MOCVD生长GaN基蓝光LED外延片的研究

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1、LED外延片及知名生产企业介绍外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石（Al2O3）和SiC，Si）上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。  目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。基本原理Ⅲ-V族氮化合物InN、GaN、AIN及其合金材料，其带隙宽度从1.9eV至6.2eV，覆盖了可见光及紫外光光谱的范围。GaN材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，对GaN材料的研究与应用是当今全球半导体研究的前沿和热点，市场上的蓝光及紫光LED都是采用GaN基材料生产出来的。GaN是极稳定的化

2、合物和坚硬的高熔点材料，也是直接跃迁的宽带隙半导体料，不仅具有良好的物理和化学性质，而且具有电子饱和速率高、热导率好、禁带宽度大和介电常数小等特点和强的抗辐照 能力，可用来制备稳定性能好、寿命长、耐腐蚀和耐高温的大功率器件，目前广泛应用于光电子、蓝光LED、紫光探测器、高温大功率器件和高频微波器件等光电器件。   制备高质量的GaN基材料和薄膜单晶材料，是研制和开发发光外延材料及器件性能的前提条件。目前市场上还没有哪家公司能生产两寸的高质量的GaN单晶衬底，即使有GaN单晶衬底，价格也相当的昂贵。现在大多数公司使用的衬底材料都是兰宝石（Al2O3），虽然它与GaN

3、晶格失配达13.8%，在兰宝石衬底上生长的GaN薄膜材料会有非常高的位错密度，但成本低、价格低廉，工艺也比较成熟，在高温下有良好的稳定性。     MOCVD工艺       金属有机物化学气相淀积（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD），1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色

4、或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。各个公司的MOCVD生产工艺各不相同。以ThomasSwan公司生产的立式CCS-MOCVD系统的工艺为例：在低压（100Torr）下生长GaN，所用的衬底材料是蓝宝石（Al2O3），三甲基镓（TMG）、三甲基铟（TMIn）和蓝氨（NH3）分别作为Ga源、In源和N源，硅烷（SiH4）和Cp2Mg分别为n、p型掺杂剂，载气为高纯度的H2和N2。生长过程如下：首先，将蓝宝石衬底在H2的气氛下加热到1050℃，烘烤5分钟，再降温到530℃。用5000ml/m的氨气氮化60秒钟后再生长缓冲层，NH3和

5、TMG的流量分别是5000ml/min和30μmol/min；生长出厚度为25nm的GaN缓冲层，升温使缓冲层重新结晶，生长Si掺杂的n-GaN单晶层和Mg掺杂的p-AlGaN/GaN单晶层。衬底氨化时间的长短和生长GaN缓冲层镓量与氨量的化学计量比是引起InGaN/GaNMQWLED外延片性能的主要因素。如果处理好，对生长的外延片的性能包括晶体品质、正向电压、光强、反向漏电流、波长均匀性、FWHM等和芯片、器件的性能都非常大的改善和提高。主要生产企业　　日亚化工（株）       日亚化工是GaN系的开拓者，在LED和激光领域居世界首位。在蓝色、白色LED市场遥

6、遥领先于其他同类企业。它以蓝色LED的开发而闻名于全球，与此同时，它又是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化工厂商。它的荧光粉生产在日本国内市场占据70％的比例，在全球则占据36％的市场份额。荧光粉除了灯具专用的以外，还有CRT专用、PDP专用、X光专用等类型，这成为日亚化工扩大LED事业的坚实基础。除此以外，日亚化工还生产磁性材料、电池材料以及薄膜材料等精细化工制品，广泛地涉足于光的各个领域。        在该公司LED的生产当中，70％是白色LED，主要有单色芯片型和RGB三色型两大类型。此外，该公司是世界上唯一一家可以同时量产蓝色LED和紫外线LED两种产

7、品的厂商。以此为基础，日亚化工不断开发出新产品，特别是在SMD（表面封装）型的高能LED方面，新品层出不穷。       2004年10月，日亚化工开发出了发光效率为50lm/W的高能白色LED。该产品成功地将之前量产产品约20lm/W的发光效率提高了2.5倍。同月底，日亚化工开始向特定客户提供这种产品的样品，并计划在2005年夏季之前使其月产量达到100万个。新LED主要针对车载专用前灯和照明市场。它的光亮度胜过HID光源，因此对目前占据15％车前灯市场的HID光源（HighIntensityCischarge）构成了很大的威胁。日亚化工于2006年上半年正式批

8、量生产该产