LED外延生長(zhǎng)的基本原理
在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片(主要有藍(lán)寶石和SiC,Si)上,氣態(tài)物質(zhì)In,Ga,Al,P有控制的輸送到襯底表面,生長(zhǎng)出特定單晶薄膜。目前LED外延片生長(zhǎng)技術(shù)主要采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積方法。
外延片的生產(chǎn)制作過程是非常復(fù)雜,展完外延片,接下來就在每張外延片隨意抽取九點(diǎn)做測(cè)試,符合要求的就是良品,其它為不良品(電壓偏差很大,波長(zhǎng)偏短或偏長(zhǎng)等)。良品的外延片就要開始做電極(P極,N極),接下來就用激光切割外延片,然后百分百分撿,根據(jù)不同的電壓,波長(zhǎng),亮度進(jìn)行全自動(dòng)化分檢,也就是形成LED晶片(方片)。然后還要進(jìn)行目測(cè),把有一點(diǎn)缺陷或者電極有磨損的,分撿出來,這些就是后面的散晶。此時(shí)在藍(lán)膜上有不符合正常出貨要求的晶片,也就自然成了邊片或毛片等。不良品的外延片(主要是有一些參數(shù)不符合要求),就不用來做方片,就直接做電極(P極,N極),也不做分檢了,也就是目前市場(chǎng)上的LED大圓片。
LED外延片襯底材料
當(dāng)前用于GaN基LED的襯底材料比較多,但是能用于商品化的襯底目前只有兩種,即藍(lán)寶石和碳化硅襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處于研發(fā)階段,離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。
一、紅黃光LED
紅光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)為主,主要采用GaP和GaAs作為襯底,未產(chǎn)業(yè)化的還有藍(lán)寶石Al2O3和硅襯底。
1、GaAs襯底:在使用LPE生長(zhǎng)紅光LED時(shí),一般使用AlGaAs外延層,而使用MOCVD生長(zhǎng)紅黃光LED時(shí),一般生長(zhǎng)AlInGaP外延結(jié)構(gòu)。外延層生長(zhǎng)在GaAs襯底上,由于晶格匹配,容易生長(zhǎng)出較好的材料,但缺點(diǎn)是其吸收這一波長(zhǎng)的光子,布拉格反射鏡或晶片鍵合技術(shù)被用于消除這種額外的技術(shù)問題。
2、GaP襯底:在使用LPE生長(zhǎng)紅黃光LED時(shí),一般使用GaP外延層,波長(zhǎng)范圍較寬565-700nm;使用VPE生長(zhǎng)紅黃光LED時(shí),生長(zhǎng)GaAsP外延層,波長(zhǎng)在630-650nm 之間;而使用MOCVD時(shí),一般生長(zhǎng)AlInGaP外延結(jié)構(gòu),這個(gè)結(jié)構(gòu)很好的解決了GaAs襯底吸光的缺點(diǎn),直接將LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在透明襯底上,但缺點(diǎn)是晶格失配,需要利用緩沖層來生長(zhǎng)InGaP和AlGaInP結(jié)構(gòu)。另外,GaP基的III-N-V材料系統(tǒng)也引起廣泛的興趣,這種材料結(jié)構(gòu)不但可以改變帶寬,還可以在只加入0.5 %氮的情況下,帶隙的變化從間接到直接,并在紅光區(qū)域具有很強(qiáng)的發(fā)光效應(yīng)(650nm)。采用這樣的結(jié)構(gòu)制造LED,可以由GaNP 晶格匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu),通過一步外延形成LED結(jié)構(gòu),并省去GaAs襯底去除和晶片鍵合透明襯底的復(fù)雜工藝。
二、藍(lán)綠光LED
用于氮化鎵研究的襯底材料比較多,但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種,即藍(lán)寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。
1、氮化鎵襯底:用于氮化鎵生長(zhǎng)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片膜的晶體品質(zhì),降低位元錯(cuò)密度,提高器件工作壽命,提高發(fā)光效率,提高器件工作電流密度??墒?,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、LGO)上生長(zhǎng)氮化鎵厚膜,然后通過剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)非常明顯,即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位元錯(cuò)密度,比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位元錯(cuò)密度要明顯低;但價(jià)格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導(dǎo)體照明的襯底之用受到限制?! ?/p>
2、藍(lán)寶石Al2O3襯底:目前用于氮化鎵生長(zhǎng)的最普遍的襯底是Al2O3,其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好、不吸收可見光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對(duì)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(zhǎng)技術(shù)所克服,導(dǎo)電性能差通過同側(cè)P、N電極所克服,機(jī)械性能差不易切割通過雷射劃片所克服,很大的熱失配對(duì)外延層形成壓應(yīng)力因而不會(huì)龜裂。但是,差的導(dǎo)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。
