GaN基发光材料的生长

1/YzUniversityGaN基发光材料的生长2/YzUniversity报告内容：1、LED应用及产业链2、半导体发光器件原理3、GaN基材料的外延过程3/YzUniversity1、地铁节能照明高压钠灯是我国当前地铁照明主要的灯具，但新型的LED灯具有高效节能、使用寿命长、维护方便、工作电压稳定、温度低、绿色环保等特点，是目前地铁照明强有力的竞争产品。2、夜间照明、景观照明人们生活水平的迅速提高和带薪假期的增加，旅游业将持续高速度发展，夜间照明、景观照明异军突起。3、太空照明我国神舟七号飞船(2008年)开始将LED应用于太空照明，太空照明包括舱内照明、出舱照明、交会照明，交会即神舟飞船与天宫一号交会对接。4、汽车照明、显示器、背光源等LED照明应用4/YzUniversityLED农业照明1、食用菌工厂食用菌是重要的蔬菜和保健品，食用菌工厂化程度高，食用菌对光质要求苛刻，产量、品质效应大，光环境调控非常重要，灯具更新换代与控制系统需求较大。2、植物工厂植物工厂作为蔬菜、苗木(蔬菜苗、水稻、烟草等)、中草药等的规模化生产方式，叶菜生产率是露地108倍，要实现连续生产，对人工光源需求量大。商业运营的人工光植物工厂，日本300余座，中国30余座。3、畜禽与水产养殖领域实验表明：绿光、蓝色光及其组合能显著促进肉鸡的生长发育和提高其生产性能。肉鸡场：采用连续光照可促进肉鸡生长。人工水产养殖：杀灭细菌，减少鱼类患病的可能。LED诱虫灯具有重要用途;物理防治方法，减少农药使用量，生态安全。叶绿素对光吸收高峰：420nm附近的蓝区和660nm附近的红区。蓝光：可以促进绿叶生长;红光：有助开花结果和延长花期。(玫瑰、菊花)5/YzUniversity照明应用封装COB芯片级封装普通芯片制作垂直水平外延生长同质/异质衬底制备蓝宝石（AL2O3）SiGaNGaAsLED产业链6/YzUniversity产业规模——各企业2017年半年度报告7/YzUniversity一些基本概念•半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质室温电阻率介于金属与绝缘体之间金属106(Ω·cm)半导体103106(Ω·cm)绝缘体1012(Ω·cm)•半导体有两种载流子–电子(electron,negative)和空穴(hole,positive)•P-N结：通过p型和n型半导体材料紧密接触而形成的结。8/YzUniversity•同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如：nGaN:Si上生长pGaN:Mg）•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：GaN上生长AlGaN）•超晶格（superlattice）：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。9/YzUniversity•间接带隙：导带最小能量和价带最大能量有不同的k坐标•直接带隙：导带最小能量和价带最大能量有相同的k坐标•带隙宽度Eg：决定电子跃迁能量大小，决定发光波长。光的峰值波长λ与发光区域半导体材料禁带宽度Eg有关，即λ≈1240/Eg（nm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）10/YzUniversityⅢ-Ⅴ族化合物半导体•GaN基材料（InGaN/AlGaN等）直接带隙，禁带宽度：Eg(AlN)~6.0eV（~200nm-DUV）Eg(GaN)~3.4eV（~365nm-UV）Eg(InN)~0.7eV（~1700nm-Infrared）InxGa1-xN/GaNLED产品：蓝光：450--475nm绿光：500--530nm光电器件——巨大市场潜力蓝、绿光LED、LD（作DVD光源）、紫外光探测器、宽带的微波大功率器件(无线通讯、军工)、HEMT(高电子迁移率晶体管）等Ⅲ族元素:AlGaInⅤ族元素:NPAsSb11/YzUniversityLED基本原理和结构•LED发光基本原理：LED的核心为PN结。在正向偏压下，电子由N型层注入MQW，空穴由P型层注入MQW。电子和空穴在MQW内复合，释放出相应波长的光，实现电能转化为光能。LED工作物理模型GaN基LED结构示意12/YzUniversityGaN基LED发展历程•GaN基LED技术发展关键点和贡献人1.1986年Akasaki首次在蓝宝石上采用AlN缓冲层技术获得高质量GaN体材料；2.1988年Akasaki采用低能电子束辐照掺Mg的GaN获得p型电导率，重大突破；3.1993年底，Nakamura采用GaN缓冲层和热退火活化技术实现LED量产化；……这一系列关键技术的突破，使GaN基LED大批量生产成为可能。13/YzUniversity2014年诺贝尔物理学奖赤崎勇：选择了金属有机物化学气相外延（MOCVD）方法，并确定了以蓝宝石为外延生长衬底的技术路线。