LED器件及外延

工藝介紹LED介紹

LED是取自LightEmittingDiode三個字的縮寫，中文譯為“發光二極管”，顧名思義發光二極管是一種可以將電能轉化為光能的電子器件具有二極管的特性。什么是LED?LED光源的特點

電壓：LED使用低壓電源，單顆電壓在1.9-4V之間，比使用高壓電源更安全的電源。效能：光效高，目前實驗室最高光效已達到254lm/w（cree）,是目前光效最高的照明產品。抗震性：LED是固態光源，由于它的特殊性，具有其他光源產品不能比擬的抗震性。穩定性：10萬小時，光衰為初始的70%響應時間：LED燈的響應時間為納秒級，是目前所有光源中響應時間最快的產品。

環保：無金屬汞等對身體有害物質。顏色：LED的帶快相當窄，所發光顏色純，無雜色光，覆蓋整過可見光的全部波段，且可由R\G\B組合成任何想要可見光。LED色彩豐富由于LED帶寬比較窄，顏色純度高，因此LED的色彩比其他光源的色彩豐富得多。

據有關專家計算，LED的色彩比其他光源豐富30%,因此，它能夠更準確的反應物體的真實性，當然也更受消費者的青睞！LED發光原理發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的芯片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注

入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。LED發展簡介

1962年,GE、Monsanto、IBM的聯合實驗室開發出了發紅光的磷砷化鎵（GaAsP）半導體化合物，從此可見光發光二極管步入商業化發展進程。

80年代早期的重大技術突破是開發出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的發光效率發出紅光。這一技術進步使LED能夠應用于室外信息發布以及汽車高位剎車燈(CHMSL)設備。

1990年，業界又開發出了能夠提供相當于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術，這比當時標準的GaAsP器件性能要高出10倍。

1993年，日本科學家中村修二在GaN基片上研制出了第一只藍色發光二極管，由此引發了對GaN基LED研究和開發的熱潮。

20世紀90年代后期，研制出通過藍光激發YAG熒光粉產生白光的LED，但色澤不均勻，使用壽命短，價格高。隨著技術的不斷進步，近年來白光LED的發展相當迅速，白光LED的發光效率已經達到38lm/W，實驗室研究成果可以達到70lm/W，大大超過白熾燈，向熒光燈逼近。LED發展簡介

半導體照明的發展非常迅速。統計表明，自上世紀60年代誕生以來，每隔十年，LED成本下降十倍而發光效率提高十倍。2006年，日本日亞化學（Nichia）實現了150Lm/W的發光效率，比美國光電工業發展協會（OIDA）設定的目標提早了6年。而幾年前市場憧憬2010年才能商業化的瓦級單燈，在2006年就已進入商用，目前已相當普及。

2009年2月，日本發光二極管廠商日亞化工（Nichia）發表了效率高達249lm/W的發光二極管，此乃實驗室數據。2012年4月、美國發光二極管大廠科銳(Cree)推出254lm/W光效再度刷新功率。藍光LED

到20世紀90年代早期，采用銦鋁磷化鎵生產出了桔紅、橙、黃和綠光的LED。在很長的一段時間內都無法提供發射藍光的LED第一個有歷史意義的藍光LED也出現在90年代早期（日亞公司1993宣布，中村修二博士發明），再一次利用金鋼砂—早期的半導體光源的障礙物。依當今的技術標準去衡量，它與俄國以前的黃光LED一樣光源暗淡。90年代中期，出現了超亮度的氮化鎵（GaN)LED。當前制造藍光LED的晶體外延材料是氮化銦鎵(InGaN)。氮化銦鎵LED可以產生五倍于氮化鎵LED的光強。超亮度藍光芯片是白光LED的核心，在這個發光芯片上抹上熒光磷，然后熒光磷通過吸收來自芯片上的藍色光源再轉化為白光，利用這種技術可制造出任何可見顏色的光。近期開發的LED不僅能發射出純紫外光而且能發射出真實的“黑色”紫外光LED的發展不單純是它的顏色還有它的亮度，像計算機一樣，遵守摩爾定律的發展，即每隔18個月它的亮度就會增加一倍，曾經暗淡的發光二極管現在真正預示著LED新時代的來臨。2：LED主要類別：35285050(PLCC6)常規1W大功率￠3mm食人魚5mm厚邊草帽平頭食人魚￠5mm食人魚側發光大功率外形2大功率外形3DIPSMDHIGHPOWER大功率外形4C3535小中大3：顏色(有色光)紅色光：630nm-620nm-橙紅

橙色光：580-595-琥珀色光綠色：

525nm-純綠色藍色：470nm-460nm

450nm-純藍色；UV-A型紫外線光：

370nm-幾乎是不可見光色溫(白光)冷白(7000-12000K),正白(6000-7000K)暖白(2700-3500K)商業白（3500－5000K）白光LED的實現方法

一、配色，白平衡白色是紅綠藍三色按亮度比例混合而成，當光線中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21％，藍色的亮度為10％時，混色后人眼感覺到的是純白色。但LED紅綠藍三色的色品坐標因工藝過程等原因無法達到全色譜的效果，而控制原色包括有偏差的原色的

亮度得到白色光，稱為配色。

二、LED采用熒光粉實現白光主要有三種方法，但它們并沒有完全成熟，由此嚴重地影響白光LED在照明領域的應用。

白光LED的實現方法第一種方法是：在藍色LED芯片上涂敷能被藍光激發的黃色熒光粉，芯片發出的藍光與熒光粉發出的黃光互補形成白光。該技術被日本Nichia公司壟斷，而且這種方案的一個原理性的缺點就是該熒光體中Ce3＋離子的發射光譜不具連續光譜特性，顯色性較差，難以滿足低色溫照明的要求。同時發光效率還不夠高，需要通過開發新型的高效熒光粉來改善。第二種方法是：在藍色LED芯片上涂敷綠色和紅色熒光粉，通過芯片發出的藍光與熒光粉發出的綠光和紅光復合得到白光。該類產品雖顯色性較好，但所用熒光粉的轉換效率較低，尤其是紅色熒光粉的效率需要較大幅度的提高，因此推廣也較慢。白光LED的實現方法

