的影响小，因此在提高l e d 的亮度中广泛应用。 在n g a a s 缓冲层与n a i l n p 限制层之间生长一层对特定波长有较高反射率 的d b r ，从而极大地提高l e d 的出光效率。传统的l e d 辐射发光传输路径为 垂直通过上顶层和水平通过侧面。如果发射光子掉进灰色区域( 图2 5b ) ，它们 能够逃逸出l e d ，因此，这两个角度范围的总流量与总的输出功率的关系特别 重要。传统的d b r 在垂直腔面出射的l e d 工作良好，但不是l e d 最大的输出 功率。在a 1 g a l n p 材料系统中，我们假定它是各项同性，没有优先的传输方向。 需要找到一个适宜的反射角度d b r ，这个角度可以有最大的通量通过上半球面。 正常的角度完整反射率被定义如下： - 丹 r ，( 吒) = i 。r 锄( p ，旯) i ( 2 ) s i n o d o d 2 r ，( 以= 0 )，、 。” l z 斗j ，( 五) 为光谱密度；0 c 为上顶层的临界角度。r 锄( p ，五) 是相应的入射角和发 光波长的反射率；0 m 对应最大的反射率。以波长为6 2 5 n m 红光l e d 的有源层 向下发出的光为例，d b r 主要反射垂直方向上的光，如图( 2 5a ) 所示。现阶 段很多研究人员不断更新结构，由原来只能反射垂直方向上的光，发展到现在的 可以反射一定小角度的光和一定大角度的光。因此，d b r 反射层对提高l e d 的 外量子效率具有极为重要的作用。 1 0 o 0 8 u c 仃0 6 u o ；0 4 o 叱 0 2 0 o a ) e 垒 墨苎鱼2 n mf i 呈q ! ! ) o1 53 04 56 07 59 0 i n c i d e n c eo fa n g l e 【d e g 】 ( b ) h o 。r i z o n t a 1 r a d i a t i o n 夕 锚 m q w s 、，、 d b r s _ “ i | ? - 瘩a a 专 图2 - 5 ( a ) l e d 向f 发光角度c o ) l e d 输出路径 d ) a i i n p 限制层 在有源层两端设计p 型和n 型限制层，具有两种极为重要的作用：其一， 限制少数载流子不溢出有源层，提高复合发光的几率。限制层主要是通过高灿 组分a i l n p ，这样a i l n p 的禁带宽度比有源层的禁带宽度大很多，注入到有源区 的电子和空穴被最大限度的约束在有源区。从而，提高电子空穴复合的对数； 其二，极为重要的窗口作用。因为限制层相对于有源层具有较大的禁带宽度，有 源层发出的光子极容易通过限制层，从而提高l e d 的发光效率。为了生长出高 质量的p 型和n 型限制层，最关键的是如何控制a 1 组分，掺杂浓度以及生长厚 度。 e 1a 1 g a l n p 波导层 波导层主要是生长在有源层与限制层之间，生长一定厚度的a i g a l n p 波导层 主要作用在于：一是为了阻滞杂质扩散，影响有源层的内量子效率；二是提高电 子和空穴复合的几率，也有效的防止电子和空穴溢出有源区，降低发光效率。 f ) 有源层 有源层的发光材料设计一般选择禁带宽度比较适宜，复合发光的效率较高， 与衬底晶格匹配度相对较高，生长出高质量的p 型和n 型晶体。有源层一般为 非掺杂的本征区，其主要作用一方面是增加对载流子的约束，提高其内量子效率。 另一方面是a 1 g a l n p 材料的量子尺寸效应使其在不改变m 组分的前提下，可以 获得相对较低的波长，从而获得较高的出光效率和很高的发光亮度。目前设计量 子阱的结构有很多种，例如应力量子阱、有掺杂量子阱、高垒量子阱、宽垒量子 阱等。主要是提高a 1 g a l n p 带隙的红光、黄光、黄绿光的内量子效率。 