LED外延基础知识

LED外延基础知识目录半导体基础知识外延结构与生长原理常见异常分析半导体基础知识半导体的定义晶体能带的形成N型、P型半导体PN结发光原理半导体基础知识物体电阻率导体半导体绝缘体Ω·CM10e-410e-3~10e910e9什么是半导体？物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。表给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。半导体基础知识-晶体单晶晶体多晶固体：非晶体固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。闪锌矿结构半导体基础知识-能带能级、能带————禁带、导带、价带能级：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）禁带：在导带与夹带之间，电子无法存在的能带，称为禁带。半导体基础知识-P型、N型载流子：电子、空穴掺杂：施主掺杂-N型半导体受主掺杂-P型半导体对GaN晶体而言，当生长时，加入SiH4，Si原子会取代Ga原子的位置，由于Ga是三价的，Si是四价的，因此多出一个电子，属于n型掺杂。反之，加入Cp2Mg，Mg原子会取代Ga原子的位置，由于Mg是二价，因此少了一个电子（多一个电洞），属于p型掺杂。半导体基础知识-PN结、发光形成PN结——电子、空穴注入——复合发光外延结构与生长原理外延原材料气相外延原理外延结构各层生长原理和条件Buffer-U1-U2-nGaN-MQW-pGaN-AlGaN外延结构与生长原理-原料衬底---蓝宝石衬底（AL203）MO源---TMGa(三甲基镓)；TEGa(三乙基镓)；TMAL(三甲基铝)；TMIN(三甲基铟)；CP2Mg(二茂镁)气体---NH3；N2；H2；SiH4价格晶格常数nm晶格失配度热胀系数10-6K-1应用厂商GaN$1600.319(钨锌)5.596H-SiC$2200.3083.5%4.20美国Osram蓝宝石（Al2O3）$200.47613.8%7.50日本、台湾、大陆Si(111)$20.54317%3.59南昌晶能光电ZnO2%LiAlO21.4%外延结构与生长原理-气相外延HHHNCH3GaCH3CH3GaCH4=CH3•+H•H•+H•=H2CH3•radicalGa(CH3)3+NH3GaN+3CH4HHHNGaCH3CH3CH3H2H2H2H2外延结构与生长原理-整体结构衬底Buffer大约30nmu-GaNMQW（barrier+well)GaN/InGaN约为300nmP-GaN约为300nmAlGaN约为200nmn-GaN约4000nm外延结构与生长原理-Buffer由于衬底（AL203）与GaN材料的晶格失配较大，故在生长GaN之前需要生长一层薄薄的缓冲层，我们将其称为Buffer层。高压、低温条件下通入TMG，在衬底表面快速沉积一层缓冲层。由于晶格失配，此时GaN结晶质量较差。反射率曲线上升。外延结构与生长原理-Roughing即U1层，形成结晶质量较高的晶核，并以之为中心形成岛装生长。首先在停止通入TMG的情况下升至高温，在高温高压条件下，Buffer中结晶质量不好的部分被烤掉，留下结晶质量较高的晶核。此时反射率将下降至衬底本身的反射率水平。保持高温高压，通入TMG，使晶核以较高的结晶质量按岛装生长。此时反射率将降至0附近。以上为3D生长过程。外延结构与生长原理-Recovery即U2层，此时使外延从3D生长向2D生长转变。略微提高温度，降低气压，使晶岛相接处的地方开始连接，生长，直至外延表面整体趋于平整。随着外延表面趋于平整，反射率将开始上升。