第三種方法：在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多種顏色的熒光粉，利用該芯片發射的長波紫外光（370nm－380nm）或紫光（380nm－410nm）來激發熒光粉，從而實現白光發射。該種LED的顯色性更好，但存在與第二種方法類似的問題，且目前轉換效率較高的紅色和綠色熒光粉多為硫化物體系。這類熒光粉發光穩定性差、光衰較大，故還沒批量使用。其他方法：在特殊的場合，白光LED還有其他幾種封裝方法。這里簡單的介紹一下：第一種：將紅、藍、綠三芯片封裝在一起，按照一定的比例對其光色進行控制，混出白光。第二種：實現方法是用紅、藍、綠、黃四芯片混出白光。白光LED色區的劃分藍色芯片加黃色熒光粉所制成白光LED，是目前白光LED制造的主流，由于制程的缺陷，白光LED存在色差在所難免。如何劃分LED的顏色才是最佳的呢，下面我來簡單的介紹一下。市場上通常所說的3500K、4000K、6500k等等多少色溫的說法其實不是很科學的，因為從CIE圖中我們可以看出，同一色溫在圖中不是對應唯一的點，它跟色坐標是一對多的關系。為了解決這一問題，行業中通常將自己生產的LED對其色坐標進行歸納總結，最終將其肉眼看起來差別不明顯的LED歸到一起，這樣分選出來的LED在CIE中就對應了一個小小區域，這就是色區。用色區來劃分LED產品，是整過行業通用的方法，請看下圖：白光LED色區的劃分WhiteBinningInformation4：功率小功率：~20mA(~0.06W)中功率:150mA(~0.5W)大功率:350mA以上5：芯片的構成：由金墊，P極，N極，PN結，背金層構成（雙pad芯片無背金層）。芯片的分類：1.1按組成分：二元：如GaAs(砷化鎵)，GaP（磷化鎵）等三元：InGaN(氮化銦鎵)，GaAlAs(砷化鎵鋁)，GaAsP(磷化鎵砷)等四元：AlGaInP（鋁鎵銦磷）.AlGaInAs（鋁鎵磷砷）1.2按極性分：

P/N極芯片（正極性）

N/P極芯片（反極性）雙電極（藍，綠，紫光）1.3按發光類型分：表面發光型:光線大部分從芯片表面發出五面發光型：表面，側面都有較多的光線射出1.4按發光顏色分：紅，橙，黃，黃綠，純綠，藍綠，藍，紫光

1.5按芯片的大小尺寸分：

8mil9mil10mil12mil(紅，橙，黃，黃綠）12mil14mil

（藍，綠，紫光）

1.6按功耗分:低功率(毫瓦級),中功率(百毫瓦級),高功率(大于1W)LED芯片廠商LED照明芯片作為上游產業核心鏈條，技術的發展將直接帶動照明市場格局的變化，目前全球LED芯片市場格式分為三大陣營：第一陣營：日本、歐美為代表廠商。全球五大LED巨頭日亞化學、Cree、Osram、PhilipsLumiLeds、豐田合成為代表。美國的SemiLEDs’HPLEDs、日本的東芝、松下和夏普在這陣營中也有一席之地，韓國的三星、SSC、LG也在快速崛起。這個陣營技術一流，專利豐厚，在超高亮度LED領域耕耘多年，目標市場是通用照明以及汽車照明。日韓企業會少量兼顧消費類電子產品背光用LED，歐美企業則對消費類電子產品背光用LED沒有多大興趣。第二陣營：韓國和中國臺灣為代表的廠家。韓國Epivalley、臺灣晶元光電、光磊、廣鎵光電、璨圓、鼎元、泰谷光電、新世紀等為代表。這個陣營的廠家擁有消費類電子完整產業鏈，關注消費類電子產品背光用LED，其技術與歐日美企業有差距，尤其是通用照明領域，目前正在享受高速成長期。第三陣營：中國大陸為代表的廠家。中國大陸廠家規模小，數量分散，主要從事四元黃綠光LED生產，主要用于戶外景觀、裝飾或廣告。國內分布格局：2009年中國LED芯片行業的總產值為20多億元人民幣，15個省/直轄市都有企業進入LED芯片行業，廣東、福建企業數量明顯領先于其他地區，廣東有10個占16.1%，福建有8個占12.9%。廣東、福建、上海、河北、江蘇、江西、遼寧7個國家半導體照明產業化基地所在的省/直轄市LED芯片企業合計41個，約占LED芯片企業總數的2/3。山東、湖北、浙江LED芯片企業數量也都在4個以上。國內LED外延生長和芯片制造的主要企業有廈門三安、大連路美、杭州士蘭明芯、上海藍光、上海藍寶、山東華光、江西晶能光電、河北同輝、沈陽方大、廈門干照、江西聯創、南昌欣磊、上海大晨、上海宇體、深圳世紀晶源、深圳奧倫德、揚州華夏集成、廊坊清芯、甘肅新天電、武漢迪源、西安中為、廣州普光、東莞福地，以及“外資血統”企業如武漢華燦、廈門晶宇、廈門明達和晉江晶藍等。其中，三安主攻LED背光市場，士蘭微主攻LED戶外顯示屏市場，迪源和藍寶主攻大功率高亮度照明市場，華燦主攻室內照明市場，藍光也以小功率LED照明市場為主。LED封裝廠商中國大陸和臺灣地區進入led產業較晚，led企業的資金實力、技術水平與歐、美、日企業有一定差距，因而多專注于產業鏈的某個環節、走專業化道路。隨著，中國大陸和臺灣地區企業在資金實力和技術水平的提升，目前在封裝領域，發光效率、顯色指數等主要指標方面國內外已不存在明顯差距。臺灣在外延片及芯片產能上全球最大，Led封裝產量全球第一，產值全球第二，以光磊、晶電、光寶、億光、佰鴻、宏齊、東貝等為代表。國內led封裝企業的特點是規模小、數量多，為500家～600家，具有一定規模，銷售在千萬元以上的企業約100家，初步形成了GaN基LED外延片生產、LED芯片制備、LED封裝和應用的較完整的工業體系和相應的研究體系，以三安光電、杭州士蘭明芯、山東華光、佛山國星光電、廈門華聯、江蘇穩潤、廣州鴻利、上海三思、深圳聯創健和、北京世紀澄通等為代表。此外，普通led照明市場已處于低價低層次的競爭態勢；在中高端市場，高質量照明led和貼片式led的產業化關鍵生產技術仍只被少數大型企業掌握，行業進入門檻仍然較高。近年來，基于勞動力和市場等因素，全球led產業不斷向中國大陸轉移，臺灣億光、佰鴻及國外行業龍頭開始在大陸設廠，預計未來5-10年內，珠三角、長三角、福建等地區會成為世界led封裝中心。LED應用產品企業國際led企業廠商包括：歐司朗(osram)、ge照明(gelighting)、飛利浦(philips)、庫柏照明(cooper)、索恩照明(thorn)等。國內生產企業包括：勤上光電、TCL照明、史福特、真明麗、國星光電、富士康、佰鴻工業、寧波燎原、德士達光電、中微光電子、上海亞明、通士達、大連路明、中企實業、品能光電、邦貝爾、良業照明、晶日照明、德豪潤達、雷曼光電、斯派史光電、浙江名芯等上千家企業。中國led照明產業已經形成珠三角、長三角、北方地區、江西及福建地區四大半導體照明產業聚集區域，上海、大連、南昌、廈門、深圳、揚州和石家莊七大國家半導體照明工程產業化基地。6：

