外延基础知识

外延基础知识 基本概念 能级 电子是不连续的 其值主要由主量子数N决定 每一确定能量值称为一个能级 能带 大量孤立原子结合成晶体后 周期场中电子能量状态出现新特点 孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级 构成一相应的能带 晶体中电子能量状态可用能带描述 导带 对未填满电子的能带 能带中电子在外场作用下 将参与导电 形成宏观电流 这样的能带称为导带 价带 由价电子能级分裂形成的能带 称为价带 价带可能是满带 也可能是电子未填满的能带 直接带隙 导带底和价带顶位于K空间同一位置 间接带隙 导带底和价带顶位于K空间不同位置 同质结 组成PN结的P型区和N型区是同种材料 如红黄光中的 GaAs上生长GaAs 蓝绿光中 U undope GaN上生长N dope GaN 异质结 两种晶体结构相同 晶格常数相近 但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结 称为异质结 如蓝绿光中 GaN上生长AlGaN 超晶格 superlatic 由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层 相邻势阱内电子波函数发生交迭 的材料 交替生长形成的人工周期性结构 称为超晶格材料 量子阱 QW 通常把势垒较厚 以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构 称为量子阱 它是超晶格的一种 半导体 分类 元素半导体 Si Ge化合物半导体 GaAs InP GaN ZnSe SiC化合物半导体优点 调节材料组分易形成直接带隙材料 有高的光电转换效率 光电器件一般选用直接带隙材料 高电子迁移率 可制成异质结 进行能带裁减 易形成新器件 半导体杂质和缺陷杂质 替位式杂质 有效掺杂 间隙式杂质缺陷 点缺陷 如空位 间隙原子线缺陷 如位错面缺陷 即立方密积结构里夹杂着少量六角密积 如层错外延技术LPE 液相外延 生长速率快 产量大 但晶体生长难以精确控制 普亮LED常用此生长方法 MOCVD 也称MOVPE MetalOrganicChemicalVapourDeposition金属有机汽相淀积 精确控制晶体生长 重复性好 产量大 适合工业化大生产 HVPE 氢化物汽相外延 是近几年在MOCVD基础上发展起来的 适应于 氮化物半导体薄膜和超晶格外延生长的一种新技术 生长速率快 但晶格质量较差 MBE 分子束外延 可精确控制晶体生长 生长出的晶体异常光滑 晶格质量非常好 但生长速率慢 难以用于工业化大生产 MOCVD设备 发展史 国际上起源于80年代初 我国在80年代中 85年 国际上发展特点 专业化分工 我国发展特点 小而全 小作坊式 技术条件 a MO源 难合成 操作困难 b 设备控制精度 流量及压力控制c 反应室设计 Vecco 高速旋转Aixtron 气浮式旋转TomaxSwan CCS系统 结合前两种设备特点 Nichia 双流式MOCVD组成 常用MO源 TMGa 三甲基镓 液态 TMAl 三甲基铝 液态 TMIn 三甲基铟 固态 现已有液态 TEGa 三乙基镓 液态 Cp2Mg 二茂基镁 固态 现已有液态 载气为纯度很高 99 999999 的氢气和氮气特气 高纯度 99 9999 的AsH3 砷烷 液态 PH3 磷烷 液态 Si2H6 乙硅烷 气态 前三种为红黄光生产使用 NH3 氨气 液态 SiH4 硅烷 气态 后两种为蓝绿光生产使用 气控单元 主要由MFC 流量计 PC 压力计 和一些管道组成 用于气体的控制和输送 控制单元 根据PC机输入的生长程序 对工艺进行控制 反应室 a 按压力分可分为常压反应室 如Nichia公司的设备 和低压反应室 如Veeco和Aixtron公司的设备 两者区别 气体流速 低压反应室优点 气体切换快 停滞层薄 预反应小 界面转换快 B 按形状分 水平式 Aixtron 立式 Vecco和TomaxSwan 桶式 常用于Si外延 和双流式 Nichia 衬底 红黄光生长用GaAs 砷化镓 蓝绿光生长用Al2O3 蓝宝石 最通用 SiC Cree 和GaAs 砷化镓 Si 硅 后两种仍处于实验室阶段 等 尾气处理器 主要用于生长后的废气处理 使其达到无污染排放 红黄光生长产生尾气用化学尾气处理器处理 