• 半導體基礎知識

    2016-10-21

    外延基礎知識

    一、 基本概念

    同質結:組成PN結的P型區和N型區是同種材料。(如紅黃光中的:GaAs上生長GaAs,藍綠光中:U(undope)GaN上生長N(dope)?GaN

    異質結:兩種晶體結構相同,晶格常數相近,但帶隙寬度不同的半導體材料生長在一起形成的結,稱為異質結。(如藍綠光中:GaN上生長Al GaN

    超晶格(superlatic):由兩種或兩種以上組分不同或導電類型各異的超薄層(相鄰勢阱內電子波函數發生交迭)的材料,交替生長形成的人工周期性結構,稱為超晶格材料。

    量子阱(QW):通常把勢壘較厚,以致于相鄰電子波函數不發生交迭的周期性結構,稱為量子阱(它是超晶格的一種)。

    二、 半導體

    固體按其導電性分為導體、半導體、絕緣體。

    對于被電子部分占滿的能帶,在外電場作用下,點子可從外電場中吸收能量躍遷到未被電子占據的能級去,形成了電流,起導電作用,常稱這種能帶為導帶。

    絕緣體、半導體和導體的能帶示意圖

    導帶

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    半滿帶

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    導帶

    ?

    ?

    ?? 禁帶?????????? 禁帶???????? 禁帶

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    ? (a)絕緣體? ???(b)半導體????? (c)導體

    ?

    1.??? 分類:元素半導體:Si 、Ge

    ????????? 化合物半導體:GaAs、InP、GaN(-)、ZnSe(-) 、SiC

    2.??? 化合物半導體優點:

    a.???? 調節材料組分易形成直接帶隙材料,有高的光電轉換效率。(光電器件一般選用直接帶隙材料)

    b.??? 高電子遷移率。

    c.???? 可制成異質結,進行能帶裁減,易形成新器件。

    3.??? 半導體雜質和缺陷

    雜質:替位式雜質(有效摻雜)

       間隙式雜質

    缺陷:點缺陷:如空位、間隙原子

    ?????  線缺陷:如位錯

    ?????  面缺陷:(即立方密積結構里夾雜著少量六角密積)如層錯

    4.??? 外延技術

    LPE:液相外延,生長速率快,產量大,但晶體生長難以精確控制。(普亮LED常用此生長方法)

    MOCVD(也稱MOVPE):Metal Organic Chemical Vapour Deposition金屬有機汽相淀積,精確控制晶體生長,重復性好,產量大,適合工業化大生產。

    HVPE:氫化物汽相外延,是近幾年在MOCVD基礎上發展起來的,適應于-Ⅴ氮化物半導體薄膜和超晶格外延生長的一種新技術。生長速率快,但晶格質量較差。

    MBE:分子束外延,可精確控制晶體生長,生長出的晶體異常光滑,晶格質量非常好,但生長速率慢,難以用于工業化大生產。

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    三、 MOCVD設備

    1.??? 發展史:國際上起源于80年代初,我國在80年代中(85年)。

    國際上發展特點:專業化分工,我國發展特點:小而全,小作坊式。

    技術條件:a.MO源:難合成,操作困難。

    ?????    b.設備控制精度:流量及壓力控制

    ?????    c.反應室設計:Vecco:高速旋轉

    ???????????????????????????   Aixtron:氣浮式旋轉

    ???????????????????????????   Tomax Swan :CCS系統(結合前兩種設備特點)

    ????????????????????????????????? Nichia:雙流式

    2.??? MOCVD組成

    ?

    ?常用MO源:TMGa(三甲基鎵,液態)

    TMAl(三甲基鋁,液態)

    TMIn(三甲基銦,固態,現已有液態)

    TEGa(三乙基鎵,液態)

    Cp2Mg(二茂基鎂,固態,現已有液態)

    載氣為純度很高(99.999999%)的氫氣和氮氣

    特氣:高純度(99.9999%)的AsH3(砷烷,液態)PH3(磷烷,液態)Si2H6(乙硅烷,氣態)(前三種為紅黃光生產使用)NH3(氨氣,液態)SiH4(硅烷,氣態)(后兩種為藍綠光生產使用)

    氣控單元:主要由MFC(流量計)、PC(壓力計)和一些管道組成,用于氣體的控制和輸送。

    控制單元:根據PC機輸入的生長程序,對工藝進行控制。

    反應室:a.按壓力分可分為常壓反應室(如Nichia公司的設備)和低壓反應室(如VeecoAixtron公司的設備)。兩者區別:氣體流速。低壓反應室優點:氣體切換快,停滯層薄,預反應小,界面轉換快。B.按形狀分:水平式(Aixtron)、立式(VeccoTomax Swan)、桶式(常用于Si外延)和雙流式(Nichia)。

    襯底:紅黃光生長用GaAs(砷化鎵),藍綠光生長用Al2O3(藍寶石)(最通用)、SiCCree)和GaAs(砷化鎵)、Si()(后兩種仍處于實驗室階段)等。

    尾氣處理器:主要用于生長后的廢氣處理,使其達到無污染排放。紅黃光生長產生尾氣用化學尾氣處理器處理,藍綠光生長產生的尾氣用濕法尾氣處理器處理。

    四、 LEDMOCVD外延生長

    1.??? 基本反應:

    紅黃光:TMGa+AsH3???? GaAs+CH4

    TMGa+PH3???? GaP+CH4

    藍綠光:TMGa+ NH3???? GaN+CH4

    反應特點:a.遠離化學平衡:Ⅴ/>>1

    b.晶體生長速率主要由Ⅲ族元素決定

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    ?

