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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106(Ω·cm)半导体103106(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!
本文标题:GaN基发光材料的生长
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