（微电子学与固体电子学专业论文）lpmocvd制备algainp+hbled的外延片检测与分析.pdf

华南师范大学硕士学位论文答辩合格证明 学位申请人丝向本学位沦文答辩委员会提交 题为缱= 堕! 塑麴垒垒! 坠型塑二望竺型露删， 经答辩委员会审议，本论文答辩合格，特此证明。 学位论文答辩委员会委员( 签名) 搛尊剐l 委员： 。选丝 邂三崆 论文指导老师( 签名) ： 二吩年：月弓日 ( 此框用于存档的学位论文贴学位论文答辩合格证明) 华南师范大学硕十学位论文 摘要 a i g a l n p 高亮度发光二极管是2 0 世纪9 0 年代出现的一种体积小、效率高、 寿命长的新型半导体固体光源。目前，该l e d 的研制取得了重大突破，发光亮 度正在不断提高。l e d 在遥讯、交通、室外的大屏幕显示有着广阔的应用前景， 而且它是一种理想的绿色照明光源，将逐步应用于照明。 本论文旨在通过对a 1 g a i n ph b l e d 外延片进行实验研究，以达到改善 h b - l e d 结构设计和提高材料生长质量的目的。本论文的主要工作如下： ( 1 ) 利用e m c o r e 公司生产的g s 3 2 0 0 单温区涡轮l p - m o c v d 制备 a 1 g a l n p 双异质结h b l e d 。合理的结构设计减少了器件的光、电、热损耗，提 出了提高外量子效率的方法。 ( 2 ) 综述了光荧光谱( p l ) 和电化学c - v 测量在外延片测试中的应用。p l 测 试可以得到外延片发光光谱及其它一些重要参数，电化学c v 测量获得载流子 浓度深度分布，通过分析可以及时获取材料生长和结构设计的数据，对外延片质 量控制有重要的意义。 ( 3 ) 比较了x 射线运动学理论和动力学理论基本的物理思想并推导了它们 对外延材料重要参数的分析和处理，研究了x 射线衍射摇摆曲线技术在外延片 测试中的应用，分析了摇摆曲线测量的局限性。 ( 4 ) 首次使用x 射线衍射的倒易空间二维图对a 1 g a i n p g a a s 外延层进行分 析。介绍了倒易点二维图的概念和分析原理，阐明了a l g a i n p g a a s 外延层的倒 易点二维图的展宽方向和原因，获得了应变、晶面弯曲、形状、周期等方面的信 息，为优化a l g a i n p 四元系发光二极管的外延工艺提供了更丰富的信息。 关键词：a i g a l n p ；高亮度发光二极管；x 射线衍射；倒易点二维图 2 华南师范大学硕上学位论文 a b s t r a c t a i g a l n ph i g h b r i g h t n e s sl i g h te m i t t i n gd i o d e ( h b - l e d ) i san e wk i n do f s e m i c o n d u c t o r 1 i g h ts o u r c ew h i c hc a m eo u ti nt h e1 9 9 0 sw i t hs u p e r i o r i t yi ns m a l l v o l u m e ，h i g hb r i g h t n e s s ，l o n gl i f ea n dh i g he f f i c i e n c y f o rt h em o m e n t ，t h ed e v e l o p m e n t o fl e dh a v em a d eag r e a tb r e a k t h r o u g ha n dt h e b r i g h t n e s s i s b e i n gi m p r o v e d c e a s e l e s s l y h b l e d h a v ee x t e n s i v e p r o s p e c t i n c o m m u n i c a t i o n ，t r a f f i c a n d i n f o r m a t i o nd i s p l a y i n g i np a r t i c u l a r l y , l e di sak i n do fi d e a ll i g h t i n gs o u r c ea n di t w i l lb eu s e di ni l l u m i n a t i o n s t e pb ys t e p i nt h i st h e s i s ，i no r d e rt oi m p r o v et h ed e s i g no fl e ds t r u c t u r ea n dt h eq u a l i t yo f m a t e r i a l ，t h ee p i t a x i a ll a y e ro fa 1 g a i n p h b - l e dh a s eb e e ni n s p e c t e da n d a n a l y z e d b ye x p e r i m e n tr e s e a r c h t h em a i n w o r ki ss h o w e da sf o l l o w ： ( 1 ) a 1 