1、LED外延基础知识制造一部彭昀鹏目录半导体基础知识外延结构与生长原理常见异常分析半导体基础知识半导体的定义晶体能带的形成N型、P型半导体PN结发光原理半导体基础知识 物体物体电阻率电阻率导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 CM 10e9什么是半导体？什么是半导体？物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。表给出以电阻率来区分导体，绝缘说明这种材料的导电能力越弱。表给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。体和半导体的大致范围。半导体基础知识-晶体 单晶 晶体 多晶固体：非晶体固体可分为晶
2、体和非晶体两大类。原子无规则固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。子规则排列所组成的物质。在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。地排列在一起的固体称为多晶。闪锌矿结构半导体基础知识-能带 能级、能带禁带、导带、价带能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数N决定，每一确定能量值称为一个能级。能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出
3、现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能量状态可用能带描述）导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带）禁带：在导带与夹带之间，电子无法存在的能带，称为禁带。半导体基础知识-P型、N型载流子：电子、空穴 掺杂：施主掺杂-N型半导体 受主掺杂-P型半导体n对GaN晶体而言，当生长时，加入SiH4，Si原子会取代Ga原子的位置，由于Ga是三价的，Si是四价的，因此多出一个电子，属于n型掺杂。反之，加入Cp2Mg，M
4、g原子会取代Ga原子的位置，由于Mg是二价，因此少了一个电子（多一个电洞），属于p型掺杂。半导体基础知识-PN结、发光形成PN结电子、空穴注入复合发光外延结构与生长原理外延原材料气相外延原理外延结构各层生长原理和条件 Buffer-U1-U2-nGaN-MQW-pGaN-AlGaN 外延结构与生长原理-原料 衬底-蓝宝石衬底（AL203）MO源-TMGa(三甲基镓)；TEGa(三乙基镓)；TMAL(三甲基铝)；TMIN(三甲基铟)；CP2Mg(二茂镁)气体-NH3；N2；H2；SiH4价格晶格常数nm晶格失配度热胀系数10-6K-1应用厂商GaN$160 0.319(钨锌)5.596H-SiC
5、$2200.3083.5%4.20美国Osram蓝宝石（Al2O3）$200.47613.8%7.50日本、台湾、大陆Si(111)$20.54317%3.59南昌晶能光电ZnO2%LiAlO21.4%外延结构与生长原理-气相外延HHHNCH3GaCH3CH3GaCH4=CH3 +H H+H =H2CH3 radicalGa(CH3)3+NH3 GaN+3CH4HHHNGaCH3CH3CH3H2H2H2H2外延结构与生长原理-整体结构衬底衬底Buffer 大约30nmu-GaN MQW（barrier+well)GaN/InGaN约为300nmP-GaN约为300nmAlGaN约为200nmn
6、-GaN约4000nm外延结构与生长原理-Buffer由于衬底（AL203）与GaN材料的晶格失配较大，故在生长GaN之前需要生长一层薄薄的缓冲层，我们将其称为Buffer层。高压（500T）、低温条件下通入TMG，在衬底表面快速沉积一层缓冲层。由于晶格失配，此时GaN结晶质量较差。反射率曲线上升。外延结构与生长原理-Roughing即U1层，形成结晶质量较高的晶核，并以之为中心形成岛装生长。首先在停止通入TMG的情况下升至高温（1000以上），在高温高压条件下，Buffer中结晶质量不好的部分被烤掉，留下结晶质量较高的晶核。此时反射率将下降至衬底本身的反射率水平。保持高温高压，通入TMG，使