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    2.??? 外延層結構及生長過程

    1)紅黃光LED

    PGaP

    P-(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P?

    Active layer(MQW)

    n-(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P?

    DBR(GaAs/AlAs)

    GaAs buffer

    n-GaAs(100)襯底

    a.???? 首先對襯底進行高溫處理,以清潔其表面。

    b.??? 生長一層GaAs buffer(緩沖層),其晶格質量較襯底好,可除襯底影響,但不能消除位錯。

    c.???? 生長一套DBR(分布布拉格反射器)。它是利用GaAsAlAs反射率不同,可達到增反射效果,提高反射率。每層厚度:d=λ/4n?。?/span>d:厚度,λ:波長,n:材料折射率),這一層相當于鏡子的作用,減少襯底的吸收。

    d.??? 生長一層N(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P,為active layer(有源區)提供輻射復合電子。

    e.???? Actrive layer(有源層),其成分是 (AlxGa1-x)0.5In0.5P /(AlyGa1-y)0.5In0.5P,是主要的發光層,光強和波長主要由此層決定。它通過調節MQW(多量子阱)中的Al()的組分,達到調節波長的作用,通過優化此層的參數(如:阱的個數,材料組分,量子阱周期厚度),可明顯提高發光效率。

    f.????? 生長一層P(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P,此層因Al組分很高,對載流子起到限制的作用,可明顯提高發光效率。

    g.???? 生長一層PGaP層,此層為電流擴展層,擴展層越厚,電流擴展得越好,亮度越高。(但有一個成本問題)

    2)藍綠光LED

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    P-electrode

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    ?

    P-GaN

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    p-AlGaN

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    Active layer(MQW)

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    N-GaN

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    n-electrode

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    ?

    ?

    Buffer

    ?

    Sapphire

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    a.???? 首先對襯底進行高溫處理,以清潔其表面。

    b.??? Al2O3GaN失配非常大(達到13.6%),因此必須在低溫下生長一層buffer(緩沖層)20~30nm,若此層生長有問題,將極大影響上層晶格質量。

    c.???? 生長一層約4μm厚的NGaN,此層主要為active layer(有源層),提供輻射復合電子。

    h.??? 生長一套active layer(MQW),其成分是InXGa1-XN/GaN,是主要的發光層,光強和波長主要由此層決定。它通過調節MQW(多量子阱)中的In()的組分,達到調節波長的作用,通過優化此層的參數(如:阱的個數,材料組分,量子阱周期厚度及摻雜濃度),可明顯提高發光效率,其晶格質量對ESD有很大的影響。

    i.?????? 生長一層PAlXGa1-XN,因此層Al組分較高,對載流子起到限制的作用,可明顯提高發光效率。

    d.??? 生長一層PGaN,為active layer(有源區)提供輻射復合電子。

    紅黃光和藍綠光外延生長完后均須退火,以活化P層,紅黃光是在反應室內退火,而藍綠光是在退火爐內退火(也有公司在反應室內退火)。

    外延生長以提高內量子效率為主,芯片及封裝工藝提高的是外量子效率。

    ηin=產生光子數/注入電子空穴對???? ηin:內量子效率

    ηex=取出光子數/注入電子空穴對???? ηex:外量子效率

    3. 測試

    外延工藝測試主要有:顯微鏡觀察,PL(光致發光),Xray ,ECV(電化學)EL(電致發光)。

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    測試項目

    顯微鏡

    PL

    Xray

    ECV

    EL

    測試項目

    觀察其表面形貌,一旦出現異常(如:有黑點),將隔離處理

    測量外延片的光致發光波長,相對強度,FWHM(半高寬),整爐波長均勻性

    測量外延片晶格質量(用FWHM:半高寬表示),材料組分,量子阱周期其厚度

    測量外延片的摻雜濃度

    測量外延片20mA下的光強和波長

    測試頻率

    每爐都做

    視機臺而定

    視機臺而定

    GaAs專用

    每爐都做

    4.??? 發展方向

    GaAs:提高外量子效率,如:加厚P-GaP,采用表面粗化技術(粗化P型層),采用bonding 技術(bonding 金屬)。

    GaN:提高內量子效率,如:采用ELOG(橫向外延過生長)技術,減少外延缺陷,提高晶格質量,優化MQW(多量子阱)的生長質量,達到提高光強目的,改變器件結構,提高光強和光電性能(如:在P層采用AlGaN/GaN superlatic結構);提高外量子效率,如:采用表面粗化技術(粗化P型層或粗化N型層或粗化襯底表面),采用ITO技術;增大芯片面積,加大注入電流(即flip-chip) 
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