文档介绍：MOCVD生长,LED芯片
衬底材料的选择
衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料,需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术,衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面:
[1]结构特性好,外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小;
[2]界面特性好,有利于外延材料成核且黏附性强;
[3]化学稳定性好,在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀;
[4]热学性能好,包括导热性好和热失配度小;
[5]导电性好,能制成上下结构;
[6]光学性能好,制作的器件所发出的光被衬底吸收小;
[7]机械性能好,器件容易加工,包括减薄、抛光和切割等;
[8]价格低廉;
[9]大尺寸,一般要求直径不小于2英吋。
用于GAN生长的衬底材料性能优劣比较
衬底材料
Al2O3
SiC
Si
ZnO
GaN
晶格失配度
差
中
差
良
优
界面特性
良
良
良
良
优
化学稳定性
优
优
良
差
优
导热性能
差
优
优
优
优
热失配度
差
中
差
差
优
导电性
差
优
优
优
优
光学性能
优
优
差
优
优
机械性能
差
差
优
良
中
价格
中
高
低
高
高
尺寸
中
中
大
中
小
GAN衬底
用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料,这样可以大大提高外延膜的晶体质量,降低位错密度,提高器件工作寿命,提高发光效率,提高器件工作电流密度。可是,制备氮化镓体单晶材料非常困难,到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其他衬底(如Al2O3、SiC)上生长氮化镓厚膜,然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离,分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样获得的氮化镓厚膜优点非常明显,即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位错密度,比在Al2O3 、SiC上外延的氮化镓薄膜的位错密度要明显低;但价格昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底之用受到限制。
GAN衬底生产技术和设备
从高压熔体中得到了单晶氮化镓体材料,但尺寸很小,无法使用,目前主要是在蓝宝石、硅、碳化硅衬底上生长。虽然在蓝宝石衬底上可以生产出中低档氮化镓发光二极管产品,但高档产品只能在氮化镓衬底上生产。目前只有日本几家公司能够提供氮化镓衬底,价格奇贵,一片2英寸衬底价格约1万美元,这些衬底全部由HVPE(氢化物气相外延)生产。
HVPE是二十世纪六七十年代的技术,由于它生长速率很快(一分钟一微米以上),不能生长量子阱、超晶格等结构材料,在八十年代被MOCVD、MBE(分子束外延)等技术淘汰。然而,恰是由于它生长速率快,可以生长氮化镓衬底,这种技术又在“死灰复燃”并受到重视。可以断定,氮化镓衬底肯定会继续发展并形成产业化,HVPE技术必然会重新受到重视。与高温提拉法相比,HVPE方法更有望生产出可实用化的氮化镓衬底。不过国际上目前还没有商品化的设备出售。
目前国内外研究氮化镓衬底是用MOCVD和HVPE两台设备分开进行的。~1微米的结晶层,再用HVPE生长约300微米的氮化镓衬底层,最后将原衬底剥离、抛光等。由于生长一个衬底需要在两个生长室中分两次生长,需要降温、生长停顿、取出等过程,这样不可避免地会出现以下问题:①样品表面粘污;②生长停顿、降温造成表面再构,影响下次生长。
Al2O3衬底
目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3,其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;不足方面虽然很多,但均一一被克服,如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服,导电性能差通过同侧P、N电极所克服,机械性能差不易切割通过激光划片所克服,很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是,差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足,却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。
国内外Al2O3衬底今后的研发任务是生长大直径的Al2O3单晶,向4-6英吋方向发展,以及降低杂质污染和提高表面抛光质量。
SiC衬底
除了Al2O3衬底外,目前用于氮化镓生长衬底就是SiC,它在市场上的占有率位居第二,目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点,如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等,但不足方面也很突出,如价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。另外,SiC衬底吸收380 nm以下的紫外光,不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能,不需要象Al2O3衬