7、晶核以较高的结晶质量按岛装生长。此时反射率将降至0附近。以上为3D生长过程。外延结构与生长原理-Recovery即U2层，此时使外延从3D生长向2D生长转变。略微提高温度，降低气压（200T），使晶岛相接处的地方开始连接，生长，直至外延表面整体趋于平整。随着外延表面趋于平整，反射率将开始上升。此时由于外延片表面与衬底层的反射光将发生干涉作用，反射率将开始呈现正弦曲线震荡。外延结构与生长原理-nGaN在u-GaN之上生长n-GaN做为电子注入层。保持2D生长GaN的条件，通入SiH4，Si原子会取代Ga原子的位置，由于Ga是三价的，Si是四价的，因此多出一个电子，属于n型掺杂。反射率曲线将保持正
8、弦曲线震荡。由震荡的频率可以计算出此时的生长速率。外延结构与生长原理-MQW超晶格结构发光层，主要由阱与磊反复叠加构成。当In原子取代Ga原子时，GaN的禁带宽度将变小，构成MQW中的阱层。磊层则分为掺入Si原子的n型磊以及不掺杂的u型磊。阱层很薄，和磊层相间分布，将使注入的载流子在外延生长的方向受到限制，从而提高电子空穴对的空间浓度，加大复合发光的几率，提高发光效率。MQW层使用TEG提供Ga源。阱层的温度（760左右）和In源的掺杂浓度决定了发光波长。磊层使用相对较高的温度（880左右）以提高结晶质量。外延结构与生长原理-pGaNp型层为量子阱注入空穴。生长GaN时加入Cp2Mg，Mg原子
9、会取代Ga原子的位置，而Mg是二价，因此会少了一个电子（等于多一个空穴），属于p型掺杂。P型层分为低温段LP层与高温段HP层。LP层温度一般与阱温接近，在为pGaN生长打下基础的同时，还起到了保护最后一个阱的作用。HP层提高pGaN的结晶质量，保证空穴的正常注入。外延结构与生长原理-AlGaN Al-GaN层厚度较低，一般出现在nGaN层中部或者HP层的开始部分，并相应掺入一定量的SiH4或Cp2Mg。Al原子相对较小，当其取代Ga原子时，将使外延的晶格常数变小，从而使禁带宽度变宽。因此，Al-GaN层是一个载流子阻挡层，将在载流子注入时在二维方向上起到载流子扩散的作用。因而，适当生长Al-G
10、aN可以有效提高芯片的亮度。但是过分掺Al会使载流子注入变难，导致电性发生异常。此外，在nGaN插入AlGaN层可以起到释放应力，抑制位错，提高外延结晶质量的作用。常见异常分析第一时间异常 外延表面异常 石墨盘异常 QT测试异常快速数据异常 电压异常 亮度异常 ESD、Ir异常长期数据异常 寿测 mW常见异常分析-外观正常表面来自衬底：刻蚀、落灰、划伤等。U、N-GaN温度不适合：眉毛、鱼鳞等。Buffer不够厚：彩边。pGaN温度过低或Mg过量：雾边。第一时间常见异常分析-石墨盘石墨盘未烤净发白。RT温度曲线上升，生长率下降。外延片中心波长蓝移。第一时间常见异常分析-QT异常亮度低、电压高、
11、波长正常：可能是退火不够，pGaN中Mg原子未完全活化。送合金炉退火后再测。若退火后仍然不亮，检查生长曲线是否正常，SiH4通入是否正常。亮度低、波长短：检查生长曲线是否正常，测试PL、XRD，观察有无In的掺杂峰，量子阱周期厚度是否正常。若In掺杂峰较弱甚至没有，检查In源剩余量，In源管道、气动阀、冷阱有无堵塞或工作异常。若量子阱周期厚度明显变薄，检查TEG源剩余量，以及相应管道、气动阀、冷阱。亮度正常，波长偏离：检查量子阱阶段生长温度曲线，In源、TEG源剩余量，石墨盘状况，以及NH3压力等，并关注之后炉次的波长范围。第一时间常见异常分析-快速数据 快速数据：将一部产出外延片进行采样测试
