LED器件外延工艺概括

LED器件及外延

工艺介绍LED介绍

LED是取自LightEmittingDiode三个字的缩写，中文译为“发光二极管”，顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。什么是LED?LED光源的特点

电压：LED使用低压电源，单颗电压在1.9-4V之间，比使用高压电源更安全的电源。效能：光效高，目前实验室最高光效已达到254lm/w（cree）,是目前光效最高的照明产品。抗震性：LED是固态光源，由于它的特殊性，具有其他光源产品不能比拟的抗震性。稳定性：10万小时，光衰为初始的70%响应时间：LED灯的响应时间为纳秒级，是目前所有光源中响应时间最快的产品。

环保：无金属汞等对身体有害物质。颜色：LED的带快相当窄，所发光颜色纯，无杂色光，覆盖整过可见光的全部波段，且可由R\G\B组合成任何想要可见光。LED色彩丰富由于LED带宽比较窄，颜色纯度高，因此LED的色彩比其他光源的色彩丰富得多。

据有关专家计算，LED的色彩比其他光源丰富30%,因此，它能够更准确的反应物体的真实性，当然也更受消费者的青睐！LED发光原理发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注

入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。LED发展简介

1962年,GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓（GaAsP）半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程。

80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAsLED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯(CHMSL)设备。

1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。

1993年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了第一只蓝色发光二极管，由此引发了对GaN基LED研究和开发的热潮。

20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。随着技术的不断进步，近年来白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已经达到38lm/W，实验室研究成果可以达到70lm/W，大大超过白炽灯，向荧光灯逼近。LED发展简介

半导体照明的发展非常迅速。统计表明，自上世纪60年代诞生以来，每隔十年，LED成本下降十倍而发光效率提高十倍。2006年，日本日亚化学（Nichia）实现了150Lm/W的发光效率，比美国光电工业发展协会（OIDA）设定的目标提早了6年。而几年前市场憧憬2010年才能商业化的瓦级单灯，在2006年就已进入商用，目前已相当普及。

2009年2月，日本发光二极管厂商日亚化工（Nichia）发表了效率高达249lm/W的发光二极管，此乃实验室数据。2012年4月、美国发光二极管大厂科锐(Cree)推出254lm/W光效再度刷新功率。蓝光LED

到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。在很长的一段时间内都无法提供发射蓝光的LED第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期（日亚公司1993宣布，中村修二博士发明），再一次利用金钢砂—早期的半导体光源的障碍物。依当今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光LED一样光源暗淡。90年代中期，出现了超亮度的氮化镓（GaN)LED。当前制造蓝光LED的晶体外延材料是氮化铟镓(InGaN)。氮化铟镓LED可以产生五倍于氮化镓LED的光强。超亮度蓝光芯片是白光LED的核心，在这个发光芯片上抹上荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自芯片上的蓝色光源再转化为白光，利用这种技术可制造出任何可见颜色的光。近期开发的LED不仅能发射出纯紫外光而且能发射出真实的“黑色”紫外光LED的发展不单纯是它的颜色还有它的亮度，像计算机一样，遵守摩尔定律的发展，即每隔18个月它的亮度就会增加一倍，曾经暗淡的发光二极管现在真正预示着LED新时代的来临。2：LED主要类别：35285050(PLCC6)常规1W大功率￠3mm食人鱼5mm厚边草帽平头食人鱼￠5mm食人鱼侧发光大功率外形2大功率外形3DIPSMDHIGHPOWER大功率外形4C3535小中大3：颜色(有色光)红色光：630nm-620nm-橙红

橙色光：580-595-琥珀色光绿色：

525nm-纯绿色蓝色：470nm-460nm

450nm-纯蓝色；UV-A型紫外线光：

370nm-几乎是不可见光色温(白光)冷白(7000-12000K),正白(6000-7000K)暖白(2700-3500K)商业白（3500－5000K）白光LED的实现方法

一、配色，白平衡白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为69%，红色的亮度为21％，蓝色的亮度为10％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的