g a l n ph b l e d sw i t hd o u b l eh e t e r o j u n c t i o ns t r u c t u r ea r ef a b r i c a t e db y l o w p r e s s u r em 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 ( l p m o c v d ) t e c h n o l o g y t h e r e a s o n a b l es t r u c t u r ed e s i g n sd e c r e a s eo p t i c a l ，e l e c t r o n i c a la n dt h e r m a ll o s e s t h ew a y s t oi n c r e a s el e d se x t e m a le f f i c i e n c ya r ep o i n t e do u t ( 2 ) t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ea p p l i c a t i o n so fp h o t o l u m i n e s c e n c ea n de l e c t i c c vm e a s u r e m e n t s s o m eu s e f u ld a t af o rm a t e r i a lg r o w t ha n ds t r u c t u r ed e s i g nc a l lb e o b t a i n e db ya n a l y z i n g ，w h i c hw i l lb e n e f i tt h e q u a l i t yo f l e d s g r e a t l y ( 3 ) w eh a v ea d d r e s s e dt h ee s s e n t i a l p h y s i c a lm e a n i n go fk i n e m a t i c s a n d d y n a m i t e s ，a n do f f e r e dd e r i v a t i o no ft h ek e r n e lp a r t so ne p i t a x i a ll a y e r1 b e s i d e sw e h a v ea l s op o i n t e do u tt h el i m i t a t i o n si na p p l y i n gr o c k i n gc u r v e st om a t e r i a la n a l y s i s ( 4 ) t h e c o n c e p t so fr e c i p r o c a ll a t t i c ep o i n ta n dr e c i p r o c a ls p a c em a p p i n g a r e e x p l a i n e d ，a n dt h ee x t e n d i n gd i r e c t i o na n dr e a s o no fr e c i i r o c u ls p a c em a p p i n ga r e e l a b o r a t e d t h r 0 1 l g ha n a l y s i s i n go nt h er e c i p r o c a ls p a c em a p p i n g o fa 1 g a f u p g a a s e p i t a x i a ll a y e r , t h ed e f o r m i n gi n f o r m a t i o n sa n d s t r a i n so ft h el a t t i c ea n dc o m p o s i t i o n o ft h ea i g a l n p g a a se p i t a x i a l l a y e rw e r eo b t a i n e d t h i sh e l p st oo p t i m i z e t h e m o c v d g o w t hp r o c e d u r eo f a l g a i n p g a a se p i t a x i a ll a y e r k e yw o r d s ：a 1 g a i n p ；h b - l e d ：x - r a yd i f f r a c t i o n ；r e c i p r o c a ls p a c em a p p i n g 3 华南师范大学硕士学位论文第一章 第一章绪言 高亮度发光二极管，即h b l e d ( h i g hb r i g h t n e s sl i g h te m i t t i n gd i o d e ) ，是一 种通过同质p n 结或异质结电注入，自发辐射发射非相干光的发光器件，无阈值 器件【”。高亮度发光二极管是具有体积小、效率高、功耗小、寿命长、使用方便 安全、抗机械冲击和振动强等优点的新的固体光源。