LED發展趨勢

LED產業前景

在全球能源短缺、環保要求不斷提高的情況下，已結束的2008年北京奧運會和2010年上海世博會都不約而同地以綠色節能為主題，這給中國LED照明產業的發展帶來了巨大的歷史機遇。

據國內有關機構預測，在奧運、世博的強力帶動下，中國LED照明市場規模將從2007年的48.5億元快速增長至2010年的98.1億元，，北京奧運會上，LED照明技術在奧運歷史上首次大規模使用并獲得成功。據官方統計，北京奧運會總共包括36個比賽場館，其照明產品需求就達5億元左右，這還不包括奧運村、奧運花園等其他公共照明設施市場。實例“水立方”

LED照明除了比用常規照明至少節能60%以外，還擁有長壽命、易集成、快響應、利環保、光分布易于控制、色彩豐富等優勢。以“水立方”為例，僅使用LED燈的“水立方”景觀照明工程，預計全年可比傳統的熒光燈節電74.5萬千瓦時，節能達70%以上。實例“夢幻長卷”和“夢幻五環”相信奧運會開幕式的“夢幻長卷”和“夢幻五環”大家還記憶猶新，它被展現在一個4564平方米的巨大LED大屏幕上，這是迄今為止世界上最大的單體全彩色大屏幕，升入空中的“夢幻五環”，則是由4.5萬顆LED燈編排而成的。夢幻五環夢幻長卷LED優點1.使用壽命：用壽命高達50,000小時以上2.節能：比高壓鈉燈節電80%以上3.綠色環保。大功率LED路燈不含鉛、汞等污染元素，對環境沒有任何污染4.安全：耐沖擊，抗震力強，led發的光在可見光范圍內，無紫外線（UV）和紅外（IR）輻射。無燈絲和玻璃外殼，沒有傳統燈管碎裂的問題，對人體無傷害、無輻射；5.無高壓，不吸灰塵。消除了普通路燈因高壓吸收灰塵導致燈罩發黑引起的亮度降低；6.無高溫，燈罩不會老化發黃。消除了普通路燈因高溫烘烤燈罩使其老化發黃引起的亮度降低和壽命的縮短；

7.啟動無延時。led在納秒級，通電即達正常亮度，無須等待，消除了傳統LED路燈長時間的啟動過程；8.無頻閃。純直流工作，消除了傳統路燈頻閃引起的視覺疲勞；9.無不良眩光。消除普通大功率LED路燈的不良眩光所引起的刺眼、視覺疲勞與視線干擾，提高駕駛的安全性，減少交通事故的發生。10.柔性化好——ＬＥＤ光源的精巧，使ＬＥＤ燈能適應各種幾何尺寸和不同空間大小的裝飾照明要求，諸如：點、線、面、球、異形式，乃至任意藝術造型的燈光雕塑；11.色彩純厚——由半導體ＰＮ結自身產生色彩，純正，濃厚；色彩豐富——三基色加數碼技術，可演變任意色彩；8：大功率LED：LED光源----大功率LED大功率LED:廣義上說就是單顆LED光源功率大于0.35W(含0.35W)的。LED光源內部結構由N個1WLED芯片通過串并聯的方式連接并封裝在一個LED支架里的光源，常用有10W，20W，30W，50W，70W，100W，150W。LED光源----集成式LEDLED光源----集成式LED應用標準型LED將逐年衰退超高亮度LED將快速發展未來大功率LED照明成為市場主流紅光ＬＥＤ溫度效應最明顯不同顏色LED熱效應不同高功率LED的定義一般傳統LED驅動電流為20mA、順向電壓3.5V、

功率消耗約0.07W轉換成光通量約4~5流明(70lm/W)。highpowerLED一般泛稱驅動電流在350mA以上電功率都在1W以上,單顆LED可發出在60lm左右。提升效率的方法使用銦錫氧化物(IndiumTinOxide;ITO)當電流傳輸層。采用覆晶結構(Flip-chip)。將光輸出表面粗糙化。使用垂直電極(VerticalElectrode)。使用22°底切側壁。使用圖形化的藍寶石基板。使用電流阻擋層(CurrentBlockLayer)。使用氧化鎳/銦錫氧化物歐姆接觸。在MQW與p-GaN層之間多做一層p-AlGaN。HighPowerLED的挑戰仰制溫度上升：整體發光效率約10%~15%，其余轉成熱，造成溫度上升。

確保使用壽命：高溫會使封裝樹劣化，發光效率降低。改善發光效率：尋找發光效率更高材料。HighPowerLED的挑戰首先是強化光轉效率，這也是最根源之道，現有LED中，僅有15％~20％被轉化成光能，其余都被轉化成熱能。提升轉換效率的重點就在p-n接面上，p-n接面是LED主要的發光發熱位置，透過p-n接面的結構設計改變可提升轉化效率。高溫時的缺點ＴJ升高時的光輸出效率降低。可靠性降低ＴJ升高時發光體顏色會略向較高的波長偏移溫度所造成的影響Lumileds公司Luxeon系列封裝散熱路徑為下方的金屬，內部封裝改為硅樹脂，獲得更好的機械特性。它非常柔軟，對紫外線照射和高強度藍光具有更強的抵抗能力。未來發展

高亮度LED技術的飛速發展使高亮度LED成為普通照明光源的時日越來越近。高亮度LED發光效率、壽命以及光輸出的明顯改善激活了高亮度LED照明應用的早期專用市場，看好高亮度LED照明的人士深受鼓舞，并相信其將對未來十年照明市場產生重要影響。世界各大LED芯片制造商的技術優勢科銳（CREE）

科銳公司是市場上領先的革新者與半導體的制造商，以顯著地提高固態照明，電力及通訊產品的能源效果來提高它們的價值。

科銳的市場優勢關鍵來源于公司在有氮化鎵（GaN）的碳化硅（SiC）方面上獨一的材料專長知識，來制造芯片及成套的器件。這些芯片及成套的器件可在很小的空間里用更大的功率，同時比別的現有技術，材料及產品放熱更少。

歐司朗是世界上兩大光源制造商之一，總部設在德國慕尼黑，研發和制造基地在馬來西亞，是西門子全資子公司。2007財政年度（截至2007年9月30日），Osram全球銷售業績高達47億歐元。

歐司朗的客戶遍布全球近150個國家和地區。憑借著創新照明技術和解決方案，Osram不斷開發人造光源的新領域，產品廣泛使用在公共場所、辦公室、工廠、家庭以及汽車照明各領域。飛利浦（PHILIPS）