亮度得到白色光，称为配色。

二、LED采用荧光粉实现白光主要有三种方法，但它们并没有完全成熟，由此严重地影响白光LED在照明领域的应用。

白光LED的实现方法第一种方法是：在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光。该技术被日本Nichia公司垄断，而且这种方案的一个原理性的缺点就是该荧光体中Ce3＋离子的发射光谱不具连续光谱特性，显色性较差，难以满足低色温照明的要求。同时发光效率还不够高，需要通过开发新型的高效荧光粉来改善。第二种方法是：在蓝色LED芯片上涂敷绿色和红色荧光粉，通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光。该类产品虽显色性较好，但所用荧光粉的转换效率较低，尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提高，因此推广也较慢。白光LED的实现方法

第三种方法：在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉，利用该芯片发射的长波紫外光（370nm－380nm）或紫光（380nm－410nm）来激发荧光粉，从而实现白光发射。该种LED的显色性更好，但存在与第二种方法类似的问题，且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体系。这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大，故还没批量使用。其他方法：在特殊的场合，白光LED还有其他几种封装方法。这里简单的介绍一下：第一种：将红、蓝、绿三芯片封装在一起，按照一定的比例对其光色进行控制，混出白光。第二种：实现方法是用红、蓝、绿、黄四芯片混出白光。白光LED色区的划分蓝色芯片加黄色荧光粉所制成白光LED，是目前白光LED制造的主流，由于制程的缺陷，白光LED存在色差在所难免。如何划分LED的颜色才是最佳的呢，下面我来简单的介绍一下。市场上通常所说的3500K、4000K、6500k等等多少色温的说法其实不是很科学的，因为从CIE图中我们可以看出，同一色温在图中不是对应唯一的点，它跟色坐标是一对多的关系。为了解决这一问题，行业中通常将自己生产的LED对其色坐标进行归纳总结，最终将其肉眼看起来差别不明显的LED归到一起，这样分选出来的LED在CIE中就对应了一个小小区域，这就是色区。用色区来划分LED产品，是整过行业通用的方法，请看下图：白光LED色区的划分WhiteBinningInformation4：功率小功率：~20mA(~0.06W)中功率:150mA(~0.5W)大功率:350mA以上5：芯片的构成：由金垫，P极，N极，PN结，背金层构成（双pad芯片无背金层）。芯片的分类：1.1按组成分：二元：如GaAs(砷化镓)，GaP（磷化镓）等三元：InGaN(氮化铟镓)，GaAlAs(砷化镓铝)，GaAsP(磷化镓砷)等四元：AlGaInP（铝镓铟磷）.AlGaInAs（铝镓磷砷）1.2按极性分：

P/N极芯片（正极性）

N/P极芯片（反极性）双电极（蓝，绿，紫光）1.3按发光类型分：表面发光型:光线大部分从芯片表面发出五面发光型：表面，侧面都有较多的光线射出1.4按发光颜色分：红，橙，黄，黄绿，纯绿，蓝绿，蓝，紫光

