GaN基蓝光LED关键技术进展
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子漂移饱和速度、导热 性能好、化学稳定性高 等优 点[ 1] , 适合制作蓝色、绿色、紫外发光器件而成为全 球半导体研究的前沿和热点, 被誉为第三代半导体 材料。最初的研究以 SiC 和 ZnSe 为重点材料, 但用 SiC 材料制作的蓝光 LED 亮度仅为 10~ 20 cd/ m2, 使用范围很窄, ZnSe 虽能作成高亮度蓝光 LED, 但 寿命短, 仅为几小时未达到实用程度[ 2] 。而 GaN 由 于没有合适的单晶衬底材料, 位错密度大, 无法实现 P 型掺杂等问题而研究进展缓慢[ 3] 。直到 20 世纪 90 年代后, 由于缓冲层技术的采用和 P 型掺杂技术 的突破, 使得 GaN 光电器件成为研究的主流, GaN 基蓝、绿光 LED 已实现商品化。本文就 GaN 材料
真空电子技术 VACUUM ELECTRONICS
#综 述#
GaN 基蓝光 LED 关键技术进展
刘一兵1, 2
( 1. 湖南大学 电气与信息工程 学院, 湖南 长沙 410082; 2. 邵阳 职业技术学院机电工程系, 湖南 邵阳 422000)
Research of Key Technologies for Blue GaN2Based LEDs
Key words: GaN; Blue LED; MOVPE; P2doping; Ohmic cont act ; Et ching; Dicing saw
摘要: 以高亮度 GaN 基蓝光 LED 为核心的半导体照明技术对照 明领域带来 了很大的 冲击, 并 成为目前 全球半 导体领 域 研究和投资的热点。本文首先综述了 GaN 基材料的基本特性, 分 析了 GaN 基蓝光 LED 制 程的关键 技术如 金属有 机物气 相 外延, P 型掺杂, 欧姆接触, 刻蚀工艺, 芯片切 割技术, 介绍了目前各项技术的工艺现状, 最后指出了需要改进的问题, 展望了 末 来的研究方向。
真空电子技术 VACUUM ELECTRONICS
Ga( CH3 ) 3 ( v) + NH 3 ( v) y GaN( s) + 3CH 4 ( v) 式中 v 表示气相, s 表示固相。
由于 NH 3 已位于裂解, 并易于与 Ó 族金属有机 物发生寄生反应, 因此需要严格控制生长条件, 并改 进生长设备。Amano 等[ 6] 最早采用射频感应加热 大气压 MOVPE( AP2MOV PE) 方法, 生长出了高质 量的单晶 GaN 薄膜材料。为了解决由于 GaN 生长 温度高易分解 而产生空 位的难题, Nakamara 等[ 7] 于 1990 年 开 发 了 双 气 流 大 气 压 MOVPE ( T F2 MOV PE) 生长技术, 如图 2 所示。这种技术采用二 组气体输入反应室的气路。一路作为主路气流, 沿 与衬底平行方向输入反应气体 ( T MG, NH 3, H2 ) , 另一路作为副路气流, 以高速度在垂直衬底方向输 入混合气体( H 2, N2) 以改变主气流的流向和抑制副 生长 GaN 时热对流, 采用这种技术获得了器件质量 的 p 型 GaN 晶体。
图 2 双气流 MOVPE 原ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图
由于 GaN 与衬底晶格失配 为 151 4% , 因此要 生长平坦而没有裂纹的高质量 GaN 外延层非常困 难。Amano 等[ 8] 提出利用低温生长 AlN 或 GaN 作 为缓冲再与高温( 1000 e ) 生长 GaN 的二段生长法 得到表面平坦如镜, 低剩余载流子浓度, 高电子迁移 率的高质量 GaN 外延层, 1991 年首先获得 GaN 外 延层室温光泵浦下的受激发射。但存在因高温生长 造成材料界面 间的互扩散和多元化合 物的金相分 离, 为降低生长温度, 近年来有学者进行 GaN 原材 料的等离子体或光辐助 MOVPE 生长的研究, 国内 学者首先采用了 ECR 等离子体辐助 MOVP E 方法 进行 GaN 材料的外延生长。低温生长的关键是解 决活性氮源并为生长表面提供活化能, 以 ECR 等离 子体提供活化氮源, 在 GaAs( 001) 衬底生长出晶质 好的纯立方 GaN 单晶膜。
nz 2008- 03
真空电子技术 VACUUM ELECTRONICS
位错密度相对常规工艺下降两个数量级, 而位错是 有效的漏电流路径, 从而降低了漏电流, 提高了输出 功率和外量子效率。