g ) 电流扩展层 电流扩展层具有极高的电导率、较宽的禁带宽度、相对较高的载流子浓度。 电导率计算公式： 盯2e u f i ( 2 5 ) u 是指迁移率，n 是指载流子浓度，生长越厚的电流扩展层电导率就随之而 变高，随着载流子浓度的增加迁移率逐渐下降。因此，电流扩展层受到掺杂浓度 的制约，要逐渐的优化。为了提高出光效率，我们应生长较厚的g a p 外延层。 但是生长较厚g a p 外延层，在整体上l e d 的外量子效率得到极大的提高。由于 g a p 与a 1 g a l n p 之间存在较大的失配，随着生长厚度的增加l e d 外延层会产生 缺陷或位错等。为了生长出高质量的g a p 外延层，应当逐渐过渡的这种方式生 长。 h 1p + g a p 欧姆接触层 p + g a p 欧姆接触层主要是为了g a p 外延层能与金属电极之间建立良好的欧 姆接触。在g a p 电流扩展层上生长一层具有较高掺杂的p + g a p ，是因为p + 一g a p 对后道的芯片工艺具有较大影响。 9 第三章行星式m o c v d 系统的简述 3 1m o c v d 系统的引言 m o c v d 系统主要包括输运部分、反应室部分、尾气处理部分、控制部分 等组成【3 l 】。图3 1 为a i x t r o n 行星式m o c v d 。m o c v d 的特点如下几方面： 1 可以精确控制的m o 源的流量、流速、压力等； 2 可以精确的控制生长的组分、厚度、载流子浓度等； 3 半导体材料的选择相对较为广泛； 4 比较容易控制生长过程及生长方法； 5 能够生长出洁净度较高的异质结； 6 外延层均匀性较好； 7 能够大批量的生产。 i 臻 i j j 知卜 。 一 。 嚣囊萋； 鬟图卜| l 静；嘲i i “磐“l 图3 - 1a i x t r o n 的行星式m o c v d 3 2 输运部分 输运部分主要是向反应器输运各种有机源，通过m f c ( 质量流量控制器) 和e p c ( 压力控制器) 精确控制流量、流速，为生长出不同组分和不同结构的外 延层。输运部分包括载气供给、氢化物供给、m o 源供给等部分组成，如图3 - 2 。 图3 - 2m o c v d 输运部分局部实物图 1 0 a ) 载气供给 载气的主要作用是将反应剂输运到反应器内。一般情况下可以提纯出高纯度 的氢气，氢气具有较高的还原性，因此成为最广泛使用的载气。氮气不仅能作为 载气，还因为它的惰性，在更换m o 源瓶、打开反应室盖子、更换过滤器等， 用氮气置换管路中的氢气。 b ) 氢化物供给 氢化物供给主要是包括标准输运管路和双稀释输运管路两种设计。标准输运 管路一般输运a s h 3 、p h 3 和n h 3 等，以及不需要稀释的m o 源。通过m f c ( m a s sf l o wc o n t r o l l e r ) 精确控制氢化物流量进入反应器。双稀释管路主要应用 在极低浓度的掺杂源上，提高浓度的精确性。 c ) m o 源供给 m o 源绝大多数为液态和颗粒存储在鼓泡瓶中，通入一定量的载气将m o 源 输运到反应器。精确控制m o 源的输入量和蒸汽压，可以获得精确度较高半导 体材料。m o 源的饱和蒸汽压计算公式为： n b ， l o g ( pm 。) ：“丁( k ) 3 - 1 其中a 和b 为实验常数，p m o 为m o 源的瓶压。假定m o 源与氢气达到一 定的平衡，满足d a l t o n 分压定理： 生：生 ( 丁) 乃2 气， 其中，加，：分别为m o 源气体的流量和氢气流量。通过以上公式我们 可以精确的计算出输出量，有利于外延层的生长。 