單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,襯底材料的選擇,襯底材料是半導體照明產(chǎn)業(yè)技術發(fā)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(fā)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(shù)失配度小、結晶性能好、缺陷密度?。?2界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強；,3化學穩(wěn)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?。?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(fā)出的光被襯底吸收?。?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(yōu)劣比較,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(fā)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Al,2,O,3,、SiC)上生長氮化鎵厚膜，然后通過剝離技術實現(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Al,2,O,3,、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(chǎn)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(chǎn)出中低檔氮化鎵發(fā)光二極管產(chǎn)品，但高檔產(chǎn)品只能在氮化鎵襯底上生產(chǎn)。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(chǎn)。,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?？梢詳喽ǎ壱r底肯定會繼續(xù)發(fā)展并形成產(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(nèi)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0.11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(xiàn)以下問題：樣品表面粘污；生長停頓、降溫造成表面再構，影響下次生長。,Al,2,O,3,襯底,目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al,2,O,3,，其優(yōu)點是化學穩(wěn)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(nèi)外Al,2,O,3,襯底今后的研發(fā)任務是生長大直徑的Al,2,O,3,單晶，向4-6英吋方向發(fā)展，以及降低雜質污染和提高表面拋光質量。,SiC襯底,除了Al,2,O,3,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(yè)化生產(chǎn)。它有許多突出的優(yōu)點，如化學穩(wěn)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Al,2,O,3,和Si那么好、機械加工性能比較差。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)異的的導電性能和導熱性能，不需要象Al,2,O,3,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(fā)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(nèi)外SiC襯底今后研發(fā)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(fā)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(yōu)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(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18 mW。,Si襯底上生產(chǎn)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(xù)值小，接觸勢壘?。?。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(fā)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(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體材料相比，它在380 nm附近紫光波段發(fā)展?jié)摿ψ畲螅歉咝ё瞎獍l(fā)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60 meV，比其他半導體材料高得多（GaN為26 meV），因而具有比其他材料更高的發(fā)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(chǎn)是真正意義上的綠色生產(chǎn)，原材料鋅和水資源豐富、價格便宜，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和持續(xù)發(fā)展。,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(shù)基本上取決于外延材料。發(fā)光二極管對外延片的技術主要有以下四條：,禁帶寬度適合。,可獲得電導率高的P型和N型材料。,可獲得完整性好的優(yōu)質晶體。,發(fā)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-Organic Chemical Vapor Deposition，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(shù)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(fā)生反應，外延生長化合物晶體薄膜。,CVD,CVD是反應物以氣態(tài)到達加熱的襯底表面發(fā)生化學反應，形成固態(tài)薄膜和氣態(tài)產(chǎn)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(fā)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(yōu)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(xiàn)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(huán)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?？臁⒎磻軠囟扔绊懖淮?，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(xiàn)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（200400）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(yōu)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?shù)匠练e區(qū)；,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(fā)生化學反應，生成外延成分及反應副產(chǎn)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(chǎn)物由襯底表面外擴散到主氣流中，然后排出沉積區(qū)。,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CVD,MOCVD,金屬有機物化學氣相淀積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，簡稱MOCVD）自20世紀60年代首次提出以來，經(jīng)過70年代至80年代的發(fā)展，90年代已經(jīng)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(fā)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(chǎn)成本等主要指標來看還沒有其它方法能與之相比。,MOCVD的優(yōu)點,用來生長化合物晶體的各組份和摻雜劑都可以以氣態(tài)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(fā)生在加熱的襯底的表面上，通過監(jiān)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(fā)展現(xiàn)狀,MOCVD技術自二十世紀六十年代首先提出以來，經(jīng)過七十至八十年代的發(fā)展，九十年代已經(jīng)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(jīng)在砷化鎵、磷化銦等光電子材料生產(chǎn)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(chǎn)出高亮度藍光和綠光發(fā)光二極管，1998年實現(xiàn)了室溫下連續(xù)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(fā)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(chǎn)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Thomas Swan 公司（目前Thomas Swan公司被AIXTRON公司收購），這三家公司產(chǎn)品的主要區(qū)別在于反應室。,MOCVD設備,MOCVD設備的發(fā)展趨勢,研制大型化的MOCVD設備。為了滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，MOCVD設備更大型化。目前一次生產(chǎn)24片2英寸外延片的設備已經(jīng)有商品出售，以后將會生產(chǎn)更大規(guī)模的設備，