半导体基础知识

1、外延基础知识1、 基本概念能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数n 决定，每一确定能量值称为一个能级。能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。 （晶体中电子能量状态可用能带描述）导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。 （价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带）直接带隙：导带底和价带顶位于k 空间同一位置。间接带隙：导带底和价带顶位于k 空间不同位置。同质结： 组成 pn 结的 p 型区和 n 型区是同种材

2、料。 （ 如红黄光中的： gaas 上生长 gaas, 蓝绿光中： u（undope） gan 上生长 n（dope） gan ）异质结：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。 （如蓝绿光中： gan 上生长 al gan ）超晶格（ superlatic ） ：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭）的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。量子阱 （qw） ：通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种） 。2、 半导体1. 分类：元素半导体：

3、si 、 ge 化合物半导体：gaas、inp、gan（w-v）、znse（u-vi）、sic2. 化合物半导体优点：a. 调节材料组分易形成直接带隙材料， 有高的光电转换效率。 （光电器件一般选用直接带隙材料）b. 高电子迁移率。c. 可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。3. 半导体杂质和缺陷杂质：替位式杂质（有效掺杂）间隙式杂质缺陷：点缺陷：如空位、间隙原子线缺陷：如位错面缺陷： （即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错4. 外延技术lpe:液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮led常用此生长方法）mocvd （也称 movpe ） ： metal org

4、anic chemical vapour deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长:重复性好:产量大:适合工业化大生产。hvpe:氢化物汽相外延，是近几年在mocvd基础上发展起来的，适应于w-v氮化物半导体薄膜和超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快:但晶格质量较差。mbe ：分子束外延:可精确控制晶体生长:生长出的晶体异常光滑:晶格质量非常好:但生长速率慢:难以用于工业化大生产。3、 mocvd 设备1. 发展史：国际上起源于 80 年代初:我国在 80 年代中（ 85 年） 。国际上发展特点：专业化分工:我国发展特点：小而全:小作坊式。技术条件：a.mo源：难合成，操作困难

5、。b.设备控制精度：流量及压力控制c.反应室设计： vecco:高速旋转aixtron:气浮式旋转tomax swan :ccs系统（结合前两种设备特点）nichia:双流式2. mocvd 组成常用mo源：tmga（三甲基钱，液态）tmal （三甲基铝，液态）tmin （三甲基锢，固态，现已有液态）tega （三乙基钱，液态）cp2mg （二茂基镁，固态，现已有液态）载气为纯度很高（99.999999% ）的氢气和氮气特气：高纯度（99.9999% ）的ash3（碑烷，液态）ph3 （磷烷，液态）si2h6 （乙硅烷，气态）（前三种为红黄光生产使用）nh3 （氨气，液态）sih4 （硅烷，气

6、态）（后两种为蓝绿光生产使用）气控单元：主要由 mfc （流量计）、pc （压力计）和一些管道组成，用于气体的控制和输送。控制单元：根据pc机输入的生长程序，对工艺进行控制。反应室：a.按压力分可分为常压反应室（如 nichia公司的设备）和低压反应室（如 veeco和aixtron 公司 的设备）。两者区别：气体流速。低压反应室优点：气体切换快，停滞层薄，预反应小，界面转换快。b.按形状分：水平式（aixtron ）、立式（vecco和tomax swan ）、桶式（常用于 si外延）和双流式（nichia ）。衬底：红黄光生长用 gaas（碎化钱），蓝绿光生长用al2o3（蓝宝石）（最通用

7、）、sic （cree）和gaas（碎化钱卜 si（硅）（后两种仍处于实验室阶段）等。尾气处理器：主要用于生长后的废气处理，使其达到无污染排放。红黄光生长产生尾气用化学尾气处理器处 理，蓝绿光生长产生的尾气用湿法尾气处理器处理。4、 led的mocvd 外延生长1 .基本反应：红黄光：tmga+ash3 k gaas+ch4tmga+ph3 gap+ch4蓝绿光：tmga+ nh3 -gan+ch4反应特点：a.远离化学平衡：v / m 1b.晶体生长速率主要由w族元素决定2 .外延层结构及生长过程（1）红黄光ledp-gap p1*10 18p-(al 0.95ga0.05)0.5ln0.5