此时由于外延片表面与衬底层的反射光将发生干涉作用，反射率将开始呈现正弦曲线震荡。外延结构与生长原理-nGaN在u-GaN之上生长n-GaN做为电子注入层。保持2D生长GaN的条件，通入SiH4，Si原子会取代Ga原子的位置，由于Ga是三价的，Si是四价的，因此多出一个电子，属于n型掺杂。反射率曲线将保持正弦曲线震荡。由震荡的频率可以计算出此时的生长速率。外延结构与生长原理-MQW超晶格结构发光层，主要由阱与磊反复叠加构成。当In原子取代Ga原子时，GaN的禁带宽度将变小，构成MQW中的阱层。磊层则分为掺入Si原子的n型磊以及不掺杂的u型磊。阱层很薄，和磊层相间分布，将使注入的载流子在外延生长的方向受到限制，从而提高电子空穴对的空间浓度，加大复合发光的几率，提高发光效率。MQW层使用TEG提供Ga源。阱层的温度和In源的掺杂浓度决定了发光波长。磊层使用相对较高的温度以提高结晶质量。外延结构与生长原理-pGaNp型层为量子阱注入空穴。生长GaN时加入Cp2Mg，Mg原子会取代Ga原子的位置，而Mg是二价，因此会少了一个电子（等于多一个空穴），属于p型掺杂。P型层分为低温段LP层与高温段HP层。LP层温度一般与阱温接近，在为pGaN生长打下基础的同时，还起到了保护最后一个阱的作用。HP层提高pGaN的结晶质量，保证空穴的正常注入。外延结构与生长原理-AlGaNAl-GaN层厚度较低，一般出现在nGaN层中部或者HP层的开始部分，并相应掺入一定量的SiH4或Cp2Mg。Al原子相对较小，当其取代Ga原子时，将使外延的晶格常数变小，从而使禁带宽度变宽。因此，Al-GaN层是一个载流子阻挡层，将在载流子注入时在二维方向上起到载流子扩散的作用。因而，适当生长Al-GaN可以有效提高芯片的亮度。但是过分掺Al会使载流子注入变难，导致电性发生异常。此外，在nGaN插入AlGaN层可以起到释放应力，抑制位错，提高外延结晶质量的作用。常见异常分析第一时间异常外延表面异常石墨盘异常QT测试异常快速数据异常电压异常亮度异常ESD、Ir异常长期数据异常寿测mW常见异常分析-外观正常表面来自衬底：刻蚀、落灰、划伤等。U、N-GaN温度不适合：眉毛、鱼鳞等。Buffer不够厚：彩边。pGaN温度过低或Mg过量：雾边。第一时间常见异常分析-石墨盘石墨盘未烤净发白。RT温度曲线上升，生长率下降。外延片中心波长蓝移。第一时间常见异常分析-QT异常亮度低、电压高、波长正常：可能是退火不够，pGaN中Mg原子未完全活化。送合金炉退火后再测。若退火后仍然不亮，检查生长曲线是否正常，SiH4通入是否正常。亮度低、波长短：检查生长曲线是否正常，测试PL、XRD，观察有无In的掺杂峰，量子阱周期厚度是否正常。若In掺杂峰较弱甚至没有，检查In源剩余量，In源管道、气动阀、冷阱有无堵塞或工作异常。若量子阱周期厚度明显变薄，检查TEG源剩余量，以及相应管道、气动阀、冷阱。亮度正常，波长偏离：检查量子阱阶段生长温度曲线，In源、TEG源剩余量，石墨盘状况，以及NH3压力等，并关注之后炉次的波长范围。第一时间常见异常分析-快速数据快速数据：将一部产出外延片进行采样测试，以期在最短的时间内获得反应同炉次外延的电性、亮度、抗静电等性质的数据。快速片数据一般的获得周期为三天左右，较全面的反映了外延片的品质，是外延工艺调整的最重要的依据之一。-电压Vf：芯片20mA正常电流工作时的电压。此外还有5mA小电流工作时的电压Vf2等。-亮度Iv：芯片正常电流工作时的亮度。此外还有小电流亮度Iv2。-波长Wld：正常工作时的积分波长。此外还有峰值波长Wlp、小电流波长Wld2。-半宽Hw：正常工作时的发光峰半宽值。-蓝移：大电流与小电流工作状态下的波长差。-漏电Ir：施加8V反向电压时的电流。