在通讯、交通、室外的大屏 幕显示有着广阔的应用前景，特别是高亮度的蓝、绿光l e d 技术和白光l e d 技 术的突破，使l e d 的应用范围不断拓宽，已成为本世纪极具发展潜力的电子产品。 目前我国l e d 产业的技术水平已经取得了长足的发展，但与发达国家相比 仍落后3 年左右。在国家“8 6 3 ”计划的支持下，我国已经初步形成从外延片生 产、芯片制造设备到器件封装集成应用等比较完整的产业链。据悉，现在全国有 l e d 企业4 0 0 多家，从业人员3 万余人。其中技术人员超过5 0 0 0 人。主要的公 司企业有中科院半导体所参股的福日科光、北京大学参股的北大蓝光、清华大学 参股的山东英克莱、中电集团1 3 所参股的立德公司、中科院物理所参股的上海 蓝宝光电公司等。另外境外不少l e d 企业投资我国，尤其是同本、韩国等国家和 地区，有大举投资我国l e d 产业的可能性，加上我国l e d 产业的自身快速发展， 我国有可能成为世界l e d 产业的主要基地之一。表1 - 1 是我国1 9 9 7 2 0 0 3l e d 生产与销售情况。 表1 - 11 9 9 7 2 0 0 3 国内l e d 生产与销售情况【2 1 4 差要墅要杰堂堡主堂堡堡墨苎二童 高亮度发光二极管的发展主要依赖于材料的发展和器件结构的改进。要实现 高亮度发光首先选择直接带隙材料，而直接带隙材料发光二极管的发光颜色主要 取决于材料的带隙，与g a a s 衬底匹配的( a k g a l 。) 0 5 i n o 5 p 材料系随越组分的变 化，直接带隙从1 9 e v 变化到2 3 e v ，波长从5 6 0 r i m 到6 5 0 r i m ，可实现从红色到 绿色发光，且发光效率很高，是制备发光二极管的优良材料列。 但是a i g a i n p 材料生长时，含铝材料要在较高的温度下才。容易得到高质量， 而高温下，铟的脱吸附和预反应降低了铟的并入效率，使a 1 g a l n p 材料组分难于 控制，因此，a i g a l n p 材料生长的温度窗口很小。其次，a 1 g a l n p 材料的p 型掺 杂困难【4 】。p 型掺杂给上电极下的电流扩展带来问题，上电极注入的电流主要集 中在上电极下面，发光二极管的光提取效率较低，上电极下电流扩展层的制备成 为a i g a l n p 发光二极管的关键技术之一吼此外，a 1 g a l n p 材料随着舢组分的增 大，氧污染使材料的发光效率下降。 因此，为了提高a i g a l n p 外延晶体的质量，保障发光二极管更高效地发光， 需要发展测试表征技术，以监控材料的生长，调节最佳生长参数。而光荧光测试 【6 】、电化学c - v 测试【7 】以及x 射线双晶衍射1 8 】，是a 1 g a l n ph b l e d 外延片研制过 程中不可或缺的三种测试手段。在制各过程中，通过材料性能的检测及时发现材 料存在的质量问题，并提出科学的解释，对材料的制备，提高外延晶片的质量有 很重要的意义。 本论文主要是围绕2 0 0 0 年国家科技攻关计划“超高亮度发光二极管和面发 光半导体激光器的研制”进行了一系列的研究工作，讨论了p l 光谱、电化学c v 以及x 射线摇摆曲线三种材料表征方法；主要研究了高分辨率x 射线衍射仪测得 a 1 g a l n p g a a s 外延层倒易点二维图这一分析新技术，阐明其倒易点二维图的展宽 方向和原因，获得了形状、周期、应变及晶面弯曲等方面的信息，为优化a 1 g a l n p 四元系发光二极管的外延工艺提供了更丰富的信息。 望塑型丕堂堡主兰焦堡塞 笙= 童 参考文献： 周篪声。光纤通信，广东高等教育出版社，1 9 9 2 ，d 1 5 2 张瑞君。电子产品世界，2 0 0 4 ，9 ：1 0 5 s a m a r a n o w s l d ，m d c a m r a sa n dc h c h e r t ，e ta 1 s p i e ，1 9 9 7 ，1 1 0 ：3 0 0 2 h s u g a w a r a ，k h a y a ，h n o z a k i ，c ta 1 a p p l p h y s l e t t 1 9 6 2 ，6 1 ( 1 5 ) ：1 7 7 5 1 7 7 7 l i n , 1 e w u ，m c j o u ，e ta 1 s o l i d s t a t ee l e c t r o n 1 9 9 5 ，3 5 ：3 0 5 3 0 8 j r s t e me ta 1 i k e e l e c t r m u n i c a t i o n s ，1 9 9 7 ，3 5 ( 4 ) ：7 8 4 7 8 9 k c h s o n g t h i ns o l i df i h n ，1 9 9 0 ，1 8 4 ：4 7 - 5 4 m b a b u le ta 1 i e e e c o m m u n i c a t i o n s ，1 9 9 7 ，3 5 ( 3 ) ：7 2 5 7 3 1 6 网网h同嘲吲嘲 华南师范大学硕士学位论文第二章 第二章m o c v d 外延技术概述 a i g a l n p 四元系合金系统被认为是在红光到绿光范围内，发光效率很高的材 料【1 1 。