1、LED基礎知識培訓-外延、芯片 王 立 2009-3-16 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 內容提要 1 2 3 4 LED器件基礎知識 LED器件基礎知識 LED材料生長 LED材料生長 LED芯片制造 芯片制造 高效率LED芯片設計 芯片設計 高效率 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power

2、 (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 1、半導體發光的概念 發光是物體內部以某種方式吸收的能量轉化 為光輻射的過程。 發光是一種非平衡輻射。 區分各種非平衡輻射的宏觀光學參量是輻射 期間去掉激發后輻射還可延續的時間。 發光的輻射期間在10-11秒以上。 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 半導體發光的不同形態 粉末發光。 薄膜發光。 結型發光。 通常所說的半導體發光是指結型發光

3、器 件的核心在于p-n結。 半導體照明技術是結型電致發光和粉末光致 發光的結合。 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 2、半導體發光的研究歷史 1907 ! Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 1923, O.W

4、. Lossev of Russia reported electroluminescent light emission in silicon carbide crystals. 1937, F. Destriau of France reported (field-excited electroluminescence of zinc sulfide powders. 1939 1944 World War II 1951 Solid State Lighting potential resurfaced when a team of researchers led by Kurt Leh

5、ovec started to investigate the electroluminescent potential of silicon carbide. 1962 Nick Holonyak Jr, working at General Electric, gave the first practical demonstration of LEDs. 1968 HP Labs develops the first commercially available light-emitting diode. GE, Bell Labs make the same claim. LEDs we

6、re first invented in England, Korea and China as well, depending upon who you talk to. 1994 高亮度藍光LED實現產業化，半導體照明成為可能。 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 3、半導體發光的原理 p-n結正向偏壓下，電子和空穴復合 Lattice Power (Jiangxi Corporation Latt

7、ice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 能帶理論與半導體發光 由于晶體中原子的周期性排列而使價電子不再為 單個原子所有電子的共有化。 電子的共有化使原先每個原子中具有相同能級的 電子能級，因各原子間的相互影響而分裂成一系 列和原來能級很接近的新能級，形成能帶。 。 E B 1s E A O r r0 原子中的 能級 晶體中的能帶 E 氫原子的能級分裂 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporati

8、on Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 兩個相鄰能帶間可能有一個能量間隔-禁帶 禁帶寬度的大小是區分導體、半導體和絕緣體的 重要特征 空帶 空帶 空帶 滿帶 Eg 禁帶 滿帶 E g 禁帶 滿帶 導體能帶 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 半導體能帶 絕緣體能帶 LED器件基礎知識 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice

9、 Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 LED的I-V特性和發光光譜 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 發光波長取決于 禁帶寬度： = 1240/Eg (nm 可見光的波長范 圍：380nm -800 nm，對應的禁帶 寬度約3.31.6eV 通過形成混晶可 以實現發光波長 的連續變化。 Latt

10、ice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 影響發光效率的幾個因素 能帶類型： 直接帶隙、間接帶隙 非輻射復合中心密度： 雜質、缺陷 器件結構： 載流子局域化、異質結、量子阱 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 影響出光效率的幾

11、個因素 內吸收 采用窗口層 電極吸收透明電極 襯底吸收采用透明襯底或反射鏡 全內發射表面粗化、光子晶體、改變界 面折射率，球面封裝。 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 制造襯底 制造發光 二極管外 延片 制造 芯片 封狀成 成品 例如GaAs、 、 例如 Al2O3 、 SiC等 等 例如MOCVD 例如 一片2直徑英寸的外 一片 直徑英寸的外 延片可以加工10000 延片可以加工 多個LED芯片 多

12、個 芯片 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED器件基礎知識 進入門檻高低 $ Level 1 外延材料制備 Level 2 發光芯片制備 Level 3 發光器件封裝 Level 4 發光產品應用 參與者數量 $ $ $ Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corpor