MOVPE 方法生长速度适中, 可以精确控制膜 厚, 能实现大面积均匀生长和多片生长, 因此适合于 LED 大规模工业化生产, 是目前使用最多、材料和 器件质量最高的生长方法, 美国 EMCORE 和 AIX2 T RON 公司及英国 Thomas Swan 公司已开发出用 于工作生产的低压 MOV PE 设备。 2. 2 p 型掺杂技术
目前具有使用价值的 Ó 族氮化物 LED 大多通 过 MOVPE 技术生长外延材料, 外延过程是以物质 从气相向固相转移为主的过程[ 5] 。含外延膜成分的 气体输运到加热的衬底或外延表面上, 通过气体分 子热分解, 扩散及在衬底或外延表面上的化学反应, 构成外延膜的原子沉积在衬底或外延面上, 并按一 定晶体结构排列形成外延膜。通常 NH 3 作为氮源, 三甲基镓( T MG) 为镓源, 以高纯 H 2 为载体, 在高 温( 通常大于 1000 e ) 进行外延生长。在衬底和外 延面上的化学反应为:
GaN 基蓝光 LED 核心部分为 pn 结, 因此对 n 型掺杂和 p 型掺杂的控制显得尤为重要。而 n 型掺 杂技术比较简单, 主要掺杂剂 为 Si, 由于存在 氮空 位, 使得 n 型本底载流子浓度范围 较高, 其范 围为 1 @1017 ~ 2 @1019 / cm2 , 这样使得制造 p 型 GaN 样 品非常困难, 因此 GaN 基 LED 质量好坏的关键之 一是获得高质量的 p 型掺 杂。p2GaN 典型的 生长 条件是在 H 2 条件下, 使用 Mg 作为受主掺 杂剂实 现的, 而掺 Mg 后得到的 GaN 薄膜存在较高的电阻 率, 主要是由于 Mg 与从薄膜渗透进的 H 原子结合 形成非活性的( Mg- H ) 络合物, 即通过 H 的钝化 作用使 Mg 失去活性。1989 年, Amano[ 10] 利用低能 电子束辐射( LEEBI) , 处理 Mg 掺杂的高阻 GaN 薄 膜, 得到掺杂浓度为 2 @1016 / cm3 的 p2GaN, 后来将 AlN 缓冲层改为 GaN 使 p2GaN 中的空穴浓度提高 到 8 @1018 / cm3 。1991 年, Nakamura 等[ 11] 采用 热 退火处理技术, 在 700 e 以上含氢的氮气氛中退火, 获得了更为均匀的 p 型低阻薄膜, 并阐明了在原掺 Mg 的 GaN 中, Mg 受主被 H 原子所钝化, 低能电 子束辐照或中温退火可破坏 Mg- H 络合体, 激活 受主, 实现高浓度 p 型掺杂。但由于 Mg 掺杂剂在 GaN 中的受主激活能很大, 为 GaN 基材料 中的空 穴浓度 达到 5 @1017 / cm3 以 上, 掺杂 量 必须 达 到 1026 / cm3 , 且必须在较低生长温度下进行, 这势必会 影响 GaN 基材料的晶体质量。介于目前 GaN 材料 的生长技术还无法得到高空穴浓度的 p2GaN 材料, 空穴浓度通常小于 1 @1018 / cm3 , 为降低 Mg 掺杂的 受主激活能, 提高空穴浓度, 有人提出了采用表面 接触 层 为 p 型 AlGaN 超晶 格结 构, p 型 InGaN/ GaN 异质结或超晶格结构等生长方案。 2. 3 制造低阻欧姆接触技术
Abstr act: Semiconduct or light ing t echnology on high bright ness blue GaN2based LEDs impact s illumi2 nat ion field largely, and it has been focus in t he semiconductor resear ch and invest ment at present . T his paper was overviewed t he basic propert ies of GaN2based material, analyzed key t echnologies in making blue GaN2based LEDs, such as MOVPE, P2doping ohmic cont act , et ching and chip dicing saw, and int ro2 duced r ecent progresses of t echnologies at present . At last , point ed out problems t hat we must prospect, and also discussed t he fut ure t rend.
