1、第九章第九章 InGaN 发光二极管发光二极管 近年来，以近年来，以SiC、II-VI族族ZnSe、族氮化物族氮化物(GaN)为代表的宽禁带半导体材料的迅速发展。为代表的宽禁带半导体材料的迅速发展。高亮度蓝色发光管高亮度蓝色发光管(LED)(InGaN/GaN)的技术突破，填补了的技术突破，填补了LED三基色中蓝色的空白，白三基色中蓝色的空白，白光光LED应运而生。引发了人类照明领域的又一次革应运而生。引发了人类照明领域的又一次革命一命一“半导体照明半导体照明”。一、一、GaN基发光器件的发展基发光器件的发展 1971年，年，Pankove 报道了掺报道了掺Zn 的的MIS结构结构GaN发光管
2、，发光管，这是最早的氮化物发光器件。发光中心为这是最早的氮化物发光器件。发光中心为Zn杂质，工作电杂质，工作电压压60-100V，发光波长，发光波长480nm。此时，。此时，GaN基蓝光发光管基蓝光发光管亮度为亮度为70mcd，已经远大于当时，已经远大于当时SiC基蓝光发光管基蓝光发光管(12mcd)和和ZnSe基蓝光发光管基蓝光发光管(10mcd)。1991年，年，Akasaki(赤崎勇赤崎勇)实现实现P型掺杂，第一次制成型掺杂，第一次制成同质同质PN结构的氮化物蓝光发光管。此后，日亚公司的结构的氮化物蓝光发光管。此后，日亚公司的Nakamura等人，再深入研究等人，再深入研究p型掺杂后，采
3、用退火的方法型掺杂后，采用退火的方法也实现了也实现了p型掺杂，很快也制作出了掺镁同质蓝光发光管。型掺杂，很快也制作出了掺镁同质蓝光发光管。一、一、GaN基发光器件的发展基发光器件的发展 1993年，日亚公司的中村修二在氮化物研究方面不断取年，日亚公司的中村修二在氮化物研究方面不断取得突破，始终保持领先地位。成功研制得突破，始终保持领先地位。成功研制GaN基高亮度基高亮度蓝色蓝色LED，发光强度达到，发光强度达到1 cd，并商品化。，并商品化。1994年，他们又将发光亮度提高到年，他们又将发光亮度提高到2cd，并通过改变，并通过改变 In 组分实现了中心波长组分实现了中心波长500nm的绿光发光
4、管。的绿光发光管。1998 年，日亚公司开发成功的年，日亚公司开发成功的InGaN（460nm）蓝光）蓝光LED,涂覆涂覆YAG（Ce）荧光粉产生白光的技术加快了向白）荧光粉产生白光的技术加快了向白光照明进军的进程光照明进军的进程二、二、-N化合物半导体的基本性质化合物半导体的基本性质 III族氮化物半导体包括族氮化物半导体包括GaN，AlN，InN以及由它们所以及由它们所组成的三元系组成的三元系InGaN,AlGaN,AlInN、四元系、四元系AlInGaN。这。这其中以其中以GaN材料和器件研究为突破，带动了整个材料和器件研究为突破，带动了整个III族氮化族氮化物材料和器件的研究发展。物材
5、料和器件的研究发展。特点：特点：u宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（宽带隙化合物半导体材料，有很高的禁带宽度（1.95-6.2eV)，可以覆盖黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围，可以覆盖黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围，u电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好u耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）耐酸、耐碱、耐腐蚀（可用于恶劣环境）AI、Ga、In与与N形成的形成的三三族氮化合物，其主要价键族氮化合物，其主要价键是共价键。即每个原子形成四面体键，由于两种原子的是共价键。即每个原子形成四面体键，由于两种原子的电负性相差较大，共价键带有很强的离子性，因此
6、材料电负性相差较大，共价键带有很强的离子性，因此材料的各自的相结构稳定。的各自的相结构稳定。GaN、InN、AlN可以结晶为三种晶体结构：可以结晶为三种晶体结构：纤锌矿纤锌矿(六方相六方相)、闪锌矿闪锌矿(立方相立方相)和和岩盐岩盐(NaCI结构结构)结构。结构。在自然条件下，热动力学稳定的结构是六方结构，只在自然条件下，热动力学稳定的结构是六方结构，只有在极端高压下才转变为盐岩结构，而立方结构为亚有在极端高压下才转变为盐岩结构，而立方结构为亚稳相。稳相。二、二、-N化合物半导体的基本性质化合物半导体的基本性质二、二、-N化合物半导体的基本性质化合物半导体的基本性质AlN、GaN、InN可以结