飛利浦照明為所有領域提供先進的高效節能解決方案，包括：道路、辦公室、工業、娛樂和家居照明等。在構筑未來的新型照明的應用和技術使用上，Philips也位居領導地位，例如LED技術。公司主要產品包括，氙汽車燈、道路照明、氛圍照明。

飛利浦確立在LED芯片領域的領導地位主要得益于對Lumileds的收購，Lumileds由安捷倫和飛利浦合資組建于1999年，2005年Philips完全收購了該公司。PhilipsLumileds可提供各種LED芯片和LED封裝，有紅、綠、藍、琥珀、及白光等LED產品。日亞（Nichia）日亞化學，著名LED芯片制造商，日本公司，成立于1956年，開發出世界第一顆藍色LED（1993年），世界第一顆純綠LED（1995年），在世界各地建有子公司。日亞化學公司以“EverResearchingforaBrighterWorld”為宗旨，迄今致力于制造及銷售以熒光粉（無機熒光粉）為中心的精密化學品。在研制發光物質的過程中，于1993年發表了震驚世界的藍色LED以來，相繼實現了紫外、黃色的氮化物LED及白色LED的商品化，大幅度擴大了LED的應用領域。此外，日亞化學公司正大力開發對于信息媒介的發展不可缺的紫藍色激光半導體，希望將來氮化物半導體能成為半導體產業中重要領域的一部

首爾半導體（SeoulSemiconductor）首爾半導體近些年增長速度迅速，已榮升世界頂級LED芯片制造商之列。據英國市場調研公司IMSResearch的報告顯示，首爾半導體2007年LED封裝產品的總收入位居世界第四位。首爾半導體的主要業務乃生產全線LED封裝及定制模塊產品，包括采用交流電驅動的半導體光源產品如：Acriche、高亮度大功率LED、側光LED、頂光LED、貼片LED、插件LED及食人魚（超強光）LED等。產品已廣泛應用于一般照明、顯示屏照明、移動電話背光源、電視、手提電腦、汽車照明、家居用品及交通訊號等范疇之中。豐田合成（ToyodaGosei）豐田合成，總部位于日本愛知，生產汽車部件和LED,LED約占收入10%.I[燈具效率]

燈具效率(也叫光輸出系數)是衡量燈具利用能量效率的重要標準，它是燈具輸出的光能量與燈具裸光源輸出的光能量之間的比例。

[LED燈壽命]

LED從初裝到光衰不超過30%的時間。目前理論值為5-10萬小時。90%使用光源LED熒光燈普通燈泡高壓鈉燈光源光效90流明/瓦80流明/瓦20流明/瓦100流明/瓦電源效率90%85%100%有效光照效率90%60%60%60%燈具(取光)效率90%60%60%60%壽命50000小時2000小時2000小時10000小時燈具總效率對照：(光源發展的歷史：白熾燈→直管型熒光燈→高效電子節能燈→LED燈)各種光源燈具的實際效率各種光源燈具的實際效率：LED計算：90*0.90*0.90*0.9=65.6流明/瓦熒光燈計算：80*0.85*0.6*0.6=24.5流明/瓦普通燈泡計算：20*1*0.6*0.6=7.2流明/瓦高壓鈉燈計算：100*0.9*0.60*0.60=32.4流明/瓦可見，LED燈具實際效率是一般熒光燈的2.6倍，是普通白熾燈泡的9倍，是高壓鈉燈的2.02倍。即：LED燈鈉燈之間功率可換算為：

75WLED燈=150W鈉燈；

125WLED燈=250W鈉燈；

225WLED燈=400W鈉燈節省預算節省預算：按照一個燈泡來計算節省資金1、壽命計算節能燈的壽命一般在1800小時，按照每天6小時照明計算為300天。如果按照一個節能燈平均15元來計算，10年內要換至少10次燈泡，一萬個節能燈泡在10年內要更換10萬個節能燈泡。總花費（150萬元）

LED燈泡的壽命我們按照最保守的時間來計算，10年內不用更換燈泡，每個燈泡以5W的功率就可取代15W的節能燈泡，每個燈泡價格在70元，那么1萬個燈泡的價格是70萬元，在燈泡方面可節省80萬的費用。2、耗電計算節能燈：15W*6小時*365天=32.850W*0.8元*1萬只=26.28萬元

LED：5W*6小時*365天=10.95W*0.8=8.76元*1萬只=8.76萬元公園1萬只燈每年可節省電費：17.52萬元3、一次性投資計算一次性投資70萬元，按照每年節省17.52萬元計算，在4年收回投資，剩下的6年可節省105.12萬元+80萬元（燈泡更換費用），總共可節省185.12萬元。照明術語光通量(φ)

是:

點光源或非點光源在單位時間內所發出的能量,其中可產生視覺者(人能感覺出來的輻射通量)即稱為光通量。光通量的單位為流明(簡寫lm),1流明(lumen或lm)定義為一國際標準燭光的光源在單位立體弧角內所通過的光通量。

光照度：

可用照度計直接測量。光照度的單位是勒克斯，是英文lux的音譯，也可寫為lx。被光均勻照射的物體，在1平方米面積上得到的光通量是1流明時，它的照度是1勒克斯。發光強度：

簡稱光強，國際單位是candela（坎德拉）簡寫cd。Lcd是指光源在指定方向的單位立體角內發出的光通量。光源輻射是均勻時，則光強為I=F/Ω，Ω為立體角，單位為球面度（sr）,F為光通量，單位是流明，對于點光源由I=F/4。左右。照明術語光亮度：表示發光面明亮程度的，指發光表面在指定方向的發光強度與垂直且指定方向的發光面的面積之比，單位是坎德拉/平方米。對于一個漫散射面，盡管各個方向的光強和光通量不同，但各個方向的亮度都是相等的。電視機的熒光屏就是近似于這樣的漫散射面，所以從各個方向上觀看圖像，都有相同的亮度感。光效：光源發出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源節能的重要指標。單位：每瓦流明（Lm/w）。顯色性：光源對物體呈現的程度，即顏色的逼真程度。常稱“顯色指數”單位：Ra。色溫：光源發射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時，黑體的溫度稱為該光源的色溫。單位：開爾文（k）。光束角：通常稱角度，指于垂直光束中心線之一平面上，發光強度等于50%最大發光強度的二個方向之間的夾角。

結溫：是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。LED結溫高低直接影響到LED出光效率、器件壽命、可靠性、發射波長等。是LED器件封裝和器件應用設計必須著重解決的核心問題.

