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什么是外延生长(epitaxial growth)?

外延生长是指在某结晶的衬底上面以特定方向生长具有相同或不同材料的结晶,在LED领域,该外延生长工艺是芯片技术的核心工艺之一.即,在用作衬底的薄层单晶上面生长具有类似结晶格子结构及防卫的半导体结晶. 可以在远低于衬底物质的熔点的温度下生长.

LED工艺大体上可分为Epi工艺和Fab工艺,即芯片工艺和包装工艺. 图为将氮化镓外延生长在用于LED上的蓝宝石(Al2O3)上面时的形状.GaN系化合物半导体难以形成相同物质的衬底,且价格昂贵,因此主要生长在蓝宝石(Al2O3)衬底上面。同时,逐渐将GaN化合物半导体连续堆起来生长,各个层承接下层的结晶性来生长.

出现在结晶内部的缺陷在发光的电子和空穴的复合过程中(electron-hole recombination process), 起到非幅射中心(nonradiative center)的作用,因此在LED元件上形成各层的结晶之结晶性对元件效率起到决定性的影响. 因此,外延生长工艺是决定LED效率的主要特性的重要工艺.

蓝宝石 C-PLANE
EPI決定 LED颜色

LED发出的光的颜色随着发光层MQW的元素配合,选择适当的能隙,并做出相应的波长. 目前主要用于LED上的InGaN芯片中可以做出near UV、蓝色与绿色,在AlGaInP芯片中可以做出从Amber到红色之间的颜色。白色LED通常是在蓝色芯片上使用各种荧光体. 可视光线光谱包含着所有的相应颜色上的波长,越接近于紫色时波长越短,越接近于红色时波长越长。波长越短,拥有的能量越多.

颜色 波长 (nm) 颜色 波长 (nm)
Violet 400~430 Amber 590~595
Blue 430~480 Orange 600~615
Green 490~530 Orange-Red 620~640
Yellow 550~580 Red 645~700

外延工艺

E为了做出LED芯片,外延工艺通常采用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition). 主要使用甲醇或乙基等有烃基的有机金属化合物作为原料. 通过此,将生长GaN, P/N-GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, AlGaInP等的2、3、4元系的各种化合物半导体.

下图为形成GaN的反应过程.

图为形成GaN的反应过程.

GaN EPI layer生长顺序

  1. 高温加热,对蓝宝石表面进行cleaning.
  2. 为了将蓝宝石与GaN的格子不一致降到最低,生长buffer layer.
  3. 为注入电子,生长GaN层和n-GaN层.
  4. 生长发光层 - MQWs(Multi Quantum Wells).(如:将InGaN/GaN形成多层)
  5. 生长可阻止电子移动的AlGaN.
  6. 为了往MQW注入空穴,生长p-GaN

下图显示GaN初期生长时的温度和气的注入

图显示GaN初期生长时的温度和气的注入

极性/非极性结晶面

GaN具有Wurtzite结构.随着结晶面的不同,Ga和N的排列不同,目前主要使用的LED是采用极性(polar)c-面的蓝宝石来生长GaN外延. 随着c-轴生长的非对称性是MQW上有Ga原子,下有N原子。这样结构的Ga face 会产生自发定位(spontaneous polarization)的现象,而且以格子常數的差异来产生變態設立(strain)及压电定位(piezoelectric polarization)

由于两个分极,使MQW的量子井(Quantum welll)能隙结构折弯,使电子和空窕的结合变得困难。其结果出现内部量子效率减少、波长的红移(red shift)现象及高门槛电压现象,表现出不应在LED出现的现象.

为解决这些问题,有一种非极性(nonpolar)LED技术. 使用该技术时可以解决两种分极现象,并能减少高电流密度下的效率低下特性。期待在照明市场所要求的高电力LED元件,长波长LED应用上使用非极性LED。我公司在该领域拥有许多技术力量.

※ Wurtzite 结构 : 被硫化锌 ZnS的高温型 - 纤锌矿所代表的AB型化合物的结晶 结构型之一. AB周围以四面体形四排位形成的六方格子 此时,对于A3和B3形成的正三角形的重叠交叉60°的纤锌矿型结构, 在这一结构中的特点为重叠. ZnO、CdS等采用该结构. (来源:NAVER知识辞典)
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