7、晶为三种晶体结构：纤锌矿可以结晶为三种晶体结构：纤锌矿(六六方相方相)、闪锌矿、闪锌矿(立方相立方相)和岩盐和岩盐(NaCI结构结构)结构。结构。当当GaN生长在生长在(0001)A12O3、(111)Si、(111)GaAs、(0001)6H-SiC、(0001)ZnO等衬底上时，通常是纤锌矿。等衬底上时，通常是纤锌矿。闪锌矿型结构只有生长在与之具有拓扑学亲和性的衬底闪锌矿型结构只有生长在与之具有拓扑学亲和性的衬底上，才可以被稳定下来，如生长在上，才可以被稳定下来，如生长在(001)GaAs、(001)3C-SiC、(001)MgO和和(001)Si等衬底上，则可获得闪锌矿等衬底上，则可获得
8、闪锌矿GaN。二、二、-N化合物半导体的基本性质化合物半导体的基本性质纤锌矿结构纤锌矿结构(六方六方):具有两个轴具有两个轴a、c;c/a=1.633,属于属于P63mc空间群空间群闪锌矿结构闪锌矿结构(立方立方):F43m空间群，每个晶胞有八个原子。空间群，每个晶胞有八个原子。二、二、-N化合物半导体的基本性质化合物半导体的基本性质GaN、AIN及及InN三种材料的禁带宽度从三种材料的禁带宽度从1.9-6.2eV，理，理论上由这三种化合物组合制成的器件发光波长涵盖了从论上由这三种化合物组合制成的器件发光波长涵盖了从紫外光到红外光的波段范围。紫外光到红外光的波段范围。二、二、-N化合物半导体的
9、基本性质化合物半导体的基本性质 由于由于InN材料极差的热稳定性，目前材料极差的热稳定性，目前AlInGaN四元四元系材料只能应用于紫外、紫光以及蓝绿光的制作。随系材料只能应用于紫外、紫光以及蓝绿光的制作。随着器件的发光波长增大，着器件的发光波长增大，AlInGaN LED制作难度加大，制作难度加大，且发光效率急剧下降。且发光效率急剧下降。氮化镓氮化镓(GaN)属于宽禁带半导体材料，由于受到缺乏合属于宽禁带半导体材料，由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰，发展一直较适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰，发展一直较为缓慢。为缓慢。1991年，日本日亚化工公司年，日本日亚化工
10、公司(Nichia)研制成功以蓝宝石研制成功以蓝宝石为衬底的为衬底的GaN基蓝光发光二级管基蓝光发光二级管(LED)之后，实现之后，实现GaN基蓝基蓝光光LED的商品化。该公司再利用的商品化。该公司再利用GaN基蓝光基蓝光LED和荧光粉技和荧光粉技术，开发出白光术，开发出白光LED产品。产品。此外，还首先研制成功此外，还首先研制成功GaN基蓝光半导体激光器。日基蓝光半导体激光器。日亚公司在发光器件领域取得的重大突破，使亚公司在发光器件领域取得的重大突破，使GaN半导体材料半导体材料应用获得成功。应用获得成功。三、三、GaN及其生长及其生长三、三、GaN及其生长及其生长 早在早在1969年，年，
11、Maruska利用化学气相淀积利用化学气相淀积(Chemical Vapor phase Depodition)在蓝宝石衬底上开始了大面积在蓝宝石衬底上开始了大面积生长生长GaN的尝试，并得到了单晶外延膜。的尝试，并得到了单晶外延膜。但是在上世纪八十年代以前，氮化物材料的质量提但是在上世纪八十年代以前，氮化物材料的质量提高很慢，无法满足器件的要求。当时面临的主要问题有：高很慢，无法满足器件的要求。当时面临的主要问题有：(1)没有合适的衬底：没有合适的衬底：(2)外延层有高的本底载流子浓度：在早期的外延层有高的本底载流子浓度：在早期的GaN外延层中，本底电子浓度一般都在外延层中，本底电子浓度一般
12、都在1019cm-3以上，以上，降低背景载流子浓度和制备降低背景载流子浓度和制备p型型GaN就成为两大就成为两大难题。难题。三、三、GaN的生长的生长 随着随着MOCVD和和MBE技术的发展，特别是二步技术的发展，特别是二步生长法的出现，生长法的出现，GaN材料的质量得到明显提高。材料的质量得到明显提高。1983年年Yoshida等人首次采用二步生长法生长等人首次采用二步生长法生长GaN单晶，发现低温生长的单晶，发现低温生长的AIN缓冲层可以提高外缓冲层可以提高外延层的质量。延层的质量。三、三、GaN的生长的生长究其原因，缓冲层的引入起到了如下的三个作用究其原因，缓冲层的引入起到了如下的三个作
13、用:1缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心。缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心。2缓冲层释放了缓冲层释放了GaN和衬底之间的晶格失配产生的应和衬底之间的晶格失配产生的应 力以及热膨胀系数失配所产生的热应力。力以及热膨胀系数失配所产生的热应力。3缓冲层为一步的生长提供了平整的成核表面，减少缓冲层为一步的生长提供了平整的成核表面，减少 其成核生长的接触角，使岛状生长的其成核生长的接触角，使岛状生长的GaN晶粒在较晶粒在较 小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长。现小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长。现 在，二步生长法几乎成了在，二步生长法几乎成了GaN材料制备的标准工艺。材料制备的标准工艺。
