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外延

每一颗LED的核心都是由多层半导体薄膜堆叠而成,每层的成份与掺杂浓度各异。相对于集成电路而言,LED器件中的半导体材料无论在化学构成(LED采用III-V族化合物半导体而非Si,例如GaAs、GaN)与制造工艺都是不同的。各层薄膜的外延是采用一种称为有机金属气相外延(OMVPE)或者有机金属化学气相沉积(MOCVD)的技术来实现的,相比其他同类技术,就生长速率、均匀性、产量等因素而言,它优势突出。

外延(epitaxy)一词来自希腊语的epi(上面)与taxis(排列),是指在晶圆基板上按其所决定的方向进行的材料生长。外延的目的是确保晶圆上所有位置都具有相同的原子排序方向、避免产生会降低效率的缺陷。epi是外延的缩写,也被业界所常用。在OMVPE反应炉中,III族金属有机物与V族氢化物源气体分子被载气(通常为氢气或氮气)输运到被加热的晶圆衬底表面,先受热分解,然后按衬底材料的原子结构在特定的位置进行有规律的的重构。

OMVPE中诸多互相制约的物理、化学过程使其复杂程度非常高,对于LED中特定的外延薄膜层,因均匀性、可重复性的要求,需要对大量的输入变量(压力、温度、多种气体流量与比例)同时进行优化。且每一层的最优条件都要独立地开发,LED的性能不仅仅对每一特定薄膜层的厚度、组分、掺杂(包括本征杂质)以及与其他层的界面高度敏感,而且也同样受制于结构中之前与后续外延层的属性与工艺条件。

Lumileds在OMVPE技术方面悠久的历史可追溯至惠普公司。作为目前全球业界的翘楚,这体现在Lumileds行业领先的产品性能以及继往开来的持续改进,且片内颜色均匀性与良率方面也处于全球领先地位,在6吋工艺导入、工艺可重复性方面也走在行业的前列。Lumileds的领先地位是通过大量经验实践确立的,包括:OMVPE反应炉硬件技术(加热、流量控制、原位工艺检测)、III-V晶体生长与材料科学、LED器件物理、应用统计以及先进的材料测量表征等。我们具有竞争力的研发优势来源于对于下述各方面相关性深刻的理解:原位量测数据,材料特性,复杂器件模拟、器件最终性能以及每一外延层的可重复实验。

III族氮化物

目前,绝大多数白光LED都是由蓝光LED激发荧光粉涂层、并产生更长波长的光混合后而得到白光。蓝光LED由III族氮化物外延层结构构成,通过改变InN、AlN与GaN的组份比例,此外延结构出光的波长范围可覆盖紫外到绿光。III族氮化物LED面临若干特定的技术挑战,包括:因InGaN与GaN之间的晶格失配,为了不产生缺陷、发光量子阱(Quantum Well,QW)的生长厚度受到的限制;因GaN与InN之间混溶间隙的存在,在某种生长条件下QW材料易于损坏;QW中固有极性产生的电场使电子与空穴产生分离,进而降低了它们复合产生光子的几率。这些挑战,在材料质量与发光效率受到损伤之前,就对外延结构产生了限制。另一个重要的挑战是,III族氮化物材料体系中的强Auger非辐射复合降低了LED的发光效率,这点尤其是在大功率器件中更突出。Auger非辐射复合的机理最早由Lumileds提出,为III族氮化物LED商品大电流下效率下降(Droop效应,即随着驱动电流的增大LED发光效率降低)的最重要的机理。

纵然有上述挑战,Lumileds凭借其在材料科学、外延生长与硬件技术、LED器件物理与器件模拟等方面的经验,还是取得了显著的进步,不断地为每一个挑战寻找更佳的解决方案。例如,通过对发光区的设计,在外延生长阶段就可使光效的Droop效应在各个QW层内就得到了进一步的延迟。Lumileds的III族氮化物外延性能逐年提升,从而使Lumileds成为了LED行业的外延技术先驱(图1)。

III族磷化物

对于较长波长(从590nm的橙黄光到660nm的红光)的可见光高亮度LED而言,全部基于AlInGaP的材料体系。惠普公司于20世纪90年代初开始开发AlInGaP基LED产品,并率先采用GaP透明窗口层、生产出了业界第一个高亮度LED。目前,所有AlInGaP基LED公司在其产品中都采用该层结构来实现高亮度。因为AlInGaP材料体系在In组份为50%左右时与GaAs晶格匹配,所以可以保持In组份不变,在不影响晶格常数的条件下,通过调整Al/Ga组份比例来改变带隙与发光波长。对于发光半导体器件,晶格匹配非常关键——这一点唯有III族氮化物与众不同。如果AlInGaP外延层在与GaAs失配的材料上生长,那么晶体中就会有缺陷,发光效率就要打折扣。保持50%左右的In组份,就可以灵活地设计外延层厚度与带隙,从而获得最优的器件性能。

尽管LED的发光波长可以通过改变Al组份来调整,但实践中材料体系的一些电学特征会有若干限制环节。当Al组份高于53%时,AlInGaP材料会面临从直接带隙向间接带隙的过渡,从而使发光效率大幅度下降。在半导体中,因需要光子辅助发光,所以诸如Si这样的间接带隙材料发光效率非常低,这使该直接-间接带隙的转换问题局限了AlInGaP材料向更短的发光材料覆盖。

AlInGaP基LED研发的主要挑战有:发光效率随着波长与驱动电流变化很大。为满足特定应用,对外延结构的优化需要做到权衡取舍。例如,因直接-间接带隙转变与能量势垒的增大,阻止了载流子转向给定的发光层,因此,在波长较短时、难以将载流子限制在发光区内。此外,在波长较短时,发光层自身会产生一个类似势垒层的能带隙,这进一步减少了对载流子的限制。但这些问题在波长较长时就不存在。所以,对于较长发光波长LED比较不错的设计方案对于较短波长而言就不理想。

为了应对这些挑战,Lumileds已经开发出相应的外延工艺与芯片设计方案,例如控制直接-间接带隙过渡的应变工程,对特定波长或电流范围进行定制的外延层设计。Lumileds也利用了其在反应炉硬件设计与外延工艺方面的技术,率先在AlInGaP基LED外延生产中导入6吋衬底,实现了优异的片内均匀性。.