蓝绿光生长产生的尾气用湿法尾气处理器处理 LED的MOCVD外延生长 基本反应 红黄光 TMGa AsH3GaAs CH4TMGa PH3GaP CH4蓝绿光 TMGa NH3GaN CH4反应特点 a 远离化学平衡 1b 晶体生长速率主要由 族元素决定外延层结构及生长过程 1 红黄光LED衬底首先对衬底进行高温处理 以清洁其表面 生长一层GaAsbuffer 缓冲层 其晶格质量较衬底好 可除衬底影响 但不能消除位错 生长一套DBR 分布布拉格反射器 它是利用GaAs和AlAs反射率不同 可达到增反射效果 提高反射率 每层厚度 d 4n d 厚度 波长 n 材料折射率 这一层相当于镜子的作用 减少衬底的吸收 生长一层N型 Al0 95Ga0 05 0 5In0 5P 为activelayer 有源区 提供辐射复合电子 Actrivelayer 有源层 其成分是 AlxGa1 x 0 5In0 5P AlyGa1 y 0 5In0 5P 是主要的发光层 光强和波长主要由此层决定 它通过调节MQW 多量子阱 中的Al 铝 的组分 达到调节波长的作用 通过优化此层的参数 如 阱的个数 材料组分 量子阱周期厚度 可明显提高发光效率 生长一层P型 Al0 95Ga0 05 0 5In0 5P 此层因Al组分很高 对载流子起到限制的作用 可明显提高发光效率 生长一层P型GaP层 此层为电流扩展层 扩展层越厚 电流扩展得越好 亮度越高 但有一个成本问题 LED的MOCVD外延生长 基本反应 红黄光 TMGa AsH3GaAs CH4TMGa PH3GaP CH4蓝绿光 TMGa NH3GaN CH4反应特点 a 远离化学平衡 1b 晶体生长速率主要由 族元素决定外延层结构及生长过程 1 红黄光LED 首先对衬底进行高温处理 以清洁其表面 生长一层GaAsbuffer 缓冲层 其晶格质量较衬底好 可除衬底影响 但不能消除位错 生长一套DBR 分布布拉格反射器 它是利用GaAs和AlAs反射率不同 可达到增反射效果 提高反射率 每层厚度 d 4n d 厚度 波长 n 材料折射率 这一层相当于镜子的作用 减少衬底的吸收 生长一层N型 Al0 95Ga0 05 0 5In0 5P 为activelayer 有源区 提供辐射复合电子 Actrivelayer 有源层 其成分是 AlxGa1 x 0 5In0 5P AlyGa1 y 0 5In0 5P 是主要的发光层 光强和波长主要由此层决定 它通过调节MQW 多量子阱 中的Al 铝 的组分 达到调节波长的作用 通过优化此层的参数 如 阱的个数 材料组分 量子阱周期厚度 可明显提高发光效率 生长一层P型 Al0 95Ga0 05 0 5In0 5P 此层因Al组分很高 对载流子起到限制的作用 可明显提高发光效率 生长一层P型GaP层 此层为电流扩展层 扩展层越厚 电流扩展得越好 亮度越高 但有一个成本问题 2 蓝绿光LED 首先对衬底进行高温处理 以清洁其表面 因Al2O3与GaN失配非常大 达到13 6 因此必须在低温下生长一层buffer 缓冲层 约20 30nm 若此层生长有问题 将极大影响上层晶格质量 生长一层约4 m厚的N型GaN 此层主要为activelayer 有源层 提供辐射复合电子 生长一套activelayer MQW 其成分是InXGa1 XN GaN 是主要的发光层 光强和波长主要由此层决定 它通过调节MQW 多量子阱 中的In 铟 的组分 达到调节波长的作用 通过优化此层的参数 如 阱的个数 材料组分 量子阱周期厚度及掺杂浓度 可明显提高发光效率 其晶格质量对ESD有很大的影响 生长一层P型AlXGa1 XN层 因此层Al组分较高 对载流子起到限制的作用 可明显提高发光效率 生长一层P型GaN 为activelayer 有源区 提供辐射复合电子 红黄光和蓝绿光外延生长完后均须退火 以活化P层 红黄光是在反应室内退火 而蓝绿光是在退火炉内退火 也有公司在反应室内退火 外延生长以提高内量子效率为主 芯片及封装工艺提高的是外量子效率 in 产生光子数 注入电子空穴对 in 内量子效率 ex 取出光子数 注入电子空穴对 ex 外量子效率 3 测试 外延工艺测试主要有 显微镜观察 PL 光致发光 X ray E CV 电化学 和EL 电致发光 4 发展方向GaAs 提高外量子效率 如 加厚P GaP 采用表面粗化技术 粗化P型层 采用bonding技术 bonding金