14、三、三、GaN的生长的生长 之后之后Amano等人，对此法做了仔细的研究以及完善工等人，对此法做了仔细的研究以及完善工作，改进了作，改进了AIN缓冲层，使外延层的质量又有大幅度提高，缓冲层，使外延层的质量又有大幅度提高，完成了具有里程碑意义的工作。完成了具有里程碑意义的工作。未掺杂未掺杂GaN的的MOCVD生长生长 通常，通常，GaN薄膜生长在（薄膜生长在（0001）晶向的蓝宝石衬底上，）晶向的蓝宝石衬底上，在在1000 C下采取金属有机物化学气相沉积方法（下采取金属有机物化学气相沉积方法（MOCVD）生长。未掺杂生长。未掺杂GaN通常是通常是 n 型导电性，施主主要是自身缺型导电性，施主主要
15、是自身缺陷或残留杂质，如氮空位或残留氧。陷或残留杂质，如氮空位或残留氧。三、三、GaN的生长的生长未掺杂未掺杂GaN的的MOCVD生长生长 日亚公司的中村修二用新型的双气流法日亚公司的中村修二用新型的双气流法,用用GaN代替代替AlN缓缓冲层获得了高质量的冲层获得了高质量的GaN薄膜。薄膜。图图9-2 用于用于GaN生长的新型的双流生长的新型的双流MOCVD反应器。反应器。GaN 缓冲层生长缓冲层生长温度为温度为500 C，20nm；GaN薄膜生长温度薄膜生长温度为为1000C，4um三、三、GaN的生长的生长未掺杂未掺杂GaN的的MOCVD生长生长 描述描述GaN的沉积过程的的沉积过程的MO
16、CVD基本反应方程式可基本反应方程式可以表达为：以表达为：这个反应方程式并没有考虑到极其复杂的中间反应过程，这个反应方程式并没有考虑到极其复杂的中间反应过程，可能涉及的几种反应：。可能涉及的几种反应：。三、三、GaN的生长的生长n 型型GaN 对对-半导体的半导体的n型掺杂一般使用型掺杂一般使用SiH4,GaN也不也不例外，且易于控制。例外，且易于控制。三、三、GaN的生长的生长p 型型GaN GaN在很长时间内没能实现在很长时间内没能实现p 型掺杂，这阻碍了蓝色型掺杂，这阻碍了蓝色LED和和LD的研制。的研制。1989年，年，p 型型GaN薄膜首次用低能电子辐照掺薄膜首次用低能电子辐照掺Mg
17、得得到。但空穴浓度（到。但空穴浓度（1017cm-3）和最低电阻率）和最低电阻率(12.cm)仍仍满足不了满足不了LED和和LD器件的需要。器件的需要。1992年，在年，在400C以上温度以上温度N2气氛下热退火获得了低气氛下热退火获得了低阻掺阻掺Mg p 型型GaN。三、三、GaN的生长的生长p 型型GaN 在在p 型型GaN薄膜内，薄膜内，N2气氛下热退火能与受主反应，从气氛下热退火能与受主反应，从受主受主H中性络合物中移除中性络合物中移除H原子。原子。三、三、GaN的生长的生长GaN p-n结结LED 基于以上的进展，基于以上的进展，GaN p-n结蓝色发光二极管终于结蓝色发光二极管终于
18、在在1989年研制成功。年研制成功。四、四、InGaN的生长的生长未掺未掺InGaN 三、硅衬底三、硅衬底GaN蓝光蓝光LED 目前目前,商业化商业化GaN基基LED广泛使用广泛使用蓝宝石（蓝宝石（Al2O3）衬底衬底或者或者SiC衬底衬底，这是因为它们与，这是因为它们与GaN的晶格失配和的晶格失配和热膨胀系数失配较小。但采用热膨胀系数失配较小。但采用Si作为作为GaN的生长衬底的生长衬底具有以下几个优势：具有以下几个优势：1)相比于衬底相比于衬底A12O3，或者，或者SiC，Si具有相当明显的价格具有相当明显的价格优势，低廉的价格使其更适合用于商业化生产；优势，低廉的价格使其更适合用于商业化
19、生产；2)A12O3和和SiC衬底尺寸普遍为衬底尺寸普遍为2英寸，但是英寸，但是12英寸的英寸的Si衬衬底在电子产业中已及广泛的应用。显然，采用大尺寸底在电子产业中已及广泛的应用。显然，采用大尺寸的的Si衬底进行生产能够显著降低衬底进行生产能够显著降低LED的生产成本；的生产成本；3)Si具有良好的导电和导热性能，这为发光器件与其具有良好的导电和导热性能，这为发光器件与其它它 2)相关光电器件的集成提供了可能。相关光电器件的集成提供了可能。三、硅衬底三、硅衬底GaN蓝光蓝光LED 但是，与其优点相比，但是，与其优点相比，Si衬底上生长衬底上生长GaN材料同材料同样面临巨大的挑战。样面临巨大的挑
