氮化鎵襯底及其生產(chǎn)技術(編輯修改稿)
2024-12-04 08:38 本頁面
【文章內容簡介】 CVD 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。 這些公司生產(chǎn) MOCVD 設備都有較長的歷史，但對氮化鎵基材料而言，由于材料本身研究時間不長，對材料生長的一些物理化學過程還有待認識，因此目前對適合氮化鎵基材料的 MOCVD 設備還在完善和發(fā)展之中。國際上這些 設備商也只是 1994 年以后才開始生產(chǎn)適合氮化鎵的 MOCVD 設備。目前生產(chǎn)氮化鎵中最大 MOCVD 設備一次生長 24 片（ AIXTRON 公司產(chǎn)品）。國際上對氮化鎵研究得最成功的單位是日本日亞公司和豐田合成，恰恰這些公司不出售氮化鎵生產(chǎn)的 MOCVD 設備。日本酸素公司生產(chǎn)的氮化鎵 MOCVD 設備性能優(yōu)良，但該公司的設備只在日本出售。 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，不過這些設備一般只能生產(chǎn)中低檔產(chǎn)品； 研制有自己特色的專用 MOCVD 設備。這些設備一般只能一次生產(chǎn) 1 片2 英寸外延片，但其外延片質量很高。目前高檔產(chǎn)品主要由這些設備生產(chǎn)，不過這些設備一般不出售。 1） InGaAlP 四元系 InGaAlP 化合物半導體是制造紅色和黃色超高亮度發(fā)光二極管的最佳材料， InGaAlP 外延片制造的 LED 發(fā)光波段處在 550～ 650nm 之間，這一發(fā)光波段范圍內，外延層的晶格常數(shù)能夠與 GaAs 襯底完善地匹配，這是穩(wěn)定批量生產(chǎn)超高亮度 LED 外延材料的重要前提。 AlGaInP 超高亮度 LED 采用了MOCVD 的外延生長技術和多量子阱結構，波長 625nm 附近其外延片的內量子效率可達到 100%，已接近極限。目前 MOCVD 生長 InGaAlP 外延片技術已相當成熟。 InGaAlP 外延生長的基本原理是，在 一塊加熱至適當溫度的 GaAs 襯底基片上，氣態(tài)物質 In,Ga,Al,P 有控制的輸送到 GaAs 襯底表面，生長出具有特定組分，特定厚度，特定電學和光學參數(shù)的半導體薄膜外延材料。 III 族與 V族的源物質分別為 TMGa、 TEGa、 TMIn、 TMAl、 PH3 與 AsH3。通過摻 Si 或摻 Te以及摻 Mg 或摻 Zn 生長 N 型與 P 型薄膜材料。對于 InGaAlP 薄膜材料生長，所選用的 III 族元素流量通常為 (15) 105 克分子， V 族元素的流量為（ 12） 103 克分子。為獲得合適的長晶速度及優(yōu)良的晶體結構，襯底旋轉速度和長晶溫度 的優(yōu)化與匹配至關重要。細致調節(jié)生長腔體內的熱場分布，將有利于獲得均勻分布的組分與厚度，進而提高了外延材料光電性能的一致性。 2） lGaInN 氮化物半導體是制備白光 LED 的基石， GaN 基 LED 外延片和芯片技術，是白光 LED 的核心技術，被稱之為半導體照明的發(fā)動機。因此，為了獲得高質量的 LED，降低位錯等缺陷密度，提高晶體質量，是半導體照明技術開發(fā)的核心。 GaN 外延片的主要生長方法： GaN 外延片產(chǎn)業(yè)化方面廣泛使用的兩步生長法，工藝簡述如下： 由于 GaN 和常用的襯底材料的晶格失配 度大，為了獲得晶體質量較好的 GaN 外延層，一般采用兩步生長工藝。首先在較低的溫度下 (500～ 600℃ )生長一層很薄的 GaN 和 AIN 作為緩沖層，再將溫度調整到較高值生長 GaN 外延層。Akasaki 首先以 AIN 作為緩沖層生長得到了高質量的 GaN 晶體。 AlN 能與 GaN 較好匹配，而和藍寶石襯底匹配不好，但由于它很薄，低溫 沉積 的無定型性質，會在高溫生長 GaN 外延層時成為結晶體。隨后 Nakamura 發(fā)現(xiàn)以 GaN 為緩沖層可以得到更高質量的 GaN 晶體。 為了得到
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