2：照明種類：居家照明商業照明道路照明汽車照明景觀工程照明6：LED燈頭LED核心器件生產流程襯底材料的選擇襯底材料是半導體照明產業技術發展的基石。不同的襯底材料，需要不同的外延生長技術、芯片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面：[1]結構特性好，外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、缺陷密度小；[2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強；[3]化學穩定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕；[4]熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度小；[5]導電性好，能制成上下結構；[6]光學性能好，制作的器件所發出的光被襯底吸收小；[7]機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等；[8]價格低廉；[9]大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。用于氮化鎵生長的襯底材料性能優劣比較

襯底材料Al2O3

SiCSiZnOGaN晶格失配度差中差良優界面特性良良良良優化學穩定性優優良差優導熱性能差優優優優熱失配度差中差差優導電性差優優優優光學性能優優差優優機械性能差差優良中價格中高低高高尺寸中中大中小氮化鎵襯底用于氮化鎵生長的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材料，這樣可以大大提高外延膜的晶體質量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發光效率，提高器件工作電流密度。可是，制備氮化鎵體單晶材料非常困難，到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他襯底(如Al2O3、SiC)上生長氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術實現襯底和氮化鎵厚膜的分離，分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優點非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯密度，比在Al2O3

、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯密度要明顯低；但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導體照明的襯底之用受到限制。氮化鎵襯底生產技術和設備從高壓熔體中得到了單晶氮化鎵體材料，但尺寸很小，無法使用，目前主要是在藍寶石、硅、碳化硅襯底上生長。雖然在藍寶石襯底上可以生產出中低檔氮化鎵發光二極管產品，但高檔產品只能在氮化鎵襯底上生產。目前只有日本幾家公司能夠提供氮化鎵襯底，價格奇貴，一片2英寸襯底價格約1萬美元，這些襯底全部由HVPE（氫化物氣相外延）生產。HVPE是二十世紀六七十年代的技術，由于它生長速率很快（一分鐘一微米以上），不能生長量子阱、超晶格等結構材料，在八十年代被MOCVD、MBE（分子束外延）等技術淘汰。然而，恰是由于它生長速率快，可以生長氮化鎵襯底，這種技術又在“死灰復燃”并受到重視。可以斷定，氮化鎵襯底肯定會繼續發展并形成產業化，HVPE技術必然會重新受到重視。與高溫提拉法相比，HVPE方法更有望生產出可實用化的氮化鎵襯底。不過國際上目前還沒有商品化的設備出售。目前國內外研究氮化鎵襯底是用MOCVD和HVPE兩臺設備分開進行的。即先用MOCVD生長0.1～1微米的結晶層，再用HVPE生長約300微米的氮化鎵襯底層，最后將原襯底剝離、拋光等。由于生長一個襯底需要在兩個生長室中分兩次生長，需要降溫、生長停頓、取出等過程，這樣不可避免地會出現以下問題：①樣品表面粘污；②生長停頓、降溫造成表面再構，影響下次生長。

Al2O3襯底目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3，其優點是化學穩定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟；不足方面雖然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被過渡層生長技術所克服，導電性能差通過同側P、N電極所克服，機械性能差不易切割通過激光劃片所克服，很大的熱失配對外延層形成壓應力因而不會龜裂。但是，差的導熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。國內外Al2O3襯底今后的研發任務是生長大直徑的Al2O3單晶，向4-6英吋方向發展，以及降低雜質污染和提高表面拋光質量。SiC襯底

除了Al2O3襯底外，目前用于氮化鎵生長襯底就是SiC，它在市場上的占有率位居第二，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業化生產。它有許多突出的優點，如化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高、晶體質量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差。另外，SiC襯底吸收380nm以下的紫外光，不適合用來研發380nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優異的的導電性能和導熱性能，不需要象Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術解決散熱問題，而是采用上下電極結構，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題，故在發展中的半導體照明技術領域占有重要地位。目前國際上能提供商用的高質量的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。國內外SiC襯底今后研發的任務是大幅度降低制造成本和提高晶體結晶質量。Si襯底在硅襯底上制備發光二極管是本領域里夢寐以求的一件事情，因為一旦技術獲得突破，外延生長成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多優點，如晶體質量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導電性、導熱性和熱穩定性等。然而，由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si襯底上很難得到無龜裂及器件級質量的GaN材料。另外，由于硅襯底對光的吸收嚴重，LED出光效率低。

目前國外文獻報導的硅襯底上藍光LED光功率最好水平是420mW，是德國Magdeburg大學研制的。日本Nagoya技術研究所今年在上海國際半導體照明論壇上報道的硅襯底上藍光LED光輸出功率為18mW。Si襯底上生產GaN外延外延襯底ZnO襯底之所以ZnO作為GaN外延的候選襯底，是因為他們兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格失配度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續值小，接觸勢壘小）。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前，ZnO半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有真正解決，適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成功。研發的重點是尋找合適的生長方法。但是，ZnO本身是一種有潛力的發光材料。ZnO的禁帶寬度為3.37eV，屬直接帶隙，和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導體材料相比，它在380nm附近紫光波段發展潛力最大，是高效紫光發光器件、低閾值紫光半導體激光器的候選材料。這是因為，ZnO的激子束縛能高達60meV，比其他半導體材料高得多（GaN為26meV），因而具有比其他材料更高的發光效率。另外ZnO材料的生長非常安全，可以采用沒有任何毒性的水為氧源，用有機金屬鋅為鋅源。因而，今后ZnO材料的生產是真正意義上的綠色生產，原材料鋅和水資源豐富、價格便宜，有利于大規模生產和持續發展。藍寶石晶體的生長方法

藍寶石晶體的生長方法常用的有兩種:1:柴氏拉晶法(Czochralskimethod),簡稱CZ法.先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結構的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉速旋轉，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進而形成一軸對稱的單晶晶錠.2:凱氏長晶法(Kyropoulosmethod),簡稱KY法,大陸稱之為泡生法.其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(SeedCrystal，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結構的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個單晶晶碇.