20、战。1)目前，主要在目前，主要在Si(111)面上生长面上生长GaN，该面与，该面与GaN存在存在17的晶格失配，而的晶格失配，而Al2O3与与GaN的晶格差距仅为的晶格差距仅为7。如此巨大的晶格失配使得如此巨大的晶格失配使得Si上外延生长的上外延生长的GaN层容易层容易引入更多的位错。引入更多的位错。2)2）GaN的热膨胀系数要比的热膨胀系数要比Si大大56。如此巨大的热失。如此巨大的热失 3)配在配在GaN生长结束，降温的过程中，在生长结束，降温的过程中，在CaN中引入中引入4)巨大的拉应力。与晶格失配效应巨大的拉应力。与晶格失配效应 叠加后，叠加后，Si上生长上生长5)GaN极易开裂；极
21、易开裂；6)3）作为衬底的）作为衬底的Si易与易与NH3，以及，以及Ga源起反应，并且源起反应，并且Ga 7)与与Si的反应导致表面回融。的反应导致表面回融。三、硅衬底三、硅衬底GaN蓝光蓝光LED 面对如此巨大的机遇和挑战，研究人员对面对如此巨大的机遇和挑战，研究人员对Si衬底衬底上生长上生长CaN材料进行了大量的研究。材料进行了大量的研究。通过在通过在Si衬底与衬底与GaN外延层之间插入多层缓冲层结外延层之间插入多层缓冲层结构以缓解它们之间的应力等，构以缓解它们之间的应力等，1998年，年，IBM公司首先报公司首先报道了利用道了利用MBE方法在方法在Si衬底上生长了紫外和近紫外衬底上生长了
22、紫外和近紫外GaN LED；2003年，年，Dadgar等人将等人将20mA下的下的Si衬底衬底GaN基基LED光功率提高至光功率提高至0.42mW。2005年，南昌大学采用年，南昌大学采用A1N缓冲层及富缓冲层及富Ga的高温的高温GaN缓冲层相结合能得到无裂纹的缓冲层相结合能得到无裂纹的LED外延片外延片;随着近随着近几年的发展，晶能光电几年的发展，晶能光电(江西江西)有限公司已经率先实现有限公司已经率先实现了了Si衬底衬底CaN基基LED的产业化。的产业化。四、提高质量和降低成本的几个四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题重要的技术问题。1.衬底衬底 衬底材料的选择衬底材料的选择 衬底
23、材料是半导体照明产业技术发展的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。底材料决定了半导体照明技术的发展路线。四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题。1.衬底衬底 衬底材料的选择主要取决于以下九个方面：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
24、度小；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；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；和腐蚀；4热学性能好，包括导热性好和热失配度小；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；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；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；机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；8价格低廉价格低廉
25、,大尺寸，一般要求直径不小于大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。英吋。四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题。1.衬底衬底 用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较 四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题。1.衬底衬底 用于用于GaN 生长的最理想的衬底自然是生长的最理想的衬底自然是GaN单晶材料，这单晶材料，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。可是件工作寿
26、命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备，制备GaN体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。效的办法。有研究人员通过有研究人员通过HVPE方法在其他衬底方法在其他衬底(如如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，比在镓薄膜的位