从器件工艺来说，a 1 g a l n p 器件外延的工艺也相对较为成熟一些。对于 a i g a l n p 材料外延的方法主要是用m o c v d 技术。m o c v d 是目前使用较多、外 延质量较高的一种外延方法。 2 1m o c v d 的概念及原理 m o c v d ( 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 ) 即金属有机化学气相沉 积，是1 9 6 8 年美国洛克威尔公司的m a n a s e v i t l 2 , 3 1 等人提出来的制备化合物半导体 薄片单晶的一项新技术。该技术采用t 族、族元素的有机化合物和v 族、 族元素的氢化物作为晶体生长的源材料，以热分解反应在衬底上进行气相外延， 生长i v 族、i i 族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单层 4 1 0i u ，i i 族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如g a 、a 1 、i n 、z n 、c d 的甲 基或乙基化合物g a ( c h 3 ) s 、i n ( c h 3 ) 3 、a i ( c h 3 ) 3 、c d ( c h 3 ) 2 、g a ( c 2 h s ) 3 、 z n ( c 2 h 5 ) 2 等，常把它们略写成1 m g a t m i n ，t m a i ，d m c d ，t e g a , d e z n 等。这些 金属有机化合物中的大多数是具有高蒸气压的液体( 也有的是固体) 。如用氢气或 惰性气体等作为载运气体，通入该液体的鼓泡器将其携带，与v 族或族元素的 氢化物( 如n h 3 ，p h 3 ，a s h 3 ，s b h 3 ，h 2 s ，h 2 s e ) 混合通入反应器，当流经加热的衬 底表面时，它们就在衬底表面上发生热分解反应，并外延生长成化合物晶体薄膜。 其技术基础是：在一定温度下，金属有机物和烷类发生热分解，再在一定晶向的 衬底表面上吸附、化合、成核、生长。它的反应式一般可表示为【5 】： r 1 一m i + r 2 一m 2 一一m l - m 2 + r 1 一r 2f m 1 = i l i am 2 = i i bm i = w ar i = c h 3 、c 2 h s m 2 = m 2 = v i am 2 = v i ar 2 = h ，c h 3 ，c 2 h 5 r l m 1 和r 2 一m 2 为反应的有机源材料作为m o c v d 的m o 源，一般有以下要 求【6 j ： ( 1 ) 常温下为液体，有适当而且稳定的蒸汽压，以保证能重现和精确控制送 入反应室的源的剂量。 7 华南师范大学硕士学位论文第二章 ( 2 ) 适当的热分解温度，在外延生长温度下基本完全分解，以提高源的 利用率。在生长温度以下活性较低，不与配合使用的其它源发生预反应；在储 存温度下要求稳定。 ( 3 ) 易于合成与提纯，易于提纯到9 9 9 9 9 以上的高纯度。 ( 4 ) 低毒性与可接收的价格。 2 2m o c v d 外延技术的特点 8 0 年代以来，m o c v d 技术得到了迅速的发展，目益显示出在制备薄层异质 材料，特别是在生长量子阱和超晶格方面的优越性。m o c v d 近年来取得的最大 进步是运用流体力学的原理实现生长过程中的基片旋转，从而大大改进了生长的 均匀性。m o c v d 技术已经是当今l e d 研究和产业化的最重要方法，主要是由于 它具有下列一些显著的特点。 ( 1 ) 可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的成分、导电类型、 载流子浓度、厚度等特性，可以生长薄到几埃至十几埃的薄层和多层结构。因此， 利用m o c v d 技术可获得纯度、组分分布、掺杂分布可控，可获得高纯度、均匀 组分、突变组分或掺杂的各类超晶格、量子阱异质结构，并能获得很陡的界面 过渡。 ( 2 ) 生长室无需超高真空，生长温度不太高，生长速率较快( 高达w m m i n 级1 。 ( 3 ) 纯净的材料生长技术，晶体完整性好，可消除各类缺陷。不使用液体容 器及低温生长的气相反应，使得污染来源减少到最少，而且有机源特有的提纯技 术使得m o c v d 技术比其它半导体材料生长技术的材料纯度提高了一个数量级。 ( 4 ) 可制成大面积的均匀薄膜，可同时生长多片，重复性好，这表明m o c v d 技术是典型的容易产业化的技术。因为材料生长的速度是由生长材料表面上反应 的分子密度或浓度决定的，在一定温度下气体分子密度是由气体压强唯一地决 定。由气体的基本性质知道，生长材料表面的均匀压强及气体中快速的材料输运 过程保证了m o c v d 技术同其它任何外延技术相比，可制得更大面积、更均匀的 薄膜。 ( 5 ) 灵活的气体源路控制技术。气体源路的快速切换技术、生长过程编程 华南师范大学硕士学位论文 第二章 全自动控制，使得人的随机因素影响减至最小且重复性很好。