3 3m o c v d 的反应室 m o c v d 的反应室主要包括存放衬底基盘、升温系统、温度探测器以及机械 手等装置 3 2 - 3 5 】。为了能生长出高质量的外延片，不断改进m o c v d 反应室的设 计。m o c v d 反应室我应当考虑以下几方面： 1 反应室内部的气体流动不能形成涡流，主要是因为在反应室内部形成涡流会 改变外延层的厚度、组分、掺杂浓度的均匀性，也会改变表面形状、表面 的陡峭度对外延生长具有极为严重的影响。 2 保持存放衬底的温度一致性，以保证衬底上生长的外延层的均匀性良好。衬 底温度的一致性取决于基盘的温度。基盘温度的分布，主要是通过感应圈来 加热以及采用不同区域分别加热的方法。在高速旋转的情况下，基盘的温度 可以得到有效的改善，同时，有机源的分布也得到相应的提高。当开始外延 生长时，可以保证温度同步升温和同步降温。 3 减少m o 源在边界处耗尽所产生的外延层生长不均。 4 减少反应室内材料的所产生的杂质对外延层污染。因此，我们一般选择纯度 较高的石墨作为基盘，主要是因为石墨具有较高的电导率、良好的热传导性、 具有较好的化学稳定性等特点，在一般的情况下温度可达到1 2 0 0 。c 。 5 反应室的密封性，防止空气进入污染有机源，影响外延的生长。 以上几点是设计反应室最为重要的几方面考虑。现阶段，国内外研发很多种 反应室主要有水平式反应室、立式反应室、桶式反应室、t 型烟筒式反应室、双 流反应室。目前在市场上常见的是美国v e c c o 的立式反应室和德国a i x t i o n 的水平式反应室【3 扣3 7 j 。 3 4 行星式m o c v d 反应室的结构 行星式m o c v d 反应室的结构如图( 3 5 ) 所示 3 8 - 4 0 】。目前，德国a i x t i o n 的反应室每次最大产量为6 0 片为2 寸。此反应室的i i i 族和v 族源从炉盖的中心 的喷气口进入反应室腔内，通过a i x t i o n 特有的设计方面( 图3 3 ) 水平流出， 这种设计方法抵消反应室内的侧壁效应。从图3 3 可以看出上下两路的气流是v 族源，中间这路的气流是族源。这种设计主要考虑上下两路气体流速比和气体 流量比，对波长均匀性的影响，从而获得均匀性较好的外延层。 c e i l i n g ( 石墨圆板) 与石墨基盘之间的距离很近，主要是为了防止形成对流 旋涡，从而得到层流。在c e i l i n g 上部分是不锈钢的炉盖，里面用水来冷却。两 者之间的距离仅为0 5 m m ，通入一定比例的氢和氮混合气体。因为氮气的热导率 相比于氢气热导率很低，从而调节c e i l i n g 表面的温度，改善温度场的均衡性， 降低产生寄生反应的几率。应用石墨c e i l i n g 可以使沉积物较好的贴附在c e i l i n g 表面，提高c e i l i n g 的利用率。 衬底放在小的石墨基盘上图3 - 6 ，通入一定气体流量推动小盘各自自行旋转， 同时也随p l a n e t ( 大的石墨基盘) 公转，从而形成行星式旋转。通过调节小盘的 气体流量，改变自转的速度，获得均匀的生长速率。调节盘与盘之间的波长均匀 性。 一一一 一 一一“ 一 ”一l 一 。 图3 - 3 喷气口结构 1 2 3 4 行星式m o c v d 反应室实物图 图3 - 5 行星式m o c v d 反应室的结构 1 炉盖2 小石墨基盘3 大石墨基盘4 进气结构5 c e i li n 9 6 石英玻璃7 测温器8 测温器支架 9 固定玻璃法兰1 0 石墨护罩1 1 炉筒1 2 炉底t 3 加热器支架1 4 传动轴1 5 排气口1 6 石英盘支撑 1 7 加热器1 8 石英盘 图3 - 6 小盘顺序( 以1 号片也叫外圈片开始顺时针方向依次，中心片以4 6 号片即中心片开始) 1 3 3 5m o c v d 的金属有机化合物源 金属有机化合物源( m o 源) 是生长高质量外延层前提条件，因此选择m o 源应满足以下条件【4 1 4 3 】： 1 一般室温下处于液态，具有良好稳定性的蒸汽压，从而保证进入反应室的 m o 源精确性和重复性。 