27、错密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化镓薄膜上外延的氮化镓薄膜的位错密度要明显低；的位错密度要明显低；但价格昂贵但价格昂贵。因而。因而GaN厚膜作为半导厚膜作为半导体照明的衬底之用受到限制。体照明的衬底之用受到限制。GaN 衬底衬底四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题1.衬底衬底 GaN衬底生产技术和设备衬底生产技术和设备n 从高压熔体中得到了单晶从高压熔体中得到了单晶GaN体材料，但尺寸很小，无体材料，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。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
28、出中低档虽然在蓝宝石衬底上可以生产出中低档GaN发光二极发光二极管产品，但高档产品只能在管产品，但高档产品只能在GaN衬底上生产。目前只有日衬底上生产。目前只有日本几家公司能够提供本几家公司能够提供GaN衬底，价格奇贵，一片衬底，价格奇贵，一片2英寸衬底英寸衬底价格约价格约1万美元，这些衬底全部由万美元，这些衬底全部由HVPE（氢化物气相外延（氢化物气相外延）生产。）生产。四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题1.衬底衬底 GaN衬底生产技术和设备衬底生产技术和设备 HVPE是二十世纪六七十年代的技术，由于它生长速是二十世纪六七十年代的技术，由于它
29、生长速率很快（率很快（1微米微米/分钟），不能生长量子阱、超晶格等结构分钟），不能生长量子阱、超晶格等结构材料，在八十年代被材料，在八十年代被MOCVD、MBE（分子束外延）等技（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，这种技术又在衬底，这种技术又在“死灰复燃死灰复燃”并受到重视。可以断定，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，氮化镓衬底肯定会继续发展并形成产业化，HVPE技术必技术必然会重新受到重视。然会重新受到重视。四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重
30、要的技术问题1.衬底衬底 GaN衬底生产技术和设备衬底生产技术和设备 目前目前,国内外研究氮化镓衬底是用国内外研究氮化镓衬底是用MOCVD和和HVPE两台设备分开进行的。即先用两台设备分开进行的。即先用MOCVD生生长长0.11微米的结晶层，再用微米的结晶层，再用HVPE生长约生长约300微微米的氮化镓衬底层，最后将原衬底剥离、抛光等。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：样品表面粘污；可避免地会出
31、现以下问题：样品表面粘污；生长停顿、降温造成表面再构，影响下次生长。生长停顿、降温造成表面再构，影响下次生长。蓝宝石单晶蓝宝石单晶(Al2O3)是目前用于氮化镓生长的最普遍是目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底材料。的衬底材料。四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)n生产技术成熟、器件质量好；生产技术成熟、器件质量好；n稳定性很好，能够运用在高温生长过程；稳定性很好，能够运用在高温生长过程；n机械强度高，易于处理和清洗。机械强度高，易于处理和清洗。优点优点：四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成
32、本的几个重要的技术问题蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)存在的问题存在的问题（1）晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生）晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。（2）无法制作垂直结构的器件，因为蓝宝石是一种）无法制作垂直结构的器件，因为蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于绝缘体，常温下的电阻率大于1011cm。（3）导热性能不是很好（在）导热性能不是很好（在100约为约为25W/（mK）。为了克服以上困难，很多人试图将）。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生光电器件直接生 长在硅衬底上，