晶体的生长速度与 i 族源的供给量成正比，因而改变输运量，就可大幅度地改变外延生长速度。 ( 6 ) 低气压外延生长是m o c v d 技术中很有特色的技术。低气压外延生长 提高了生长薄层的控制精度，能减少自掺杂；有希望在重掺t e 衬底上进行窄过 渡层的生长，能减少外延生长过程的存储效应和过渡效应，从而获得界面杂质分 布更陡的外延层；低压下，减少某些气相中的化学反应，便于生长h a p 、g a i n a s p 等含h l 组分的化合物外延层。 ( 7 ) 生长过程中由计算机预先设计好的程序控制，可控性好。 与另一种新型外延技术分子束外延( m b e ) 相比，m o c v d 不仅具有m b e 所能进行的超薄层、陡界面外延生长的能力，而且还具有设备简单、操作方便、 便于大规模生产等特点，因而比m b e 具有更大的实用价值。由于m o c v d 具有 以上一些优点，所以发展十分迅速，而它的发展也大大推动了以g a a s 为主的 i i 卜v 族半导体及其它多元多层异质材料的生长，促进了新型微电子技术领域的 发展。未来半导体光电子学的重要突破口将是对超晶格、量子阱、量子线、量子 点结构材料及器件的深入研究，而这一切都要依赖于m o c v d 等超薄层生长技术 的进步f 7 】 然而，m o c v d 的缺点是实验设备比较昂贵，生产成本较高，并且需要使用 大量有毒气体，基本上所有源材料都表现为毒性和腐蚀性，金属有机化合物在空 气中还很容易自燃甚至爆炸，另外载气h 2 与空气结合也会形成爆炸混合物，因 此需要特别注意安全防护措施。 经过近几十年的改进和完善，特别是在源气体的纯化和输运以及生长系统的 密封和净化上取得了重大的突破后，作为具有生长超薄层、突变结和梯度层能力 的m o c v d 技术取得了惊人的发展，推动了化合物半导体器件的发展。用这种技 术已制备出了具有陡峭界面的；量子阱、异质结、超晶格和选择掺杂等新型结构 的光电子器件，使它成为现代制各优质外延层的重要手段。 2 3m o c v i ) 的生产设备 目前，国际上生产m o c v d 设备的厂家以德国a i x t r o n 公司和美国的 e m c o r e 最为著名，其主要设备分别为水平行星旋转式常压m o c v d 和高速涡 9 华南师范大学硕士学位论文 第二章 轮立式m o c v d 系统。我们使用的是e m c o r e 公司低压高速涡轮立式系统。 m o c v d 技术使用的源材料是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且生长的是 大面积，多组分薄层的异质材料。因此，m o c v d 系统密封性要好，流量控制要 精确、气流切换要迅速、气压要平稳，不能波动太大。 m o c v d 系统一般包括气体源供给系统，气体处理系统，反应室和加热系统， 尾气处理系统，控制系统以及安全报警系统。图2 1 为m o c v d 系统方框图。 图2 - 1m o c v d 系统方框图 2 3 1 气体源供给系统 源供给系统包括i h ( 1 0 族金属有机化合物、v ( v d 族氢化物及掺杂源的供给。 金属有机化合物装在特制的不锈钢( 有的内衬聚四氟塑料) 的鼓泡器中，由通入的 高纯h ：携带输运到反应室。为了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶置入 电子恒温器中，温度控制精度可达o 2o c 以下。 氢化物一般是经高纯h ：稀释到浓度为5 或1 0 后，装入钢瓶中，使用时再 用高纯h ：稀释到所需浓度后，输运到反应室。 掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化物，其输运方法分别 与金属有机化合物源和氢化物源的输运相同。 2 3 2 气体处理系统 气体处理系统的功能是向反应室输运各种反应剂，并精确控制其浓度、送入 的时间和顺序以及流过反应室的总气体流速等，以便生长特定成分与结构的外延 层。气体源供给系统由有机化合物( m o ) 供应系统、氢化物供应系统和特殊设 计的“生长一排空多路阀门组”( v e n t 1 u nm a n i f o l d ) 等组成 s l 。送入反应室的气 1 0 华南师范大学硕士学位论文第二章 态源的摩尔流量，直接由高精度电子质量控制器来控制。生长一排空多路阀门组 的基本单元是三通阀门，所有需精确控制剂量的反应剂都先进入多路阀门组，从 这里再选择是进入生长管线还是排空管线。生长一排空多路阀门在集合结构上可 以是直线型或排列成辐射形状，当要避免某些多路反应剂间严重的预反应时，可 采用双重多路阀门结构，将反应剂分为两组送入反应室。气体源供给系统如图2 - 2 所示。 图2 - 2 气体源供给处理系统 2 3 3m o c v d 反应室和加热系统 图2 - 3 反应室示意图 反应室是源材料在衬底上进行外延生长的 地方，它对外延层厚度、组分的均匀性、异质 结界面剃度、本底杂质浓度以及外延膜产量有 极大的影响。一般对反应室的要求是：( 1 ) 不 要形成气体流，而是层流状态；( 2 ) 基座本身 不要有温度梯度；( 3 ) 尽可能减少残留效应。 通常反应室由石英玻璃制成，近年也有部分或 全部由不锈钢制成的工业型反应室。