2 比较低的热分解温度。因为m o 源的热分解温度制约着生长温度，相对较低 热分解温度能够在外延生长的温度下进行热分解，提高m o 源的使用效率， 减少不必要的浪费。 3 容易合成和提高纯度 4 活性相对较低，以防止不生长时与其他源产生预沉积。在存储的过程中不 分解。 5 毒性要低，防止扩散或泄露时对人体产生危害。 现阶段，还没有m o 源满足以上全部要求。许多专家正在积极的研究，一 方面是提出更多的提纯和分析方法，获得更高纯度的m o 源。另一方面是改进 现有m o 源的特性。 3 6m o c v d 的生长 m o c v d 的外延生长，应当考虑外延层的生长速度、生长温度、反应室压力、 m o 源的浓度、气体流量和流速以及衬底晶向等【9 1 。在适当的条件下，可以生 长出表面形貌好、均匀性高、生长速度高的外延层，生长方式如图3 7 所示。 n l a i ng a sn o wr e i h o n 寝g a 冲h 一们“艺 o t ro 、qti d ；e i s m o r p l r t i o c u n r o f r v d o | e s 甜o r i k l 碡i s o u n r o 妇f c f 1 r s p o r tt o 轴嘲件ls u r f a c ed i 矗。i o n枷仰p 刊u c l s = = = = 叠= 盘qq 僦q a = = = = = = a d 蛳r p r i o r io ff i l mp 心c 。r 溢2 黜 p 舶“；“州“ h n al $ l 嚣a g r o w t h 图3 7 m o c v d 晶体外延生长物理过程模拟 a ) 生长速度 生长速度是外延生长过程中极为重要的部分之一，当外延生长其他条件不变 情况下，生长速度与生长温度关系式为 1 l o g v = i 3 3 其中，v 为生长速度，t 为生长温度。以生长g a a s 为例，生长速度与生长 温度的关系。生长温度在5 5 0 以下时，随着生长温度的快速升高，生长速度逐 渐增高，该区域活化能比较高。同时衬底的晶向不仅对生长速率有一定的影响， 1 4 而且对活化能也有一定的改变。说明此阶段生长速度受到表面动力学的制约。温 度在5 5 0 - 7 5 0 时，生长速度几乎不受温度的影响，与晶向、a s h 3 无关，只与 t m g a 到达衬底表面的输运速度有关。在该阶段不改变其他条件，只增加气体流 速，加快m o 源向反应室内进入速度，从而提高外延生长的速度。在此温度范 围内称为质量输运控制区。温度在7 5 0 。c 以上，随着生长温度不断的升高，生长 速度却逐渐下降，并且此时衬底的晶向与生长速度有影响。上述这种现象可能是 因为表面脱离附着，也可能是气相沉积使m o 源耗尽所产生的。因此m o c v d 的生长应选择在质量输运控制区，其优点在于外延生长速度高、外延层生长可控、 外延层质量高、生长速率不受温度影响。 b ) 反应室压力 反应室的压力对沉积速度影响十分有限。主要是因为随着反应室压力的下 降，反应剂的扩散系数逐渐变大，从而提高生长速度。但是由于反应剂的分压随 着反应室内的总压力下降，降低了生长速度。因此在整体上生长速度并没有发生 变化。较低的压力值减少在反应室内形成热动力所形成的对流，也减少形成寄生 反应的概率。从而获得均匀性较好的厚度和组分等。 c ) 气体流速 研究气体流速对外延生长过程中的影响，一种方法是可