兩種方法的晶體生長示意圖如下:

柴氏拉晶法(Czochralskimethod)之原理示意圖

圖6

凱氏長晶法(Kyropoulosmethod)之原理示意圖

圖73藍寶石襯底加工流程

藍寶石基片的原材料是晶棒,晶棒由藍寶石晶體加工而成.其相關制造流程如下:

藍寶石晶體晶棒晶棒基片

藍寶石晶棒制造工藝流程

藍寶石晶棒加工流程

晶體晶棒長晶:利用長晶爐生長尺寸大且高品質的單晶藍寶石晶體定向:確保藍寶石晶體在掏棒機臺上的正確位置,便于掏棒加工掏棒:以特定方式從藍寶石晶體中掏取出藍寶石晶棒滾磨:用外圓磨床進行晶棒的外圓磨削,得到精確的外圓尺寸精度品檢:確保晶棒品質以及以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規格

機械加工

藍寶石基片制造工藝流程晶棒基片定向:在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置,以便于精準切片加工切片:將藍寶石晶棒切成薄薄的芯片研磨:去除切片時造成的芯片切割損傷層及改善芯片的平坦度倒角:將芯片邊緣修整成圓弧狀,改善薄片邊緣的機械強度,避免應力集中造成缺陷拋光:改善芯片粗糙度,使其表面達到外延片磊晶級的精度清洗:清除芯片表面的污染物(如:微塵顆粒,金屬,有機玷污物等)品檢:以高精密檢測儀器檢驗芯片品質(平坦度,表面微塵顆粒等),以合乎客戶要求

機械加工外延工藝由LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事實上，LED的波長、亮度、正向電壓等主要光電參數基本上取決于外延材料。發光二極管對外延片的技術主要有以下四條：①禁帶寬度適合。②可獲得電導率高的P型和N型材料。③可獲得完整性好的優質晶體。④發光復合幾率大。外延技術與設備是外延片制造技術的關鍵所在，金屬有機物化學氣相淀積(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，簡稱MOCVD)技術生長III-V族，II-VI族化合物及合金的薄層單晶的主要方法。II、III族金屬有機化合物通常為甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3等，它們大多數是高蒸汽壓的液體或固體。用氫氣或氮氣作為載氣，通入液體中攜帶出蒸汽，與V族的氫化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反應室，在加熱的襯底表面發生反應，外延生長化合物晶體薄膜。CVDCVD是反應物以氣態到達加熱的襯底表面發生化學反應，形成固態薄膜和氣態產物。利用化學氣相淀積可以制備，從金屬薄膜也可以制備無機薄膜。化學氣相淀積種類很多，主要有：常壓CVD（APCVD），低壓CVD（LPCVD）、超低壓CVD（VLPCVD）、等離子體增強型CVD（PECVD）、激光增強型CVD（LECVD），金屬氧化物CVD（MOCVD），其他還有電子自旋共振CVD（ECRCVD）等方法按著淀積過程中發生化學的種類不同可以分為熱解法、氧化法、還原法、水解法、混合反應等。CVD的優缺點CVD制備的薄膜最大的特點是致密性好、高效率、良好的臺階覆、孔蓋能力、可以實現厚膜淀積、以及相對的低成本；缺點是淀積過程容易對薄膜表面形成污染、對環境的污染等常壓CVD（APCVD）的特點是不需要很好的真空度、淀積速度非常快、反應受溫度影響不大，淀積速度主要受反應氣體的輸運速度的影響。LPCVD的特點是其良好的擴散性（宏觀表現為臺階覆蓋能力），反應速度主要受淀積溫度的影響比較大，另外溫度梯度對淀積的薄膜性能（晶粒大小、應力等）有很大的影響。PECVD最大的特點是反應溫度低（200－400℃）和良好的臺階覆蓋能力，可以應用在AL等低熔點金屬薄膜上淀積，主要缺點是淀積過程引入的粘污；溫度、射頻、壓力等都是影響PECVD工藝的重要因素。MOCVD的主要優點是反應溫度低，廣泛應用在化合物半導體制備上，特別是高亮LED的制備上。CVD外延的生長過程1、參加反應的氣體混合物被運輸到沉積區；2、反應物分子由主氣流擴散到襯底表面；3、反應物分子吸附在襯底表面上；4、吸附物分子間或吸附物分子與氣體分子間發生化學反應，生成外延成分及反應副產物，外延粒子沿襯底表面遷移并結合進入晶格點陣；5、反應副產物由襯底表面外擴散到主氣流中，然后排出沉積區。CVD外延生長過程示意圖立式鐘罩型常壓CVD臥式高頻感應加熱常壓CVD臥式電阻加熱低壓CVD臥式等離子增強低壓CVD立式平板型等離子增強CVD桶式CVDMOCVD金屬有機物化學氣相淀積（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，簡稱MOCVD）自20世紀60年代首次提出以來，經過70年代至80年代的發展，90年代已經成為砷化鎵、磷化銦等光電子材料外延片制備的核心生長技術，特別是制備氮化鎵發光二極管和激光器外延片的主流方法。到目前為止，從生長的氮化鎵外延片和器件的性能以及生產成本等主要指標來看還沒有其它方法能與之相比。MOCVD的優點用來生長化合物晶體的各組份和摻雜劑都可以以氣態方式通入反應室中，可以通過控制各種氣體的流量來控制外延層的組分，導電類型，載流子濃度，厚度等特性。因有抽氣裝置，反應室中氣體流速快，對于異質外延時，反應氣體切換很快，可以得到陡峭的界面。外延發生在加熱的襯底的表面上，通過監控襯底的溫度可以控制反應過程。在一定條件下，外延層的生長速度與金屬有機源的供應量成正比。MOCVD及相關設備技術發展現狀MOCVD技術自二十世紀六十年代首先提出以來，經過七十至八十年代的發展，九十年代已經成為砷化鎵、磷化銦等光電子材料外延片制備的核心生長技術。目前已經在砷化鎵、磷化銦等光電子材料生產中得到廣泛應用。日本科學家Nakamura將MOCVD應用氮化鎵材料制備，利用他自己研制的MOCVD設備(一種非常特殊的反應室結構)，于1994年首先生產出高亮度藍光和綠光發光二極管，1998年實現了室溫下連續激射10,000小時，取得了劃時代的進展。到目前為止，MOCVD是制備氮化鎵發光二極管和激光器外延片的主流方法，從生長的氮化鎵外延片和器件的性能以及生產成本等主要指標來看，還沒有其它方法能與之相比。國際上MOCVD設備制造商主要有三家：德國的AIXTRON公司、美國的EMCORE公司（Veeco）、英國的ThomasSwan公司（目前ThomasSwan公司被AIXTRON公司收購），這三家公司產品的主要區別在于反應室。MOCVD設備公司名稱品牌規格1ThomasSwamCRIUS30×2inCCS3×2in2AIXTRONAIX12×4in49×2in7×6in3VeecoGanzillaTurvoDiscMOCVD設備的發展趨勢研制大型化的MOCVD設備。為了滿足大規模生產的要求，MOCVD設備更大型化。目前一次生產24片2英寸外延片的設備已經有商品出售，以后將會生產更大規模的設備，不過這些設備一般只能生產中低檔產品；研制有自己特色的專用MOCVD設備。這些設備一般只能一次生產1片2英寸外延片，但其外延片質量很高。目前高檔產品主要由這些設備生產，不過這些設備一般不出售。MOCVD設備概況德國AIXTRON公司(德國艾思強公司)和美國VEECO公司(美國維易科精密儀器有限公司)兩家公司幾乎生產了全球90%以上的主流MOCVD設備。1、生產效率和成本概況國際上MOCVD技術已經相當成熟，主流設備從2003年6-8片機、2004年12片機、2005年15片機、2006年的21-24片機，目前已經達到42、45、49片機(一次可裝載49片2英寸的襯底生長外延)。外延爐容量的不斷擴大讓LED外延片生產商的單位生產成本快速大幅下降。目前，量產企業對單批產能的最低要求是在30片以上。國產設備目前為6片機，生產效率和生產成本差距甚遠。2、價格及產值概況生產型MOCVD設備的售價高達1000～2000萬元【根據機型，6片機70萬美元左右，9片機100萬美元左右】，加上相關配套設備設施，一條產線LED生產線需要投入4000多萬元。若新采購設備為45片機生產藍光芯片，按3爐/天計算，年產4.9萬片左右，收入4800萬元，投入產出基本為1:1。3、生產過程工藝復雜，參數眾多，優良率與均勻性是關鍵外延片生長過程工藝復雜，參數眾多，培養專業操作人員需時間較長。一個最簡單的GaN藍光LED單量子阱結構，其生長工藝包括：高溫烘烤、緩沖層、重結晶、n-GaN、阱層、疊層及p-GaN等，工藝步驟達幾十步，每一步需調整的工藝參數共有20多個，各參數之間存在比較微妙的關系，工藝編輯人員需根據工藝要求，對各個參數進行逐一調整，必要時還要進行計算，如升溫速度、升壓速度、生長速率控制、載氣與氣源配比等。如何根據工藝需要自動對參數進行檢查，減輕工藝人員的工作量，是值得研究的新興課題。每個外延芯片、生產批次與系統之間的關系，能確保良好的均勻性以及優良率，尤其在芯片廠商擴產時，還能維持相同的優良率與均勻性就顯的特別關鍵。4、4英寸MOCVD設備將成為主流現階段臺灣外延廠商在技術上已經具備生產4英寸和6英寸的能力，但是出于成本的考慮，多數臺灣廠家還是以2英寸的MOVCD設備為生產主線；大部分歐美與韓國廠商則早已使用4英寸MOVCD設備。市場預期一旦4英寸外延片材料成本大幅崩落（目前4英寸外延片的成本價格約為2寸外延片的四倍），2英寸的MOCVD設備將逐漸被4英寸所取代。AIXTRON與SemiLEDs在2009年5月就合作開發出6寸藍光LED芯片，在6x6寸AIX2800G4HTMOCVD反應爐的結構上，產量增加約30%（相較于傳統42x2-inch的架構），不但均勻性較好，也減少了邊緣效應(edgeeffect)。不過就現階段而言，大多數的困難仍然在于6寸的基板價格偏高與外延片切割技術的挑戰。第二種：多功能（量產）型ThomasSwan的MOCVD實物MOCVD參數設備參數和配置：外延片3×2英寸/爐