天野浩：加入赤崎勇课题组，探索发展出低温AlN缓冲层技术（攻克难题1）；后又发现用低能电子束辐照掺Mg的GaN的薄膜，成功获得p型GaN薄膜（攻克难题2）。中村修二：用GaN缓冲层代替AlN缓冲层；发现实用化的p型GaN制备技术---氮气气氛热退火方法；提出p-GaN/n-InGaN/n-GaN双异质结结构，后发展成量子阱结构（为GaN基p-n结蓝光LED商业化扫清技术障碍）。14/YzUniversity外延技术•液相外延（LPE）：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）•金属有机化学气相沉积（MetalOrganicChemicalVaporDeposition）：精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。•氢化物气相外延（HVPE）：近几年在MOCVD基础上发展起来的，适应于Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。•分子束外延（MBE）：超高真空系统，可精确控制晶体生长，晶体界面陡峭，晶格质量非常好，但生长速率慢，成本高，常用于研究机构。15/YzUniversityMOCVD发展•国际上起源于80年代初，我国在80年代中德国-Aixtron美国-Veeco日本-Nichia•技术条件：MO源：难合成，操作困难；设备控制精度：流量、压力以及加热器等控制单元；反应室设计：核心技术（理论模型、设计和加工）；Aixtron：行星式气浮旋转、近耦合式喷淋头（英国：ThomasSwan）Veeco：涡轮式高速旋转Nichia：双流式16/YzUniversityLP-MOCVD组成•主要包括：气体输运生长反应室真空系统尾气处理原位监测生长控制装置17/YzUniversity典型的CCS平台主体A电力柜D传输箱/过滤器/真空泵B气体混合柜E反应室/手套箱C控制电脑F加热器电源箱BcDEFA18/YzUniversity世界领先的MOCVD---Aixtron/Veeco2600G3HT:Yieldplus24x2”CCS:Crius31x2”D300:21x2”K465:45x2”19/YzUniversityMOCVD的核心-反应室VeecoK46545x2”20/YzUniversityGaN基LED工艺流程编写程序MOCVD生长外延部测试芯片工艺芯片测试21/YzUniversity工艺材料•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：纯度很高（99.999999%）的H2和N2•特气：高纯度（99.9999%）NH3（氨气，液态）SiH4（硅烷，气态）•衬底：Sapphire,SiC22/YzUniversity外延工艺流程23/YzUniversity反应机理•反应按下列步骤进行：1：通过载气将各反应源输运到反应室；2：气体分子通过扩散穿过边界层到达外延生长表面；3：反应物被物理吸附在加热衬底表面；4：吸附反应物之间发生化学反应，生成构成晶体的原子；5：构成晶体的原子在外延表面扩散，到达某些原子台阶处并入晶体点阵中，完成新一层晶体原子的生长；6：聚集在外延生长表面的副产物通过脱附，扩散等过程穿出边界层；7：其余物质被载气带出反应室。A：气态B：边界层C：衬底24/YzUniversity外延结构（1）高温H化处理，清洁衬底表面（2）N化处理，低温生长成核层，厚度约30nm，然后高温退火-缓冲层技术；（3）生长u/nGaN，nGaN主要为activelayer（有源层）提供辐射复合电子；（4）Activelayer(MQW)-即发光层，其成分是InXGa1-XN/GaN，光强和波长主要由此层决定。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，其晶格质量对各项性能有很大的影响。NucleationlayerUndopedGaNnGaN:SiActivelayerMQW:InxGa1-xNQWs+GaNQBs:SipAlGaN:MgpGaN:Mgp++GaN:MgITOcontactlayerSapphire~430um25/YzUniversity外延结构（5）生长P型AlXGa1-XN层，对载流子起到限制的作用，可明显提高发光效率；（6）P型GaN，为有源区提供辐射复合的空穴；（7）P++为了降低电压；（8）ITO接触层，通常为p型InGaN或n型InGaN•热退火活化p型GaNNucleationlayerUndopedGaNnGaN:SiActivelayerMQW:InxGa1-xNQWs+GaNQBs:SipAlGaN:MgpGaN:Mgp++GaN:MgITOcontactlayerSapphire~430um26/YzUniversity外延部测试Microscope•观察表面是否有异常•外延片表面判定标准PL•光致发光•波长•强度•FWHM•均匀性X-ray•晶体质量•材料组分•周期厚度Hall•载流子浓度•迁移率EL•电致发光•波长•亮度•电压外延片的光电参数27/YzUniversity谢谢！