33、从而改善导长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。热和导电性能。四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)存在的问题存在的问题（4）GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，是其优基材料的化学性能稳定、机械强度较高，是其优点点,但另一方面又不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程但另一方面又不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备。中需要较好的设备。n蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割器件的
34、制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从（从400nm减到减到100nm左右）。左右）。不足方面虽然很多，但均被克服，如很大的晶格失配不足方面虽然很多，但均被克服，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被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电电极所克服，机械性能差不易切割通过激光划片所克服。极所克服，机械性能差不易切割通过激光划片所克服。四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)但是但是,在同侧在同侧(上表面上表面)制作两个电极，造成了有效发光制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了
35、器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低。结果使材料利用率降低。存在的问题存在的问题 差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不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。足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。LED芯片芯片 二、二、LED芯片衬底材料的选用芯片衬底材料的选用蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)对于对于Al2O3衬底，国内外今后的衬底，国内外今后的研
36、发任务是生长大直径的研发任务是生长大直径的Al2O3单晶，向单晶，向4-6英吋方向发展，以英吋方向发展，以及降低杂质污染和提高表面抛光及降低杂质污染和提高表面抛光质量。质量。蓝宝石晶棒制造工艺流程蓝宝石晶棒制造工艺流程利用长利用长晶炉生晶炉生长尺寸长尺寸大且高大且高品质的品质的单晶蓝单晶蓝宝石晶宝石晶体体确保蓝确保蓝宝石晶宝石晶体在取体在取棒设备棒设备上的正上的正确位置确位置,便于取便于取棒加工棒加工以特定以特定方式从方式从蓝宝石蓝宝石晶体中晶体中掏取出掏取出蓝宝石蓝宝石晶棒晶棒用磨床用磨床进行晶进行晶棒的外棒的外圆磨削圆磨削,达到精达到精确的外确的外圆尺寸圆尺寸精度精度确保晶确保晶棒品质棒品
37、质以及晶以及晶棒尺寸棒尺寸与方位与方位是否合是否合客户规客户规格格晶锭晶锭晶棒晶棒蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)蓝宝石抛光晶片制造工艺流程蓝宝石抛光晶片制造工艺流程在切片在切片机上准机上准确定位确定位蓝宝石蓝宝石晶棒的晶棒的位置位置,以便于以便于精准切精准切片加工片加工将蓝宝将蓝宝石晶棒石晶棒切成薄切成薄薄的晶薄的晶片片去除切去除切片时造片时造成的晶成的晶片切割片切割损伤层损伤层及改善及改善晶片的晶片的平坦度平坦度将晶片将晶片边缘修边缘修整成圆整成圆弧状弧状,改善薄改善薄片边缘片边缘的机械的机械强度强度改善晶改善晶片粗糙片粗糙度度,使使其表面其表面达到外达到外延片磊延片磊晶级的晶级的精度精
38、度以高精以高精密检测密检测仪器检仪器检验晶片验晶片品质以品质以合乎客合乎客户要求户要求清除晶清除晶片表面片表面的污物的污物(如如:微微尘颗粒尘颗粒,金属金属,有机污有机污物等物等)蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)n将完成轴向定位与粘贴的将完成轴向定位与粘贴的晶棒，送入线切割机进行晶棒，送入线切割机进行切片；切片；n此步骤关系到客户厚度规此步骤关系到客户厚度规格及角度规格，是关键步格及角度规格，是关键步骤。骤。蓝宝石抛光晶片制造工艺蓝宝石抛光晶片制造工艺-切片切片Slicing蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)n刚切下来的晶片外边缘很刚切下来的晶片外边缘很锋利，边缘的棱角非常易锋利，边缘的棱角