12、，以期在最短的时间内获得反应同炉次外延的电性、亮度、抗静电等性质的数据。快速片数据一般的获得周期为三天左右，较全面的反映了外延片的品质，是外延工艺调整的最重要的依据之一。-电压Vf：芯片20mA正常电流工作时的电压。此外还有5mA小电流工作时的电压Vf2等。-亮度Iv：芯片正常电流工作时的亮度。此外还有小电流亮度Iv2。-波长Wld：正常工作时的积分波长。此外还有峰值波长Wlp、小电流波长Wld2。-半宽Hw：正常工作时的发光峰半宽值。-蓝移：大电流与小电流工作状态下的波长差。-漏电Ir：施加8V反向电压时的电流。-反向电压Vz：施加10uA反向电流时的电压。-抗静电ESD：器件抗静电能力，分
13、为人体模式与机械模式。常见异常分析-快速电压电压Vf1高：外延片工作状态压降主要来源：nGaN、MQW、pGaN、pAlGaN等。若nGaN的Si掺杂过少，将导致电压高、Vz高、ESD变差，亮度无太大影响。若MQW出现问题，Vf1与Vf3将一同升高，并可能伴有亮度下降、半宽蓝移等数据异常的现象。若pGaN的Mg掺少导致电压升高，将同时导致ESD变差、亮度降低等。若pAlGaN中Al掺杂过量导致电压升高，将会导致Vz变大、ESD变差。电压Vf1低：电压偏低一般是由nGaN的Si掺杂过多导致，将伴随Ir变大，ESD变差等现象。快速数据常见异常分析-快速Iv亮度（Iv）低：快速中亮度Iv分为直接亮度
14、Iv与460nm折算亮度Ivnor，两者都与波长关系紧密。若波长偏短，Iv亮度和Ivnor亮度都将降低，前者降低幅度更大。若波长偏长，Iv亮度和Ivnor亮度都会变高，但Ivnor亮度变高幅度较小，有可能因为“波长长亮度低”影响良率。若波长正常，对比小电流下亮度Iv、蓝移、半宽等数据有无异常，若有则量子阱结构需要调整。若量子阱确定正常，则检查电压、漏电、ESD等数据有无异常，综合判断异常点。亮度高：根据外延波长、板型的不同，有时会出现亮度偏高的情况，可以通过调整量子阱的个数、结构，调整Al掺杂，改变衬底等方法进行改善。快速数据常见异常分析-蓝移、Hw Hw、蓝移都会对产品的成色造成影响。为了提
15、高产品的一致性，需要将外延的Hw、蓝移值限定在一定的范围内。蓝移与Hw的大小与量子阱中跃迁能级的变化幅度有很大关系。由于InGaN与GaN的晶格失配，会在量子阱中产生极化效应，致使电子跃迁的幅度将发生变化，将导致Hw增加，蓝移变大。同时，极化效应会使载流子复合产生声子，导致热阻变大从而影响寿测。通过减少In掺杂或者将阱宽减薄的方法，可以减小蓝移和Hw，但是有可能对亮度造成影响。快速数据常见异常分析-快速ESD-Ir首先对比近期数据以及同期其他机台数据，排除芯片部的原因。漏电（Ir）变大、ESD变差 Ir较大表明外延中漏电通道较多，结晶质量较差，此时ESD差是由于较差的结晶质量经受不住大电流轰击
16、，导致结构性破坏造成的。根据电压有没有变化或XRD半宽有无异常，可以判断是nGaN的Si掺杂过多、还是Buffer或uGaN生长条件不适合导致。Ir变小、ESD变差 Ir较小表明外延原本结晶质量较好，但是大电流轰击时由于电能释放的密度太大，造成期间结构被破坏。可能的原因有：nGaN，尤其是n2层，过薄或nGaN生长速率太低；pAlGaN过厚或Al掺杂过量；量子阱Si掺杂太少等。Ir变大、ESD超过100%大电流轰击后漏电反而变好，说明Ir的来源不是结构性的漏电通道，有可能是一些不稳定的中间能级缺陷或者电容放电造成的。调整u、n层温度，增加AlGaN掺杂等将有一定的改善。快速数据常见异常分析-寿测、mW寿测表明了芯片长时间工作状态下的稳定性。寿测基本上由u、nGaN的结晶质量决定，也与工作室芯片的电流热能分布有很大关系。mW数据反映了芯片全方位的实际出光强度，除了与量子阱的结构、个数，外延整体的结晶质量等有关，与衬底、芯片制成等因素也有着紧密的关联。长期数据常见异常分析外延异常的分析是外延工程师最重要的能力之一，同时也需要长期的实践和积累。任何一种异常都没有绝对的原因，更没有万精油式的解决方法。因此，对外延数据进行分析切忌教条思想，一定要结合生产实际不断总结提高。
