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适用于低成本高亮度LED制造的MOCVD技术进展2009-11-12 作者： 来源: 我要评论(0) 核心提示：由于新应用范围激发的驱动，LED技术快速地进步。用于笔记本电脑、桌上型电脑显示器和大屏幕电视的背光装置是当今高亮度LED的关键应用，为将要制造的大量LED创造需求。除了数量方面之外，这种LED也必须满足关于性能和成本的严格要求。因此，生产技术对LED制造商的成功而言很重要，超出了以往任何时候。高亮度LED的关键制造技术之一是MOCVD技术。由于整个竖式LED结构采用MOCVD技术生长，这种技术不仅仅决定LED的质量和性能，而且在很大程度上决定LED制造的产量和成本。因此，MOCVD生产率的优化和营运成本的减少是MOCVD系统制造商的一个关键目标。影响MOCVD工艺的生产率和成本的精确参数分析是任何改善努力的前提。通过这种分析，我们发现产率（每单位时间生产的晶圆面积）和产量是关键特性。 通过采用更大的晶圆尺寸改善产率（4英寸和6英寸）所有LED（蓝、绿或白光的LED）的主要部分是以GaN/InGaN/AlGaN材料为基础。到目前为止，大部分LED都是在2英寸蓝宝石衬底上制造的。因此，近年以来，MOCVD产率的任何进展都是通过增加MOCVD反应炉的载荷量而获得。当前GaN/InGaN/AlGaN生长的最流行MOCVD系统是行星反应炉和近耦合喷淋头式反应炉，分别供给42片2英寸和31片2英寸两种晶圆（图1）。这些转化成令人难忘的高产率和低拥有成本。然而，这通过转变成较大晶圆尺寸而进一步改善。在这个时候，一些主要LED制造商已经开始转入4英寸，并且大部分其他的制造商打算进行同样的转变。由于MOCVD工具已经具备适合大尺寸晶圆生长的能力，这个决定是很容易的。图1. CRIUS CCS反应炉(31x2”)和AIX 2800G4 HT行星式反应炉(42x2”)。在上述提及的MOCVD系统中，从2英寸到4英寸（甚至6英寸）晶圆的转变可以仅仅通过更换MOCVD反应炉中的一些部件配置很容易地完成。然而主要的反应腔和部件将保持相同，因此使调整硬件和工艺的需要减到最小。通过这样做，比如行星反应炉，可以从一个42x2” 设置转化成一个11x4”或6x6”类型。虽然这样转换的成本相对低，但是在产率方面有明显的效益。为了获得定量的了解，计算相当于不同晶圆直径的满晶圆负荷的总晶圆面积是有帮助的。42x2” 配置相当于851 cm2。转换成11x4” 或 6x6” 分别产生891 cm2和1094 cm2的晶圆面积。可以从这些数字计算产率的相对增加。另外，必须考虑到外部几毫米通常排除在可用晶圆面积之外。如果选择了较大晶圆面积，那么已排除面积占总晶圆面积的百分数明显更低。表1显示了这种计算的结果。然而上面讨论的产率增加，并不是增加MOCVD系统生产率的唯一措施。同时，外延片的均匀性必须改善到确保LED工艺的最高芯片成品率的一个水平。从MOCVD反应炉的设计方面来说，这必须转化成一些特定要求。由于MOCVD RUN的均匀性主要是由良好控制的气相动力学和一致的温度分布决定，必须选择稳健设计，才能以正确的方式来控制这两个参数。在行星式反应炉中，决定气相动力学的关键装置之一是喷嘴。为了获得最大稳定性和调整均匀性的能力达到最大，开发了特殊的喷嘴。三束流喷嘴有三个分开的注水区域，不仅允许独立地注入第III组和第V组气体，而且提供在上面的一个额外吹扫气流（图2）。这种层流注入气体避免任何类型的再流通，使之没有沉淀物。此外，通过调整上部气流，以准许微调生长的均匀性。喷嘴的设计也确保注入几何体保持固定并且气体以一种严格水平的方式注入。这意味着不需要机械调整，以获得突出的和可重复的均匀性。图2. 用于AIX 2800G4 HT反应炉的三束流喷嘴。为了获得横跨整个晶圆负载的可重复生长温度和一致的温度分布，使用射频加热。这种加热方法没有显示温度设定的任何长期移动或突然移动。在MOCVD反应炉的设计和开发期间，广泛的数值模拟用于决定在所有相关工艺体制中显示最好均匀性和稳定性的加热器设置。在4” 和 6” 晶圆获得的生长结果完全地确认了这一点。比如，在11x4”配置中生长的一个4” 晶圆生长如图3所示。图3. 在一个AIX 2800G4 HT反应炉的11x4”配置和在11x4”配置中生长的蓝色MQW结构的PL均匀性。均匀性（标准偏差）是0.8 nm。转换到6x6”配置提供相似的均匀性。重要的是注意晶圆翘曲，这是晶格不匹配和多层热膨胀系数的差异所导致的应力效果，需要在这种大晶圆上小心进行控制。这样做会取得令人印象深刻的均匀性，如图4显示。图4. 在一个AIX 2800G4 HT反应炉的6x6”配置和在6x6”配置中生长的蓝色MQW结构的PL均匀性。均匀性（标准偏差）是1.8 nm。200 mm和300 mm MOCVD工艺的可行性很明显4” 和 6” MOCVD工艺不会是最终阶段。很有可能的是，与过去的硅晶圆尺寸的进展相似，将来会有将GaN LED工艺发展到较大衬底尺寸的趋势。目前，这个趋势限制于一个事实，即是蓝宝石晶圆的尺寸不大于6英寸。然而，当使用硅作为一个衬底时，在这种大晶圆上生长GaN基材料的MOCVD反应炉和工艺被证明是可行的。硅上GaN在GaN基电子领域达到成熟。因此，这是在200 mm硅晶圆上评估这种工艺的直接方法。这些工艺通常使用111定向硅作为衬底，可达200 mm直径。在IMEC（比利时）和AIXTRON之间的合作中，在这种衬底上的MOCVD生长是在一个CRIUS CCS 喷嘴反应室中进行的，可以很容易地从标准31x2”配置转化为1x200 mm或1x300 mm。应变和不需要的晶圆再次翘曲管理是关键。然而，适当的工艺参数的调整产生非常好的均匀性，比如用于厚度为1008 nm 的GaN/硅层的厚度均匀性只有0.5%（图5）。图5. 200 mm 配置的CRIUS反应室（请注意反应腔尺寸是300mm）和在200 mm硅衬底上生长的1008 nm厚GaN薄膜的厚度均匀性地图（光学厚度测量）。必须指出的是在这项研究中使用的反应室类型已经达到了300 mm的能力。遗憾的是，直径为300 mm 的111取向硅衬底尚不可用，因此生长测试到目前为止无法进行。然而，在CRIUS反应室中的300 mm工艺的通常可行性已经被100取向300 mm硅晶圆的多种高温加热和工艺测试所证明。Summary总结最新水平的MOCVD系统的设计对整个高亮度LED制造工艺的生产率和成本产生巨大的影响。通过MOCVD反应室的多种技术改善，满足现在和将来对日益增长生产率的要求。从常用2” GaN epi工艺发展到4”，甚至6”，会导致明显的成本减少和产率增加。