反應腔溫度控制：1200℃

壓力控制：0～800Torr

激光干涉在位生長監測系統

反應氣體：氨氣，硅烷（純度：6N）

載氣：氫氣，氮氣；（純度：6N）

MO源：三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn),三甲基鋁(TMAl)，二茂基鎂(Cp2Mg)（純度：外延級）國產MOCVD江蘇光電信息材料實驗室產MOCVD內部結構MOCVD（metalorganic-CVD）VeccoMOCVDturbodisc圖VeccoMOCVD裝置的系統圖和外觀MOCVD核心－反應室商用MOCVD四種不同反應室：圖

常用CVD反應腔體裝置MOCVD（metalorganic-CVD）TomasswanAxitronveccodomesticMOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理：圖10.19MOCVD原理圖（摘自Axitron公司Prof.Dr.Heuken)MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理：Ga（CH3）3+AsH3GaAs+3CH4Al（CH3）3+AsH3AlAs+3CH4利用MOCVD，表10.6所示的各種金屬有機化合物導入，可得到表10.7所示的化合物半導體。示例：表10.6MOCVD金屬有機源表10.7MOCVD生成物MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理：MOCVD氣體流程圖如右圖10.20所示氣體輸運：圖10.20MOCVD氣體流程圖壓強沿著氣流的方向逐漸降低！MO源MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理：載氣：氣體輸運圖10.21鈀膜純化氫氣示意圖H2：高純氫氣，純度：99.9999999%，通過鈀膜純化99.999%氫氣得到，如圖10.21

壓強：2個大氣壓，2bar，高壓強提供動力N2：高純氮氣，純度：99.9999999%，通過液態氮蒸發出99.999%氮氣，之后利用合金加熱，

合金吸收氮氣中水蒸氣，甲烷，二氧化碳等純化。

壓強：2個大氣壓，2bar，高壓強提供動力NH3：高純氨氣，純度：99.9999999%，通過液態氨蒸發出99.9999%氮氣，之后利用合金加熱，

合金吸收氨氣中水蒸氣，甲烷，二氧化碳等純化。

壓強：2個大氣壓，2barV族N源：n型摻雜源：SiH4：稀釋硅烷，稀釋度10ppm，稀釋在高純度：99.9999999%的氫氣中MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理：圖10.22MO源輸運示意圖Ga、In、Al：