图 1 GaN 基材料的晶格常数、 能带宽度及相应发光区域
2 GaN 基蓝光 LED 制程的关键技术
1995 年日本日亚( Nickia) 公司中村修二博士宣 布成功地开发出亮 度达 20lux 的 Ó 族 氮化物蓝 光 LED, 从根本上解决三基色问题, 用高亮度 GaN 基 蓝、绿光 LED 制成白光 LED 取代白炽灯和荧光灯 等而引起照明光源的革命, 从而 GaN 基蓝光 LED 成为世界研究的热点领域, 在 GaN 基 LED 器件制 程中, 一些关键技术的优劣直接影响到器件的性能, 因此对关键技术的研究是十分必要的。 2. 1 金属有机物气相外延( MOVP E) 技术
LIU Yi2bing1、2
( 1. College of Electr ical and I nf or mation Eng ineer ing , H unan Univer sity , Changsha 410082, China; 2. Depa r tment of Mecha nical a nd Electr ical Engineer ing , Shaoya ng P r of essiona l2Technology Col lege, Shaoya ng 422000, China)
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#综 述#
GaN 基蓝光 LED 关键技术进展
刘一兵1, 2
( 1. 湖南大学 电气与信息工程 学院, 湖南 长沙 410082; 2. 邵阳 职业技术学院机电工程系, 湖南 邵阳 422000)
Research of Key Technologies for Blue GaN2Based LEDs
Key words: GaN; Blue LED; MOVPE; P2doping; Ohmic cont act ; Et ching; Dicing saw
摘要: 以高亮度 GaN 基蓝光 LED 为核心的半导体照明技术对照 明领域带来 了很大的 冲击, 并 成为目前 全球半 导体领 域 研究和投资的热点。本文首先综述了 GaN 基材料的基本特性, 分 析了 GaN 基蓝光 LED 制 程的关键 技术如 金属有 机物气 相 外延, P 型掺杂, 欧姆接触, 刻蚀工艺, 芯片切 割技术, 介绍了目前各项技术的工艺现状, 最后指出了需要改进的问题, 展望了 末 来的研究方向。
真空电子技术 VACUUM ELECTRONICS
Ga( CH3 ) 3 ( v) + NH 3 ( v) y GaN( s) + 3CH 4 ( v) 式中 v 表示气相, s 表示固相。
由于 NH 3 已位于裂解, 并易于与 Ó 族金属有机 物发生寄生反应, 因此需要严格控制生长条件, 并改 进生长设备。Amano 等[ 6] 最早采用射频感应加热 大气压 MOVPE( AP2MOV PE) 方法, 生长出了高质 量的单晶 GaN 薄膜材料。为了解决由于 GaN 生长 温度高易分解 而产生空 位的难题, Nakamara 等[ 7] 于 1990 年 开 发 了 双 气 流 大 气 压 MOVPE ( T F2 MOV PE) 生长技术, 如图 2 所示。这种技术采用二 组气体输入反应室的气路。一路作为主路气流, 沿 与衬底平行方向输入反应气体 ( T MG, NH 3, H2 ) , 另一路作为副路气流, 以高速度在垂直衬底方向输 入混合气体( H 2, N2) 以改变主气流的流向和抑制副 生长 GaN 时热对流, 采用这种技术获得了器件质量 的 p 型 GaN 晶体。
图 2 双气流 MOVPE 原ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图
由于 GaN 与衬底晶格失配 为 151 4% , 因此要 生长平坦而没有裂纹的高质量 GaN 外延层非常困 难。Amano 等[ 8] 提出利用低温生长 AlN 或 GaN 作 为缓冲再与高温( 1000 e ) 生长 GaN 的二段生长法 得到表面平坦如镜, 低剩余载流子浓度, 高电子迁移 率的高质量 GaN 外延层, 1991 年首先获得 GaN 外 延层室温光泵浦下的受激发射。但存在因高温生长 造成材料界面 间的互扩散和多元化合 物的金相分 离, 为降低生长温度, 近年来有学者进行 GaN 原材 料的等离子体或光辐助 MOVPE 生长的研究, 国内 学者首先采用了 ECR 等离子体辐助 MOVP E 方法 进行 GaN 材料的外延生长。低温生长的关键是解 决活性氮源并为生长表面提供活化能, 以 ECR 等离 子体提供活化氮源, 在 GaAs( 001) 衬底生长出晶质 好的纯立方 GaN 单晶膜。
nz 2008- 03
真空电子技术 VACUUM ELECTRONICS
位错密度相对常规工艺下降两个数量级, 而位错是 有效的漏电流路径, 从而降低了漏电流, 提高了输出 功率和外量子效率。
MOVPE 方法生长速度适中, 可以精确控制膜 厚, 能实现大面积均匀生长和多片生长, 因此适合于 LED 大规模工业化生产, 是目前使用最多、材料和 器件质量最高的生长方法, 美国 EMCORE 和 AIX2 T RON 公司及英国 Thomas Swan 公司已开发出用 于工作生产的低压 MOV PE 设备。 2. 2 p 型掺杂技术
目前具有使用价值的 Ó 族氮化物 LED 大多通 过 MOVPE 技术生长外延材料, 外延过程是以物质 从气相向固相转移为主的过程[ 5] 。含外延膜成分的 气体输运到加热的衬底或外延表面上, 通过气体分 子热分解, 扩散及在衬底或外延表面上的化学反应, 构成外延膜的原子沉积在衬底或外延面上, 并按一 定晶体结构排列形成外延膜。通常 NH 3 作为氮源, 三甲基镓( T MG) 为镓源, 以高纯 H 2 为载体, 在高 温( 通常大于 1000 e ) 进行外延生长。在衬底和外 延面上的化学反应为:
GaN 基蓝光 LED 核心部分为 pn 结, 因此对 n 型掺杂和 p 型掺杂的控制显得尤为重要。而 n 型掺 杂技术比较简单, 主要掺杂剂 为 Si, 由于存在 氮空 位, 使得 n 型本底载流子浓度范围 较高, 其范 围为 1 @1017 ~ 2 @1019 / cm2 , 这样使得制造 p 型 GaN 样 品非常困难, 因此 GaN 基 LED 质量好坏的关键之 一是获得高质量的 p 型掺 杂。p2GaN 典型的 生长 条件是在 H 2 条件下, 使用 Mg 作为受主掺 杂剂实 现的, 而掺 Mg 后得到的 GaN 薄膜存在较高的电阻 率, 主要是由于 Mg 与从薄膜渗透进的 H 原子结合 形成非活性的( Mg- H ) 络合物, 即通过 H 的钝化 作用使 Mg 失去活性。1989 年, Amano[ 10] 利用低能 电子束辐射( LEEBI) , 处理 Mg 掺杂的高阻 GaN 薄 膜, 得到掺杂浓度为 2 @1016 / cm3 的 p2GaN, 后来将 AlN 缓冲层改为 GaN 使 p2GaN 中的空穴浓度提高 到 8 @1018 / cm3 。1991 年, Nakamura 等[ 11] 采用 热 退火处理技术, 在 700 e 以上含氢的氮气氛中退火, 获得了更为均匀的 p 型低阻薄膜, 并阐明了在原掺 Mg 的 GaN 中, Mg 受主被 H 原子所钝化, 低能电 子束辐照或中温退火可破坏 Mg- H 络合体, 激活 受主, 实现高浓度 p 型掺杂。但由于 Mg 掺杂剂在 GaN 中的受主激活能很大, 为 GaN 基材料 中的空 穴浓度 达到 5 @1017 / cm3 以 上, 掺杂 量 必须 达 到 1026 / cm3 , 且必须在较低生长温度下进行, 这势必会 影响 GaN 基材料的晶体质量。介于目前 GaN 材料 的生长技术还无法得到高空穴浓度的 p2GaN 材料, 空穴浓度通常小于 1 @1018 / cm3 , 为降低 Mg 掺杂的 受主激活能, 提高空穴浓度, 有人提出了采用表面 接触 层 为 p 型 AlGaN 超晶 格结 构, p 型 InGaN/ GaN 异质结或超晶格结构等生长方案。 2. 3 制造低阻欧姆接触技术
Abstr act: Semiconduct or light ing t echnology on high bright ness blue GaN2based LEDs impact s illumi2 nat ion field largely, and it has been focus in t he semiconductor resear ch and invest ment at present . T his paper was overviewed t he basic propert ies of GaN2based material, analyzed key t echnologies in making blue GaN2based LEDs, such as MOVPE, P2doping ohmic cont act , et ching and chip dicing saw, and int ro2 duced r ecent progresses of t echnologies at present . At last , point ed out problems t hat we must prospect, and also discussed t he fut ure t rend.
图 1 GaN 基材料的晶格常数、 能带宽度及相应发光区域
2 GaN 基蓝光 LED 制程的关键技术
1995 年日本日亚( Nickia) 公司中村修二博士宣 布成功地开发出亮 度达 20lux 的 Ó 族 氮化物蓝 光 LED, 从根本上解决三基色问题, 用高亮度 GaN 基 蓝、绿光 LED 制成白光 LED 取代白炽灯和荧光灯 等而引起照明光源的革命, 从而 GaN 基蓝光 LED 成为世界研究的热点领域, 在 GaN 基 LED 器件制 程中, 一些关键技术的优劣直接影响到器件的性能, 因此对关键技术的研究是十分必要的。 2. 1 金属有机物气相外延( MOVP E) 技术
LIU Yi2bing1、2
( 1. College of Electr ical and I nf or mation Eng ineer ing , H unan Univer sity , Changsha 410082, China; 2. Depa r tment of Mecha nical a nd Electr ical Engineer ing , Shaoya ng P r of essiona l2Technology Col lege, Shaoya ng 422000, China)