13、ation 內容提要 1 2 3 4 半導體發光物理基礎 LED材料生長 LED材料生長 LED芯片制造 芯片制造 高效率LED芯片設計 芯片設計 高效率 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation LED常用發光材料 序號 1 發光材料 GaP 發光顏色 紅色（ ）、黃綠（ ）、 ）、黃綠 ）、標 紅色（RD）、黃綠（YG）、標 綠（SG） ） 黃色（ ）、橙色（ ）、橙色 黃色（HY）、橙色（HO） ） 紅外（ 紅外（IRC）

14、 ） 應用 指示燈，數碼、時鐘顯示， 指示燈，數碼、時鐘顯示， 底背光， 底背光，發光條等 同上 光耦， 光耦，近距離傳輸等 2 3 4 GaAsP/GaP GaAs GaAlAs/GaAs 紅色（ 、 ）、紅外 紅色（SR、SRD）、紅外（IRA） 指示燈，數碼、時鐘顯示， ）、紅外（ ） 指示燈，數碼、時鐘顯示， 點陣， 點陣，遙控發射等 綠色紅色連續可調 綠色 紅色連續可調 紫外-綠光連續可調 紫外 綠光連續可調 大屏幕、交通燈、 大屏幕、交通燈、各種汽車 燈、景觀燈等 大屏幕、交通燈、汽車燈、 大屏幕、交通燈、汽車燈、 景觀燈、白光照明、 景觀燈、白光照明、各 種屏幕背光等。 種屏幕背

15、光等。 實驗室研究階段 5 6 AlGaInP/GaAs GaN/Al2O3 GaN/SiC GaN/Si ZnO、 ZnO、ZnSe 7 同為短波長發光 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料制備-襯底 發光材料制備 襯底 常用的襯底材料： Si、Ge、GaAs、InP、SiC、GaP 、Al2O3、 AlN、ZnO、GaN、ScAlMgO4、MgAl2O4 襯底的制備方法： 直拉法、區熔法、定向凝固法、 水熱法、

16、HVPE法 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料制備-襯底 發光材料制備 襯底 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料制備-襯底 發光材料制備 襯底 半導體單晶制造技術直拉法 直拉法 半導體單晶制造技術 Lattice Power (Ji

17、angxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料制備-襯底 發光材料制備 襯底 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料制備-外延 發光材料制備 外延 Epitaxy-由希臘文“ep”和“taxio”引申而來，意 思是“.之上排列”。 它是指在一定條件下，使某種物質的原子 （或）分子有

18、規則排列，定向生長在經過仔細 加工的晶體（襯底）表面上。 得到的是一種連續、平滑并與襯底晶格有對 應關系的單晶層。這個單晶層，稱為外延層。 而生長外延層的過程叫做外延生長。 廣義上講，與襯底相一致地生長在襯底上的 多晶膜也稱之為外延膜。 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料制備-外延 發光材料制備 外延 外延是整個產業鏈技術含量最高的一個環節 外延層質量的高低對發光器件的效率和可靠 性有著決定性的影響。 主要的外延

19、方法有：LPE、MOCVD、MBE HVPE、PLD 在產業上得到廣泛應用的有LPE和MOCVD 最重要的半導體發光材料III-V族半導體外延 材料主要是用MOCVD制備的。 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 外延常用語介紹 襯底 模板 有機源 載氣 石墨 石英 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Po

20、wer (Jiangxi Corporation 外延工藝特點 所有材料高純度 高溫過程 工藝控制 原材料的特性 對設備要求高設備龐大，控制復雜 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 生長控制參數 反應室壓力 反應溫度 生長速率 Hydride/MO 比例 支撐旋轉速度 總的載氣量 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation La

21、ttice Power (Jiangxi Corporation 氮化物材料外延常用的源材料 CP2Mg二戊鎂 TMIn三甲基銦 TMAl三甲基鋁 TMGa三甲基鎵 TEGa三乙基鎵 NH3氨氣 SiH4硅烷 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 外延層常見結構 單量子阱 LED外延層結構示意圖 Contact layer Strain modulation Active layer Carrier injection la