为了生长 出优质外延片，各生产厂家和研究工作者在反应室结构的设计上下了很大功夫， 设计出了不同结构的反应室：插式、立式、旋转盘式、水平式和扁平式等。图2 - 3 是旋转盘式反应室的示意图，其适用于多片批量生产，容量可达每次生长2 0 片3 英寸直径的衬底或更多。 华南师范大学硕士学位论文第二章 反应室内均匀的温度场和平稳气流场是获得大面积均匀厚度和组分外延片 的保证。温度场的均匀程度在一定程度上是气流场分布、压力、转速和生长温度 的综合反映。气流场的状态是由反应室的结构、气体的性质和流速决定。气体供 气系统的压力平衡装置，减少气流切换和生长过程中的压力波动，保持反应室内 压力的恒定，有助于得到稳定的气流场。而生长过程中，衬底盘带动衬底高速转 动。衬底的高速转动不仅改善了温度的均匀性，而且还由于固气界面粘性力，高 速转动的基座还起了泵的作用，改善了基座上方反应剂浓度分布的均匀性，有助 于获得大面积均匀外延层和较高的生长速度【9 ，删。降低反应室压力，增大气流量， 能减小热对流形成的涡流，增加温度场的均匀性。对于e m c o r e 生长设备，合 理的气流注入分配比更能调节厚度和组分的均匀性。 外延层的均匀性不仅与均匀温度场和稳定气流场有关，而且与生长速率和层 与层间生长中断时间有关。生长速率太快，外延层表面形貌差、晶体结晶质量差； 生长速率低，外延生长表现出择优性生长，影响厚度的均匀性。由于不同元素在 生长表面迁移的能力不一样，在层与层之间，合理的生长中断时间( 3 1 0 秒) ， 有利于提高表面平整度f 1 1 , 1 2 】。 2 3 a 尾气处理系统 m o c v d 使用的m o 源大多数是易自燃及有毒的，许多氢化物有剧毒，很多 副产物也有毒性或易自燃的，因此在反应室排出的尾气含有大量有毒和危险物质 ( 气体和粉末) 。不论是常压还是低压m o c v d 装置，尾气在向大气排放前都要 经过处理，用高效过滤器过滤掉粉末，并使有毒物质浓度达到国家规定排放标准 以下。图2 - 4 为尾气处理系统示意图。 尾气进入 图2 4 尾气虚卜揶系统示煮图 尾气输出 华南师范大学硕士学位论文第一二章 常用的去掉有毒气体的方法，有利用物理吸附作用的活性炭过滤器【1 3 】，利用 化学反应吸收毒气的干式或湿式过滤器【1 4 1 ，以及通过热分解或燃烧使毒气转化为 粉末再过滤的方法。以上各种方法也可组合起来使用。 在材料生长的过程中，气态的加h 3 、p h 3 进入t g a 后，被吸附在活性炭表 面，排放到大气中的主要是氢气和少量甲烷。材料生长结束后，将n 2 和少量空 气通入t g a 中，吸附在活性炭表面的缸h 3 、p h 3 被氧化成a s 2 0 3 和p 2 0 3 和水。 a s 2 0 3 和p 2 0 3 以固态的形式留在t g a 中，排到大气中的是n 2 和反应剩余的空气 以及反应生成的水。 为了保证m o c v d 设备的安全运行，常常配备危险气体探测器监测尾气及工 作室内的有害气体含量，并把监测器与控制系统相联，成为安全连锁装置的重要 组成部分【1 5 , 1 6 , 1 7 】。 2 3 5 控制系统 控制系统负责控制气体流量、压力、衬底温度和气路中的各种阀门等，使 m o c v d 系统按事先设计的程序运行。控制系统中还包括安全连锁装置，以防止 误操作可能产生的严重后果，并在事故发生时自动使系统进入保护状态，以减轻 事故的危害，保护操作人员的人身安全1 1 5 , 1 6 , 1 7 l 。 目前m o c v d 大都配有微计算机控制系统。微机控制系统在生长超晶格、量 子阱和组分或掺杂梯度层时尤为重要。微机控制系统提高了生长的重现性，也有 助于消除人为误操作，增加了软件安全功能和处理与分析事故的能力。先进的系 统还可提供数据分析功能，统计源的消耗功能等。配以装、卸片机械手和e p i r e a d y 衬底，完全实现了m o c v d 的全自动生长。 2 3 6 安全保护及报警系统 为了安全，一般的m o c v d 系统还备有高纯n 2 旁路系统，在断电或其它原 因引起的不能正常工作时，通入纯n 2 保护生长的片子或系统内的清洁。在停止 生长期间也有的长通高纯n 2 保护系统。设备还装有a s h 3 ，p h 3 等毒气泄漏检测仪 及h 2 气泄漏检测器，并通过声光来报警。 华南师范大学硕士学位论文第二章 2 4m o c v d 技术应用 m o c v d 采用气相反应使得大面积均匀生长成为可能。气相反应从根本上消 除了容器带来的污染。目前直接检测晶片外延生长过程的技术正在引入m o c v d 系统，各有机源气流的精确计算机编程控制以及在线检测已经可以达到精确至原 子层厚度和组分控制。精确控制不仅从根本上消除了m o c v d 有剧毒有机源可能 的危害，而且还使很贵重的有机源用量非常节省，大规模生产是其利润仍相当可 观。 m o c v d 技术解决了高难的生长技术与量大面广所要求的低廉价格之间的尖 锐矛盾。m o c v d 技术的发展与化合物半导体材料研究和器件制造的需求紧密相 关，反过来又促进了新型器件的研制。