39、非常易碎，为避免边角崩裂影响碎，为避免边角崩裂影响晶片强度、破坏表面光洁晶片强度、破坏表面光洁和对后工序带来污染颗粒和对后工序带来污染颗粒，必须修整晶片边缘形状，必须修整晶片边缘形状和外径尺寸。和外径尺寸。n将晶片边缘修整成圆弧状将晶片边缘修整成圆弧状,可改消除因应力集中造可改消除因应力集中造成的晶片多项缺陷，改善成的晶片多项缺陷，改善晶片的机械、弹性强度。晶片的机械、弹性强度。蓝宝石抛光晶片制造工艺蓝宝石抛光晶片制造工艺-导角导角Edge Profiling蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)n抛光制程使用抛光浆与抛光制程使用抛光浆与抛光垫，搭配适当温度抛光垫，搭配适当温度、压力与旋转速度，可
40、、压力与旋转速度，可消除前制程留下的机械消除前制程留下的机械/化学伤害层，改善晶化学伤害层，改善晶圆表面的粗糙度，并且圆表面的粗糙度，并且得到表面平面度极佳的得到表面平面度极佳的晶圆，避免客户外延制晶圆，避免客户外延制程中遭遇的聚焦问题程中遭遇的聚焦问题n晶圆经过抛光后变得几晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕。乎完美无瑕。蓝宝石抛光晶片制造工艺蓝宝石抛光晶片制造工艺-抛光抛光 Polishing蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)n清洗的目的在于清除晶清洗的目的在于清除晶圆表面的污染物；圆表面的污染物；n例如：表面微尘颗粒、例如：表面微尘颗粒、有机物、金属等等，以有机物、金属等等，以确保晶圆表面洁净
41、度。确保晶圆表面洁净度。蓝宝石抛光晶片制造工艺蓝宝石抛光晶片制造工艺-清洗清洗 Cleaning蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)n检验：在出货前为客户检验：在出货前为客户做的最后把关动作，使做的最后把关动作，使用高精密设备管控晶片用高精密设备管控晶片品质，测量品质，测量Resistance、Thickness、Bow、等晶、等晶圆特性。圆特性。蓝宝石抛光晶片制造工艺蓝宝石抛光晶片制造工艺-检验检验 Inspection蓝宝石衬底蓝宝石衬底(Al2O3)四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题1.衬底衬底 除了蓝宝石（除了蓝宝石（Al2O3）衬底外，
42、目前用于氮化镓生长）衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第二。，它在市场上的占有率位居第二。优点优点:化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等可见光等;缺点缺点:价格太高、晶体质量难以达到价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和和Si那么好、那么好、机械加工性能比较差。机械加工性能比较差。另外，另外，SiC衬底吸收衬底吸收380 nm以下以下的紫外光，不适合用来研发的紫外光，不适合用来研发380 nm以下的紫外以下的紫外LED。SiC 衬底衬底 四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低
43、成本的几个重要的技术问题1.衬底衬底 由于由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要象需要象Al2O3衬底上功率型氮化镓衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题，器件的散热问题，故在发展中的半导体照明技术领域占有重要地位。故在发展中的半导体照明技术领域占有重要地位。目前目前,国际上能提供商用的高质量的国际上能提供商用的高质量的SiC衬底的厂家只有衬底的厂家只有美国美国CREE公司。国内外公