-反向电压Vz：施加10uA反向电流时的电压。-抗静电ESD：器件抗静电能力，分为人体模式与机械模式。常见异常分析-快速电压电压Vf1高：外延片工作状态压降主要来源：nGaN、MQW、pGaN、pAlGaN等。若nGaN的Si掺杂过少，将导致电压高、Vz高、ESD变差，亮度无太大影响。若MQW出现问题，Vf1与Vf3将一同升高，并可能伴有亮度下降、半宽蓝移等数据异常的现象。若pGaN的Mg掺少导致电压升高，将同时导致ESD变差、亮度降低等。若pAlGaN中Al掺杂过量导致电压升高，将会导致Vz变大、ESD变差。电压Vf1低：电压偏低一般是由nGaN的Si掺杂过多导致，将伴随Ir变大，ESD变差等现象。快速数据常见异常分析-快速Iv亮度（Iv）低：快速中亮度Iv分为直接亮度Iv与460nm折算亮度Ivnor，两者都与波长关系紧密。若波长偏短，Iv亮度和Ivnor亮度都将降低，前者降低幅度更大。若波长偏长，Iv亮度和Ivnor亮度都会变高，但Ivnor亮度变高幅度较小，有可能因为“波长长亮度低”影响良率。若波长正常，对比小电流下亮度Iv、蓝移、半宽等数据有无异常，若有则量子阱结构需要调整。若量子阱确定正常，则检查电压、漏电、ESD等数据有无异常，综合判断异常点。亮度高：根据外延波长、板型的不同，有时会出现亮度偏高的情况，可以通过调整量子阱的个数、结构，调整Al掺杂，改变衬底等方法进行改善。快速数据常见异常分析-蓝移、HwHw、蓝移都会对产品的成色造成影响。为了提高产品的一致性，需要将外延的Hw、蓝移值限定在一定的范围内。蓝移与Hw的大小与量子阱中跃迁能级的变化幅度有很大关系。由于InGaN与GaN的晶格失配，会在量子阱中产生极化效应，致使电子跃迁的幅度将发生变化，将导致Hw增加，蓝移变大。同时，极化效应会使载流子复合产生声子，导致热阻变大从而影响寿测。通过减少In掺杂或者将阱宽减薄的方法，可以减小蓝移和Hw，但是有可能对亮度造成影响。快速数据常见异常分析-ESDESD表现了芯片的抗静电能力。静电释放对器件造成了破坏，表现为漏电Ir变大。ESD又分为人体模式与机械模式。一般来说HM模式峰值电流较大，MM总体释放能量较多。芯片结构被静电破坏有两种可能，一是外延本身结晶质量较差，容易被击穿。此时需要针对Buffer、U、nGaN的生长条件进行调整。二是外延本身结晶质量还好，但静电测试过程中能量释放过于集中，导致部分结构被破坏。此时则需要对结构进行调整。AlGaN对ESD影响很大。一旦TMAl用完没有及时更换，将造成外延的ESD长期剧烈变差。快速数据常见异常分析-快速ESD-Ir首先对比近期数据以及同期其他机台数据，排除芯片部的原因。漏电（Ir）变大、ESD变差Ir较大表明外延中漏电通道较多，结晶质量较差，此时ESD差是由于较差的结晶质量经受不住大电流轰击，导致结构性破坏造成的。根据电压有没有变化或XRD半宽有无异常，可以判断是nGaN的Si掺杂过多、还是Buffer或uGaN生长条件不适合导致。Ir变小、ESD变差Ir较小表明外延原本结晶质量较好，但是大电流轰击时由于电能释放的密度太大，造成期间结构被破坏。结合电压有无变化分析，可能的原因有：nGaN，尤其是n2层，过薄或nGaN生长速率太低；pAlGaN过厚或Al掺杂过量；n-GaN或量子阱Si掺杂太少等。Ir变大、ESD超过100%大电流轰击后漏电反而变好，说明Ir的来源不是结构性的漏电通道，有可能是一些不稳定的中间能级缺陷或者电容放电造成的。调整u、n层温度，增加AlGaN掺杂等将有一定的改善。快速数据常见异常分析-寿测、mW寿测表明了芯片长时间工作状态下的稳定性。寿测基本上由外延片，尤其是MQW的结晶质量决定，也与工作室芯片的电流热能分布有很大关系。mW数据反映了芯片全方位的实际出光强度，除了与MQW的结