目前用m o c v d 方法研制成功的化合物半 导体器件有很多，比如：异质结双极晶体管( h b t ) 、场效应晶体管( f e t ) 、高迁 移率晶体管( h e m t ) 、太阳能电池、光电阴极、发光二极管( l e d ) 、激光器、 探测器和光电集成器等等。 在发光器件l e d 生产中，用m o c v d 技术达到大批量高亮度，红黄蓝色， 己经是事实。m o c v d 技术优点之一就是可以选择多种金属有机化合物作为源材 料，因而具有生长多种组分化合物半导体的灵活性。在可见光范围内，半导体发 光二极管( l e d ) 近几年在高亮度、多色化方面已取得很大的进展，如5 1 0 c d g a a l a s 红色l e d 已经投入生产，3 - - 6 c d 的a 1 g a i n p 橙色、黄色l e d 已经商品 化，2 c d 的a 1 g a l n p 绿色l e d 已经开发出来。9 8 年1 2 月日本罗姆公司已研制成 g a l n n4 4 0 n m 的蓝色l e d 。且于9 9 年3 月开始批量生产【1 8 l 。蓝色l e d 的研制更 是取得了突破性的进展。继s i c 蓝色l e d 实用化之后，高性能的g a n 蓝色l e d 正向产业方向迈进，z n s e 蓝色l e d 和新型g a n 蓝色l e d 将以实用化蓝色l e d 为目标继续发展。 2 5 本实验室的m o c v d 设备简介 我们实验室的m o c v d 系统是美国e m c o r e 公司的g s 3 2 0 0 ，这是一台低 压高速涡轮立式生长设备。该设备的衬底转盘转速达1 0 0 0 r m i n 或更高，基座旋 转不仅改善了温度均匀性，而且还由于固气界面粘性力，高速旋转的基座还起了 1 4 华南师范大学硕士学位论文第二章 泵的作用，改善了基座上方的温度和反应剂浓度分布均匀性，有助于获得均匀的 外延层和较高的生长速度。除了衬底随基座旋转外，衬底自身没有自转。这种设 备还有以下显著的特点：( 1 ) 系统内气流匀速流动，记忆效应小，记忆时间短， 因而源材料切换非常迅速，特别适用干突变异质结、量子阱和超晶格等结构的生 长；( 2 ) 衬底基座旋转产生的抽吸作用，除生长的外延材料外的其它反应产物全 部被甩掉、抽走，反应室上部总是保持很清洁的状态，从而大大减少了反复停机 清洗反应室的次数，一般一年清洗一次就可以了；( 3 ) 衬底表面温度的均匀性好、 梯度很大，反应只在表面上进行，减少了气体混合时产生中间产物，从而改善了 外延层的质量，提高了源材料的利用率；( 4 ) 设备采用了平衡气压控制，任何一 种气流的切换均不影响总体气流的均匀流动，没有涡流造成的不良影响。由于受 衬盘尺寸的限制，涡轮m o c v d 的生产规模有一定的局限性，目前其大型生产型 机的衬底盘可装载2 英寸衬底片3 9 片。 兰堡型查童查娑兰焦兰苎 塑三望 参考文献： 【1 】1s a m a r a n o w s k i ，m d c a m r a sa n dc h ( 3 h e ne ta 1 s p i e ，1 9 9 7 ，1 1 0 ：3 0 0 2 【2 】h m m a n a s e v i t a p p l p h y s l e t t ，1 9 6 8 , 1 2 ：1 5 6 【3 】h m m a n a s e v i t j c r y s t a lg r o w t h ，1 9 7 2 ，1 3 1 4 ：3 0 6 【4 】4 y k o h a m a j e l e e t r o n i c c h e m s o c ，1 9 8 9 ，1 3 6 ( 1 2 ) ：3 8 5 3 3 8 5 6 【5 】g b s t r i n g f e l l o w j a p p l p h y s ，1 9 9 5 ，5 8 ( 8 ) ：3 1 。5 5 【6 】田明波，刘德令。薄膜科学与技术手册，机械工业出版社，1 9 9 1 ，p p ：5 5 6 【7 】孙再吉。半导体情报，1 9 9 8 ，3 5 ( 1 ) ：1 3 1 4 【8 】j s r o b e f l s ，n j m a s o na n dm b o b i n s o n j c r y s t a lg r o w t h ，1 9 8 4 ，v 0 1 6 8 ：4 2 2 【9 】t m o t o d a ，m k a t o ，k k a d o i w a ，e ta 1 j c r y s t a lg r o w t h ，1 9 9 4 ，1 4 5 ：6 5 0 6 5 4 【1 0 】a i g u r a r y , g s t o m p a ，a c l t h o m p s o n ，e ta 1 j c r y s t a lg r o w t h 1 9 9 4 ，1 4 5 ：6 4 2 ，6 4 9 【1 1 】郑联喜，胡雄伟，韩勤。半导体学报。