22、yer Strain modulation Contact layer Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 外延層常見結構 100nm 50nm P型導電GaN摻Mg層 InGaN/GaN多量子阱 N型導電GaN摻Si層 氮化鎵(GaN緩沖層 氮化鋁(AlN緩沖層 34um 400um Si襯底 Si襯底 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi C

23、orporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料的制造-MOCVD 發光材料的制造 常見的MOCVD系統 系統 常見的 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料的制造-MOCVD 發光材料的制造 MOCVD原理： MOCVD 有機金屬化學氣相沉積法（MOCVD），又叫有機金 屬化學氣相外延法（MOVPE），是一種利用有機金屬熱分 解反應進行氣相外延的方法。多用于生長化

24、合物半導體。 Reactor chamber (CH3 3 Ga + NH3 -> GaN + 3 CH4 NH3 Substrate Susceptor H2 TMG bubbler Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料的制造-MOCVD 發光材料的制造 2、特征： （1）單溫區生長，生長溫度范圍寬。 （2）各組分和摻雜劑以氣態通入，導入量容易控 制，控制范圍寬，再現性好，由于氣體容易迅 速改變，易于得到陡

25、峭的界面。 （3）只改變原料就能容易地生長出各種組分的化合 物晶體。 （4）原料氣不含刻蝕成分，自動摻雜作用小， （5）反應室可以做到大面積均勻，適合量產。 （6）生長速率控制范圍寬，既易于制作精細結構， 又易于實現量產。 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料的制造-MOCVD 發光材料的制造 A H2 /N2 NH3 TMG NH3 +TMG B C TMG NH3 Two-Flow (Nichia D NH3

26、Vertical close-spaced (Thomas Swan E TMG NH3 TMG Horizontal Quartz F TMG NH 3 Vertical Quartz H2 /N2 Vertical turbodisc (Emcore Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Planetary (Aixtron 發光材料的制造-MOCVD 發光材料的制造 光學探頭插口 有機源 NH3 冷卻水 尾氣管 尾氣管

27、 熱電偶 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料的制造-MOCVD 發光材料的制造 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料的制造-生長過程 發光材料的制造 生長過程 Kinetics Gas phase reaction NH3 (CH3

28、3 Ga Diffusion NH3 Surface reaction GaN Ga* + N* Bulk layer Thermodynamics Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation NH3 :(CH3 3 Ga Reaction Mass transport MOCVD原材料的要求 純度要求 MO源和氫化物等都要求具有6個9以上 的純度，載氣要求達到8個9以上。 Lattice Power (Jiangxi Corpo

29、ration Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料的制造-MBE 發光材料的制造 發光材料制備技術MBE MBE 發光材料制備技術 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料的制造-MBE 發光材料的制造 MBE原理 MBE原理 在超高真空下，用努森箱加熱蒸發反應 源并發射出來，在襯底上沉積薄膜。努森箱 中保持

30、準平衡態，所以射束成分和強度保持 不變，并可由熱力學測算。從努森箱噴發出 來的射束由射束閘門控制，以直線路徑射到 襯底表面。在動力學控制條件下，在襯底上 冷凝和生長。 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料的制造-MBE 發光材料的制造 MBE的優點： 生長溫度低，一般<800度，熱擴散影響小。 超高真空，可以得到很清潔的表面和很高的 薄膜純度。 生長速率慢，容易控制膜厚并易于制備超晶 格等精細復雜的微結構，摻

31、雜和界面控制 好，過渡陡峭。 方便原位分析，可以實現高度的在線自動精 密控制。對薄膜生長過程的機理分析有利。 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 發光材料的制造-MBE 發光材料的制造 MBE的缺點： 生長速率太慢，不適合大量生產。 難于控制混晶系和四元合金生長。 系統易被蒸發分子污染，導致性能下降。 系統需要超高真空，維護困難。 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Pow

32、er (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 外延材料的測試 宏觀表面質量-干涉顯微鏡 發光性能測量-光致發光(PL 晶體質量測量-X射線衍射儀(XRD 微觀形貌測量-原子力顯微鏡(AFM 微觀結構測量-透射電鏡(TEM Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation 干涉顯微鏡測量 100µm Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangx