典型LED外延结构
1. 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、低温条件下通入TMGa，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。 目前通用的是低温GaN缓冲层技术。大约 在500-600度。
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3E Semiconductor
MOCVD简介
表面反应原理
Ga(CH3)3 + NH3 = GaN +3CH4
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MOCVD简介
工艺材料
半导体简介
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，室温电阻率ρ介于金 属与绝缘体之间
金属 < 10−6 (Ω·cm) 半导体 10−3 ∼ 106 (Ω·cm) 绝缘体 > 1012 (Ω·cm)
半导体有两种载流子 电子(electron, negative)和空穴(hole, positive)
它可以直接把电转化为光。
发光原理：在外加电场的作用下,n型半导体载流子电子、p型半导体载流子空
穴，这两种载流子进入量子阱中并相互结合，发出不同波长的光。
LED基本构造
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GaN 简介
六方纤锌矿结构的GaN
• 通常可以用波长来表达人眼所 能感受到的可见光的辐射能量。
人眼所能见的可见光的光波只占宽阔的电磁 波谱家族中的很小空间。
各种颜色光的波长
光色
红（Red） 橙（Orange） 黄（Yellow） 绿（Green） 青（Cyan） 蓝（Blue） 紫（Violet）
波长λ（nm)
780～630
代表波长
P-N结：通过p型和n型半导体材料紧密接触而形成的结。 半导体种类: • 单质半导体：Si、Ge • 化合物半导体：GaN、GaAs、GaP、ZnO、SiC
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半导体简介
N-tape
P-tape
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MOCVD简介
MOCVD反应的基本原理
MOCVD 的工作原理大致为：当有机源处于某一恒定温度时，其饱和蒸汽压是一定 的；通过流量计（MFC）控制载气的流量，就可知载气流经有机源时携带的有机源 的量；多路载气携带不同的源输运到反应室入口混合，然后输送到衬底处，在高温
作用下发生化学反应，在衬底上外延生长；反应副产物经尾气管路排出。
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典型LED外延结构
4. MQW
• 超晶格结构发光层，主要由阱与垒反复叠加构 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。阱层很薄，和垒层相间分布， 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TEGa提供Ga源。阱层的温度和In源的 掺杂浓度决定了发光波长。垒层使用相对较高 的温度以提高结晶质量。
700
630～600
600～570 570～500 500～470 470～420 420～380
620
580 550 500 450 420
• 光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带
宽度Ｅg有关，即 λ≈1240/Eg（mm） • 电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量， 大小为禁带宽度Eg。
2. 外延技术
• 液相外延（LPE）：生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。 • 金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD）： 精确控制晶体 生长、重复性好、产量大，适合工业化大生产。 • 氢化物气相外延（HVPE）：近几年在MOCVD基 础上发展起来的，适应于Ⅲ-Ⅴ 氮化物半导体薄膜 外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量 较差。 • 分子束外延（MBE）：超高真空系统，可精确控 制晶体生长，晶体界面陡峭 ， 晶格质量非常好， 但生长速率慢，成本高，常用于研究机构。
GaN是宽禁带直接带隙半导体，禁带宽度约为3.4ev.
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外延简介
1928年Royer提出了外延（Epitaxy）一词，意思是“在……之上 排列”。它是指在具
有一定结晶取向的原有晶体（衬底）上延伸出 按一定晶体学方向生长薄膜的方法，这
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外延基础
p-GaN:Mg
Active Well : InGaN Barrier InGaN n-Clad N+-GaN:Si GaN Buffer
0.15um
30A 70A 1.8um 0.7um 4 um/250A
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Bake
HP-nGaN
LP-nGaN TB TW EB EW LB P-SLS P-GaN
LT-nGaN DB DW
P-InGaN
Buffer
外延基础
PSS衬底
PSS: Patterned Sapphire Substrate (图形化衬底)
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外延简介
同质外延：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如：nGaN:Si上生长pGaN:Mg）
异质外延：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生 长在一起形成的结，称为异质结。（如：GaN上生长AlGaN） 量子阱(Quantum Well)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子 波函数不发生交迭
• Eg越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会
蓝移。反之， Eg越小，所发出的光子波长就越 长，颜色就会红移。 • 若要产生可见光（波长在380nm紫光～780nm 红光），半导体材料的Eg应该在1.59～3.8eV之
间。
用不同颜色及数目LED加荧光粉所做成的白光LED的优点及缺点
LED简介
LED (Light Emitting Diode)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，
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典型LED外延结构
3. 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。
外延基础
(a) 密集的、取向 比较一致的小 岛 (b) 许多单个大岛 (c) 以大岛为核心 在水平和垂直 两个方向生长 (d)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。
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的周期性结构，称为量子阱。（如：InGaN/GaN/InGaN...）
GaN
MQW 异质外延
蓝宝石衬底
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MOCVD简介
Veeco K465i
Veeco C4
Aixtron Crius ii
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• •
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五、典型LED外延结构
2. uGaN
• • • U2层(Recover)，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，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。
•
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典型LED外延结构
6. pGaN
p型层为量子阱注入空穴。 生长GaN时加入Cp2Mg， Mg原子会取代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。
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LED基础知识及外延工艺
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纲 要
LED的发光原理 LED的特点 白光LED的实现 外延基础知识
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• LED是“light emitting diode”的 英文缩写。 • 中文名:发光二极管。 • LED是一种将电能转换为光能 的固体半导体器件。 • LED实质性核心结构是由元素 谱中的Ⅲ-Ⅳ族化合物材料构成 的p-n结。