8、p p2*10 17active layer(mqw)n-(al 0.95ga0.05)0.5ln 0.5p n5*10 17dbr(gaas/alas) n1*1018gaas buffer n1*1018 n-gaas（100）衬底a.首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。b.生长一层gaas buffer（缓冲层），其晶格质量较衬底好，可除衬底影响，但不能消除位错。c.生长一套dbr （分布布拉格反射器）。它是利用gaas和alas反射率不同，可达到增反射效果， 提高反射率。每层厚度：d= 2/4n（d:厚度，入：波长，n：材料折射率）,这一层相当于镜子的作用，减少衬底的吸收。d. 生长

9、一层n型（al 0.95ga0.05）0.5ln 0.5p ,为active layer（有源区）提供辐射复合电子。e. actrive layer （有源层）,其成分是（alxga1-x）0.5ln0.5p /（al yga1-y）0.5ln 0.5p,是主要的发光层，光强 和波长主要由此层决定。它通过调节mqw （多量子阱）中的al（铝）的组分，达到调节波长的作用，通过优化此层的参数（如：阱的个数，材料组分，量子阱周期厚度），可明显提高发光效率。f. 生长一层p型（al0.95ga0.05）0.5ln0.5p,此层因al组分很高，对载流子起到限制的作用，可明显提高发光效率。g.生长一层p型

10、gap层，此层为电流扩展层，扩展层越厚，电流扩展得越好，亮度越高。（但有一个成本问题）(2)蓝绿光ledp-electrodep-gan(p: 3-5 x1017cm-3)p-alganactive layer(mqw)n-electrode n-gan（4 g, n:3-5 x1018cm-3）1pbuffersapphirea.首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。b.因al2o3 与gan失配非常大（达到 13.6%）,因此必须在低温下生长一层buffer（缓冲层）约2030nm ,若此层生长有问题，将极大影响上层晶格质量。c.生长一层约4师厚的n型gan,此层主要为active lay

11、er （有源层），提供辐射复合电子。h. 生长一套active layer（mqw）,其成分是inxga1-xn/gan ,是主要的发光层，光强和波长主要由此层决定。它通过调节 mqw （多量子阱）中的in（锢）的组分，达到调节波长的作用，通过优化此层 的参数（如：阱的个数，材料组分，量子阱周期厚度及掺杂浓度），可明显提高发光效率，其晶格质量对esd有很大的影响。i. 生长一层p型alxga1-xn层,因此层al组分较高，对载流子起到限制的作用， 可明显提高发光效率。d.生长一层p型gan ,为active layer（有源区）提供辐射复合电子。红黄光和蓝绿光外延生长完后均须退火，以活化p层，

12、红黄光是在反应室内退火，而蓝绿光是在退火炉内退火（也有公司在反应室内退火）。外延生长以提高内量子效率为主，芯片及封装工艺提高的是外量子效率。hn=产生光子数/注入电子空穴对hn:内量子效率rex=取出光子数/注入电子空穴对t）ex ：外量子效率3 .测试测试项目显微镜plx raye- cvel测试项目观察其表面形 貌，一旦出现异 常（如:有黑 点），将隔离处 理测量外延片的 光致发光波长， 相对强度，fwhm （半高 宽），整炉波长 均匀性测量外延片晶格 质量（用fwhm :半高宽 表不），材料组 分，量子阱周期 其厚度测量外延片 的掺杂浓度测量外延片20ma下的光 强和波长测试频率每炉都做视机台而定视机台而定gaas专用每炉都做外延工艺测试主要有：显微镜观察,pl （光致发光），x-ray , e-cv （电化学）和 el （电致发光）4 .发展方向p型层），采用 bonding 技术gaas:提高外量子效率，如：加厚 p-gap ,采用表面粗化技术（粗化（bonding 金属）。gan :提高内量子效率，如