LED基础知识及外延工艺PPT资料.ppt

1、通过结：通过p型和型和n型半导体材料紧密接触而形成的结。型半导体材料紧密接触而形成的结。半导体种类半导体种类:单质半导体：Si、Ge化合物半导体：GaN、GaAs、GaP、ZnO、SiC3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the WorldN-tapeP-tape半导体简介半导体简介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light th

2、e World价价带顶导带底底GaN：3.4evAlN:6.2evInN:1.8ev不同半不同半导体材料的体材料的带隙隙宽度度半导体简介半导体简介目前发光二极管用的都是直接带隙材料GaAsSi光是一种能量的形态，是一种电磁波。在同一介质中，能量从能源出发沿直线向四面八方传播,这种能量传递的方式通常叫做辐射。通常可以用波长来表达人眼所能感受到的可见光的辐射能量。人眼所能见的可见光的光波只占宽阔的电磁人眼所能见的可见光的光波只占宽阔的电磁波谱家族中的很小空间。波谱家族中的很小空间。各种颜色光的波长 光色光色波长波长（nm）代表波长代表波长红（Red）780630700橙（Orange）630600

3、620黄（Yellow）600570580绿（Green）570500550青（Cyan）500470500蓝（Blue）470420450紫（Violet）420380420光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度g有关，即 1240/Eg（mm）电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度Eg。Eg越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会蓝移。反之，Eg越小，所发出的光子波长就越长，颜色就会红移。若要产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光），半导体材料的Eg应该在1.593.8eV之间。用不同颜色及数目LED加荧光粉所做成的白光LED的优点及缺点3E Semicondu

4、ctor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the WorldLED（Light Emitting Diode）是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。发光原理：在外加电场的作用下,n型半导体载流子电子、p型半导体载流子空穴，这两种载流子进入量子阱中并相互结合，发出不同波长的光。LED基本构造基本构造LED简介简介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate th

5、e Light,Light the World六方纤锌矿结构的六方纤锌矿结构的GaNGaNGaN是宽禁带直接带隙半导体，禁带宽度约为是宽禁带直接带隙半导体，禁带宽度约为3.4ev.3.4ev.GaN 简介简介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the World1928年Royer提出了外延（Epitaxy）一词，意思是“在之上 排列”。它是指在具有一定结晶取向的原有晶体（衬底）上延伸出 按一定晶体学方向生长薄膜的方法，这个薄膜被称为外延层。外延外延简介简介

6、3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the World2.外延技术外延技术液相外延（LPE）：生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。金属金属有机化学气相沉积有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD）：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-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

7、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。1.应用应用1959年末，外延生长技术应用于半导体领域，它的应用与发展对 于提高半导体材料的质量和器件性能，对于新材料、新器件的开 发，对于半导体科学的发展都具有重要意义。外延外延简介简介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the Worldl同质外延同质外延：组成组成PNPN结的结的P P型区和型区和N N型区是同种材料

8、型区是同种材料。（。（如：如：nGaN:SinGaN:Si上生长上生长pGaN:MgpGaN:Mg）l异质外延异质外延：两种晶体结构相同，晶格常数相近，两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度但带隙宽度不同不同的半导体材料生的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结长在一起形成的结，称为异质结。GaNGaN上生长上生长AlGaNAlGaN）l量子量子阱阱（Quantum（Quantum Well Well）：通常把势垒较厚，以致于相邻电子：通常把势垒较厚，以致于相邻电子 波函数不发生交迭波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱的周期性结构，称为量子阱。InGaNInGaN/GaNGaN/In

9、GaNInGaN.）异质外延异质外延蓝宝石衬底蓝宝石衬底GaNGaNMQW外延外延简介简介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the WorldVeeco K465i Veeco C4 Aixtron Crius ii MOCVDMOCVD简介简介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the WorldMOCVD 的工作原理

10、大致为：当有机源处于某一恒定温度时，其饱和蒸汽压是一定的；通过流量计（MFC）控制载气的流量，就可知载气流经有机源时携带的有机源的量；多路载气携带不同的源输运到反应室入口混合，然后输送到衬底处，在高温作用下发生化学反应，在衬底上外延生长；反应副产物经尾气管路排出。MOCVD反应的基本原理反应的基本原理MOCVDMOCVD简介简介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the WorldGa（CH3）3+NH3=GaN+3CH4 表面反应原理表面反应原理MOCVD

11、MOCVD简介简介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the World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（蓝宝石衬底）,PSS（图形化的衬底）工艺工艺材料材料MOCVDMOC

12、VD简介简介3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the Worldn-CladActiveGaN BufferN+-GaN:Sip-GaN:MgWell:InGaNBarrier InGaN1.8umSapphirec-plane Al2O3U-GaN/BufferN-GaN:Si420um4 um/250A 0.7um0.15um30A70Ap-GaNMQWun-GaN衬底外延外延基础基础3E Semiconductor3E SemiconductorCr

13、eate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the World（a）衬底上成核（Buffer）（b）形成的岛状颗粒在侧面快速生长（c）岛与岛之间开始进行合并 （d）最后形成平整结构 外延外延基础基础在生长的外延晶体中的线缺陷能够形成载流子的复合中心，从而降低LED的发光效率相当相当一部分的缺陷是由于异质外延的晶格失配产生的一部分的缺陷是由于异质外延的晶格失配产生的解决方法：在蓝宝石衬底上先生长一层低温解决方法：在蓝宝石衬底上先生长一层低温缓冲层缓冲层。3E Semiconductor3E SemiconductorCreate th

14、e Light,Light the WorldCreate the Light,Light the World外延外延基础基础（a）密集的、取向比较一致的小岛（b）许多单个大岛（c）以大岛为核心在水平和垂直两个方向生长（d）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。3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Light the World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TMGa，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。目前通用的是低温GaN缓冲层技术。大约在500-600度。典型典型LED外延结构外延结构1.Buffer3E Semiconductor3E SemiconductorCreate the Light,Light the WorldCreate the Light,Li