1 9 9 9 ，2 0 ( 1 ) ：2 6 5 2 6 9 ( 1 2 】j r b o t h a ，a w r l e i t c h j c r y s t a lg r o w t h ，1 9 9 6 ，1 6 9 ：6 2 9 6 3 6 【1 3 】k l h e s sa n dr j r i c c i o j c r y s t a lg r o w t h ，1 9 8 6 ，v 0 1 7 7 ：9 5 【1 4 】l m e k a u f m a n n ，m h e u k e n ，r t i d e r s e ta 1 j , c r y s t a l g r o w t h ，1 9 8 8 ，v 0 1 9 3 ：2 7 9 f 1 5 】r m l u m ，j k k l i n g e r t a n d b v d u t t j c r y s t a lg r o w t h ，1 9 8 6 ，v 0 1 7 5 ：4 2 1 f 1 6 e j o h s o n ，r t s u i ，d c o n v e y , e ta 1 j c r y s t a lg r o w t h ，1 9 8 4 ，v 0 1 6 8 ：4 9 7 【1 7 】张克从，张乐惠。晶体生长科学与技术，科学出版社，1 9 9 7 ，p p ：5 6 2 f 1 8 m s s c h w a m b e r a , o 。s c h o e n ，b s c h i n e l l e re ta 1 j c r y s t a lg r o w t h ，1 9 9 9 , 2 0 3 ：3 4 0 - 3 4 8 1 6 华南师范大学硕士学位论文第三章 第三章a i g a i n p 高亮度发光二极管 3 1l e d 发光原理及其特性 发光二极管的实质性结构是半导体p - n 结，在半导体p - n 结通以正向电流时 注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理【”。半导体 p - n 结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃 迁的结果。 发光二极管的发光原理可以用p n 结的能带结构来做解释。图3 1 a 表示热平 衡状态下p - n 结的能带图。图中e v n 、e v p 表示价带，e c n 、e c p 表示导带，e f 表 示费米能级，e d 表示旌主杂质能级，e a 表示受主杂质能级，r 表示禁带宽度， 在n 区导带上，实心点表示电子，在p 区价带上，空心点表示空穴。在热平衡状 态时，n 区和p 区费米能级是一致的。图3 1 b 表示在图3 1 a 上加正向电压( 电池 的负电电极连接在n 区，正电电极连接在p 区) 时，p - n 结势垒降低，结果出现 了n 区电子注入到p 区，p 区空穴注入到n 区的非平衡状态。被注入的电子和空 穴称为非平衡载流子( 又称为少数载流子) 。在室温下，n 区导带底附近的浅旖主 能级e d 被电离，并向导带提供大量电子，因此，在n 区中多数载流子是电子。 同样，在p 区中，浅受主能级e a 向价带提供大量空穴。p 区的多数载流子是空穴。 在p - n 结附近，当非平衡载流子和多数载流子复合时，不断地将多余的能量以光 的形式辐射出来。这就是p - n 结注入式发光的原理。 、 pj 旦坐e c 。弋! 母 e 。 ( a ) 随暨兰 i 加1 q e f n 、七 空穴流 ( b ) 图3 - 1 a 在热平衡下p - n 结的能带图：b 在外加正向电压后 少数载流子的注入 1 7 华南师范大学硕士学位论文第三章 描述发光二极管特性的主要物理量是光谱特性、电学性能、发光效率等。 1 ) 光谱特性 发光二极管地光谱分布取决于半导体带隙e 。，即 最大波长： a 二1 2 4 u n e g ( 3 - 1 ) 由于不同材料的禁带宽度不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不 同波长的光。发光二极管所发出的光不是纯单色光，但是，除了激光外，它的谱 线宽度都比其它光源所发出光的谱线窄。例如，g a a s 发光二极管的谱线宽度只 有2 5 加】。一般高亮度发光二极管发光光谱宽度小于4 0 n m 2 1 。 2 ) 电学性能 电学特性主要包括正向工作电压v f 、正向电流i f 、反向饱和电流以及伏安特 性。 正向电压取决于半导体的带隙、正向电流和温度t 。所以，在同样的测试条 件下，发出不同颜色的发光二极管由不同的正向电压。并且正向电压与温度有关。 温度系数用微商d v f d t 来表示。 发光二极管的工作电压一般要求在2 0 m a 恒流情况下小于2 4 v 。二极管的反 向电流有多种产生机制，主要有：扩散电流，耗尽区内的复合电流，p - n 结表面 复合电流，隧道电流等。决定反向电流大小的主要因素有材料的带隙宽度，材料 质量，工作温度及p - n 结的表面状态。反向饱和电流越小，器件的性能越高。 用于大屏幕显示的发光二极管，对工作电压，光谱特性及伏安特性要求很高， 一般要求发光二极管能抵抗一定的电压冲击，较一致的电压和光谱特性。人眼不 能分辨出其亮度和颜色的区别。 3 ) 发光效率 发光效率包括内量子效率和外量子效率。 内量子效率是指单位时间内辐射复合产生的光子数与单位之间内注入的电 子一空穴数之比；外量子效率是指发光二极管辐射到外部的光子数与通过p - n 结 的电子一空穴对数之比，其表达式可表示为【3 】：1 华