化學式：CH3CH3CH3Ga（TMGa）CH3CH3CH3In（TMIn）CH3CH3CH3Al（TMAl）

溫度控制：冷阱或熱阱水浴或氣體液態均勻控制溫度輸運控制：利用氫氣或氮氣載氣吹掃MO蒸氣濃度控制：溫度控制蒸氣壓，流速控制流量控制MO源輸出濃度P型摻雜源Mg：

化學式(C5H5)2Mg(CP2Mg)溫度控制：冷阱或熱阱水浴或氣體液態均勻控制溫度輸運控制：利用氫氣或氮氣載氣吹掃MO蒸氣濃度控制：溫度控制蒸氣壓，流速控制流量控制MO源輸出濃度III族金屬源輸運：MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理圖10.23腔體氣流輸運示意圖MOCVD薄膜沉積過程都包含以下步驟：（1）載氣攜帶著反應物從反應器進口流向反應器出口，并受到溫差、流道擴張、基片旋轉等引起的二次流影響；（2）主氣流在基片上方形成邊界層，在邊界層內，反應物被加熱，發生熱解、置換等氣相化學反應，生成反應中間物；（3）反應物或反應中間物通過對流和濃度擴散，穿過邊界層到達基片表面；（4）反應物在基片表面吸附，再通過表面擴散、結合入晶格等表面反應完成薄膜沉積；（5）反應物和反應副產物（尾氣）在表面解吸（脫附）；（6）解吸后的反應副產物再通過對流和濃度擴散，回到主氣流，最終被帶到反應室外。反應腔氣體輸運：MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理典型MOCVD腔體氣流流線示意圖反應腔氣體流線：水平式，國產MOCVD（左然教授繪制）Veccoturbodisc行星式Axitrion，（左然教授繪制）ShowerheadTomasswan控制流線，控制薄膜生長均勻性！MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理典型MOCVD腔體實物照片反應腔腔體行星式AxitrionShowerheadTomasswan1MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理典型MOCVD腔體示意圖反應腔腔體行星式AxitrionShowerheadTomasswanMOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理典型MOCVD腔體薄膜監控裝置反應腔腔體激光干涉示意圖MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理圖10.28典型InGaN，GaN，GaN量子阱生長激光監控干涉示意圖MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理MOCVD是生長InGaN光電材料，尤其是LED，Laser，photovoltaic器件的理想設備已經在工業界大規模應用！反應腔腔體MOCVD生長高質量薄膜的要求：薄膜表面平整光滑多層薄膜如多量子阱（MQW）界面良好，成分突變薄膜的厚度均勻薄膜厚度可以自由控制薄膜成分可以自由控制薄膜雜質，缺陷少薄膜摻雜可控，即p，n型可控，導電性能可控可大規模生成MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理MOCVD生長InGaNLED反應腔腔體摘自Axitron官方報導典型InGaNLED照片GaN外延片產業化生長法GaN外延片產業化方面廣泛使用的兩步生長法，工藝簡述如下：由于GaN和常用的襯底材料的晶格失配度大，為了獲得晶體質量較好的GaN外延層，一般采用兩步生長工藝。首先在較低的溫度下(500～600℃)生長一層很薄的GaN和AIN作為緩沖層，再將溫度調整到較高值生長GaN外延層。Akasaki首先以AIN作為緩沖層生長得到了高質量的GaN晶體。AlN能與GaN較好匹配，而和藍寶石襯底匹配不好，但由于它很薄，低溫沉積的無定型性質，會在高溫生長GaN外延層時成為結晶體。隨后Nakamura發現以GaN為緩沖層可以得到更高質量的GaN晶體。MOCVD法生長GaN的主要技術要求MOCVD技術最初是為制備GaAs和InP等化合物半導體材料而開發的，用于GaN基材料外延生長時，采用的是NH3氣源，危險性降低，但對設備的要求不僅沒有降低，反而提出了更為特殊的要求：1、生長溫度高，接近1200度的高溫表面對氣體產生熱浮力，氣體難以到達襯底表面；2、NH3具有強腐蝕性，反應器材料要能適應；3、TMGa/TMIn/TMAl等對氧氣和水份特別敏感，要求氣體純度高，且與大氣隔離；4、形成摻Mg的P型層后，要經熱處理激活；5、TMGa和NH3即使在低溫下也會預反應形成新產物；6、形成多層膜時，氣體成份要快速切換，以形成陡峭界面；7、既要求膜厚均勻，又要求組分均勻。MOCVD法生長GaN存在的問題1、襯底要求與外延材料的晶格失配度小、熱膨脹系數接近、有較大的尺寸、價格便宜、適應生產等，GaN匹配的襯底少；2、氣相預反應帶來的加合物和聚合物在反應器氣體噴口凝結，在反應室避沉積以及在氣相中形成微粒，阻礙反應物輸送、影響外延膜的質量以及縮短設備維護周期和損害泵系統；3、NH3的利用低，尾氣對環境影響較大；4、設備的氣密性和氣體純度要求很高；5、氣氛適應性和氣流控制也存在較大的難度；InGaAlP材料的外延制作四元系InGaAlP化合物半導體是制造紅色和黃色超高亮度發光二極管的最佳材料，InGaAlP外延片制造的LED發光波段處在550～650nm之間，這一發光波段范圍內，外延層的晶格常數能夠與GaAs襯底完善地匹配，這是穩定批量生產超高亮度LED外延材料的重要前提。AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生長技術和多量子阱結構，波長625nm附近其外延片的內量子效率可達到100%，已接近極限。目前MOCVD生長InGaAlP外延片技術已相當成熟。InGaAlP外延生長的基本原理是，在一塊加熱至適當溫度的GaAs襯底基片上，氣態物質In,Ga,Al,P有控制的輸送到GaAs襯底表面，生長出具有特定組分，特定厚度，特定電學和光學參數的半導體薄膜外延材料。III族與V族的源物質分別為TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3與AsH3。通過摻Si或摻Te以及摻Mg或摻Zn生長N型與P型薄膜材料。對于InGaAlP薄膜材料生長，所選用的III族元素流量通常為(1-5)×10-5克分子，V族元素的流量為（1-2）×10-3克分子。為獲得合適的長晶速度及優良的晶體結構，襯底旋轉速度和長晶溫度的優化與匹配至關重要。細致調節生長腔體內的熱場分布，將有利于獲得均勻分布的組分與厚度，進而提高了外延材料光電性能的一致性。GaInN外延的制作氮化物半導體是制備白光LED的基石，GaN基LED外延片和芯片技術，是白光LED的核心技術，被稱之為半導體照明的發動機。因此，為了獲得高質量的LED，降低位錯等缺陷密度，提高晶體質量，是半導體照明技術開發的核心。外延生長方法的改進為了得到高質量的外延層，已經提出很多改進的方法，主要如下：①常規LEO法LEO是一種SAE(selectiveareaepitaxy)方法，可追溯到Nishinaga于1988年對LPE(liquidphaseepitaxy)的深入研究，LEO常用SiO2

或SiNx作為掩膜（mask），mask平行或者垂直襯底的（11-20）面而放置于buffer或高溫生長的薄膜上，mask的兩種取向的側向生長速率比為1.5，不過一般常選用平行方向(1100)。GaN在窗口區向上生長，當到達掩膜高度時就開始了側向生長，直到兩側側向生長的GaN匯合成平整的薄膜。PE(Pendeoepitaxy)法襯底上長緩沖層，再長一層高溫GaN選擇腐蝕形式周期性的stripe及trench，stripe沿(1-100)方向，側面為（11-20）PE生長，有二種模式。ModelA：側面（11-20）生長速率大于(0001)面垂直生長速率；ModelB：開始(0001)面生長快，緊接著又有從新形成的（11-20）面的側面生長。一般生長溫度上升，modelA可能性增大，有時在同一個PE生長會同時出現兩種生長模式，這是由于生長參數的微小波動造成擴散特性的改變，從而也揭示了與生長運動學有關的參數(如平均自由程，平均壽命)相聯系的閾值能量很低。PE生長得到的GaNTD密度下降了4-5個個量級，SEM顯示側面生長的GaN匯合處或者是