3、SiC襯底:除了Al2O3襯底外,目前用于氮化鎵生長(zhǎng)襯底就是SiC,它在市場(chǎng)上的占有率位居第2,目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商業(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點(diǎn),如化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等,但不足方面也很突出,如價(jià)格太高、晶體品質(zhì)難以達(dá)到Al2O3和Si那麼好、機(jī)械加工性能比較差。 另外,SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光,不適合用來研發(fā)380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底優(yōu)異的的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能,不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術(shù)解決散熱問題,而是采用上下電極結(jié)構(gòu),可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題。目前國(guó)際上能提供商用的高品質(zhì)的SiC襯底的廠家只有美國(guó)CREE公司。
4、Si襯底:在硅襯底上制備發(fā)光二極體是本領(lǐng)域中夢(mèng)寐以求的一件事情,因?yàn)橐坏┘夹g(shù)獲得突破,外延片生長(zhǎng)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(yōu)點(diǎn),如晶體品質(zhì)高,尺寸大,成本低,易加工,良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱穩(wěn)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(zhǎng)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(jí)品質(zhì)的GaN材料。另外,由于硅襯底對(duì)光的吸收嚴(yán)重,LED出光效率低。
5、ZnO襯底:之所以ZnO作為GaN外延片的候選襯底,是因?yàn)樗麄儍烧呔哂蟹浅s@人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格失配度非常小,禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小,接觸勢(shì)壘小)。但是,ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點(diǎn)是在GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中容易分解和被腐蝕。目前,ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件,主要是材料品質(zhì)達(dá)不到器件水準(zhǔn)和P型摻雜問題沒有真正解決,適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的設(shè)備尚未研制成功。今后研發(fā)的重點(diǎn)是尋找合適的生長(zhǎng)方法。但是,ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材料。 ZnO的禁帶寬度為3.37 eV,屬直接帶隙,和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體材料相比,它在380 nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲?,是高效紫光發(fā)光器件、低閾值紫光半導(dǎo)體雷射器的候選材料。ZnO材料的生長(zhǎng)非常安全,可以采用沒有任何毒性的水為氧源,用有機(jī)金屬鋅為鋅源。
6、ZnSe襯底:有人使用MBE在ZnSe襯底上生長(zhǎng)ZnCdSe/ZnSe等材料,用于藍(lán)光和綠光LED器件,最先由住友公司推出,由于其不需要熒光粉就可以實(shí)現(xiàn)白光LED的目標(biāo),故可降低成品,同時(shí)電源回路構(gòu)造簡(jiǎn)單,其操作電壓也比GaN白光LED低。但是其并沒有推廣,這是因?yàn)橛捎谑褂肕OCVD,p型參雜沒有很好解決,試驗(yàn)中需要用到Sb來參雜,所以一般采用MBE生長(zhǎng),同時(shí)其發(fā)光效率較低,,而且由于自補(bǔ)償效應(yīng)的影響,使得其性能不穩(wěn)定,器件壽命較短。
實(shí)現(xiàn)發(fā)光效率的目標(biāo)要寄希望于GaN襯底的LED,實(shí)現(xiàn)低成本,也要通過GaN襯底導(dǎo)致高效、大面積、單燈大功率的實(shí)現(xiàn),以及帶動(dòng)的工藝技術(shù)的簡(jiǎn)化和成品率的大大提高。半導(dǎo)體照明一旦成為現(xiàn)實(shí),其意義不亞于愛迪生發(fā)明白熾燈。一旦在襯底等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破,其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將會(huì)取得長(zhǎng)足發(fā)展。
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