44、司。国内外SiC衬底今后研发的任务是大幅度降衬底今后研发的任务是大幅度降低制造成本和提高晶体结晶质量。低制造成本和提高晶体结晶质量。SiC 衬底衬底 电极：电极：L型型(垂直接触）垂直接触）电极设计，电流是纵向流动电极设计，电流是纵向流动的，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的的，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出。热量可以通过电极直接导出。优点：优点：SiC 衬底衬底 四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题优点优点：化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收：化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等
45、；可见光等；缺点缺点：价格太高、晶体质量难以达到：价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和和Si那么好、机那么好、机械加工性能比较差。械加工性能比较差。由于由于SiC衬底优异的导电性能和导衬底优异的导电性能和导热性能，不需要像热性能，不需要像Al2O3衬底上功率型衬底上功率型氮化镓氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。目前国际上能提供器件的散热问题。目前国际上能提供商用的高质量的商用的高质量的SiC衬底的厂家只有美衬底的厂家只有美国国CR
46、EE公司。公司。碳化硅碳化硅(SiC)SiC 衬底衬底 四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题1.衬底衬底 Si 衬底衬底 一旦在硅衬底上制备一旦在硅衬底上制备LED 技术获得突破，外延生长成本技术获得突破，外延生长成本和器件加工成本将大幅度下降。和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为片作为GaN材料的衬底有许材料的衬底有许多优点，如晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导多优点，如晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。电性、导热
47、性和热稳定性等。然而，由于然而，由于GaN外延层与外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另外材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。出光效率低。目前国外文献报导的硅衬底上蓝光目前国外文献报导的硅衬底上蓝光LED光功率最好水平是光功率最好水平是420mW，是德国是德国Magdeburg大学研制的。日本大学研制的。日本Nagoya技术
48、研究所今年在上海国际半技术研究所今年在上海国际半导体照明论坛上报道的硅衬底上蓝光导体照明论坛上报道的硅衬底上蓝光LED光输出功率为光输出功率为18 mW。四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题2.缓冲层缓冲层 薄的薄的GaN缓冲层（两步生长法）缓冲层（两步生长法）由于由于GaN和常用的衬底材料的晶格失配度大，为了获得和常用的衬底材料的晶格失配度大，为了获得晶体质量较好的晶体质量较好的GaN外延层，一般采用两步生长工艺。外延层，一般采用两步生长工艺。首先在较低的温度下首先在较低的温度下(500600)生长一层很薄的生长一层很薄的GaN或或AIN作为缓
49、冲层，再将温度调整到较高值生长作为缓冲层，再将温度调整到较高值生长GaN外延层。外延层。Akasaki首先以首先以AIN作为缓冲层生长得到了高质量的作为缓冲层生长得到了高质量的GaN晶体。晶体。AlN能与能与GaN较好匹配，而和蓝宝石衬底匹配不好，但由于它很薄，较好匹配，而和蓝宝石衬底匹配不好，但由于它很薄，低温沉积的无定型性质，会在高温生长低温沉积的无定型性质，会在高温生长GaN外延层时成为结晶体。随外延层时成为结晶体。随后后Nakamura发现以发现以GaN为缓冲层可以得到更高质量的为缓冲层可以得到更高质量的GaN晶体。晶体。MOCVD 两步法外延两步法外延GaN高温处理高温处理缓冲层生长
50、缓冲层生长外延层生长外延层生长TMGaNH3温度温度1150oC550oC1050oC化学方程式：化学方程式：Ga(CH3)3+NH3 GaN+CH4四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题2.缓冲层缓冲层 薄的薄的GaN缓冲层（两步生长法）缓冲层（两步生长法）四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题2.缓冲层缓冲层 侧向过生长外延侧向过生长外延GaN缓冲层缓冲层 为了得到高质量的外延层，已经提出很多改进的方法，为了得到高质量的外延层，已经提出很多改进的方法，主要如下：主要如下：常规常规LEO（latera