1.5按芯片的大小尺寸分：

8mil9mil10mil12mil(红，橙，黄，黄绿）12mil14mil

（蓝，绿，紫光）

1.6按功耗分:低功率(毫瓦级),中功率(百毫瓦级),高功率(大于1W)LED芯片厂商LED照明芯片作为上游产业核心链条，技术的发展将直接带动照明市场格局的变化，目前全球LED芯片市场格式分为三大阵营：第一阵营：日本、欧美为代表厂商。全球五大LED巨头日亚化学、Cree、Osram、PhilipsLumiLeds、丰田合成为代表。美国的SemiLEDs’HPLEDs、日本的东芝、松下和夏普在这阵营中也有一席之地，韩国的三星、SSC、LG也在快速崛起。这个阵营技术一流，专利丰厚，在超高亮度LED领域耕耘多年，目标市场是通用照明以及汽车照明。日韩企业会少量兼顾消费类电子产品背光用LED，欧美企业则对消费类电子产品背光用LED没有多大兴趣。第二阵营：韩国和中国台湾为代表的厂家。韩国Epivalley、台湾晶元光电、光磊、广镓光电、璨圆、鼎元、泰谷光电、新世纪等为代表。这个阵营的厂家拥有消费类电子完整产业链，关注消费类电子产品背光用LED，其技术与欧日美企业有差距，尤其是通用照明领域，目前正在享受高速成长期。第三阵营：中国大陆为代表的厂家。中国大陆厂家规模小，数量分散，主要从事四元黄绿光LED生产，主要用于户外景观、装饰或广告。国内分布格局：2009年中国LED芯片行业的总产值为20多亿元人民币，15个省/直辖市都有企业进入LED芯片行业，广东、福建企业数量明显领先于其他地区，广东有10个占16.1%，福建有8个占12.9%。广东、福建、上海、河北、江苏、江西、辽宁7个国家半导体照明产业化基地所在的省/直辖市LED芯片企业合计41个，约占LED芯片企业总数的2/3。山东、湖北、浙江LED芯片企业数量也都在4个以上。国内LED外延生长和芯片制造的主要企业有厦门三安、大连路美、杭州士兰明芯、上海蓝光、上海蓝宝、山东华光、江西晶能光电、河北同辉、沈阳方大、厦门干照、江西联创、南昌欣磊、上海大晨、上海宇体、深圳世纪晶源、深圳奥伦德、扬州华夏集成、廊坊清芯、甘肃新天电、武汉迪源、西安中为、广州普光、东莞福地，以及“外资血统”企业如武汉华灿、厦门晶宇、厦门明达和晋江晶蓝等。其中，三安主攻LED背光市场，士兰微主攻LED户外显示屏市场，迪源和蓝宝主攻大功率高亮度照明市场，华灿主攻室内照明市场，蓝光也以小功率LED照明市场为主。LED封装厂商中国大陆和台湾地区进入led产业较晚，led企业的资金实力、技术水平与欧、美、日企业有一定差距，因而多专注于产业链的某个环节、走专业化道路。随着，中国大陆和台湾地区企业在资金实力和技术水平的提升，目前在封装领域，发光效率、显色指数等主要指标方面国内外已不存在明显差距。台湾在外延片及芯片产能上全球最大，Led封装产量全球第一，产值全球第二，以光磊、晶电、光宝、亿光、佰鸿、宏齐、东贝等为代表。国内led封装企业的特点是规模小、数量多，为500家～600家，具有一定规模，销售在千万元以上的企业约100家，初步形成了GaN基LED外延片生产、LED芯片制备、LED封装和应用的较完整的工业体系和相应的研究体系，以三安光电、杭州士兰明芯、山东华光、佛山国星光电、厦门华联、江苏稳润、广州鸿利、上海三思、深圳联创健和、北京世纪澄通等为代表。此外，普通led照明市场已处于低价低层次的竞争态势；在中高端市场，高质量照明led和贴片式led的产业化关键生产技术仍只被少数大型企业掌握，行业进入门槛仍然较高。近年来，基于劳动力和市场等因素，全球led产业不断向中国大陆转移，台湾亿光、佰鸿及国外行业龙头开始在大陆设厂，预计未来5-10年内，珠三角、长三角、福建等地区会成为世界led封装中心。LED应用产品企业国际led企业厂商包括：欧司朗(osram)、ge照明(gelighting)、飞利浦(philips)、库柏照明(cooper)、索恩照明(thorn)等。国内生产企业包括：勤上光电、TCL照明、史福特、真明丽、国星光电、富士康、佰鸿工业、宁波燎原、德士达光电、中微光电子、上海亚明、通士达、大连路明、中企实业、品能光电、邦贝尔、良业照明、晶日照明、德豪润达、雷曼光电、斯派史光电、浙江名芯等上千家企业。中国led照明产业已经形成珠三角、长三角、北方地区、江西及福建地区四大半导体照明产业聚集区域，上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七大国家半导体照明工程产业化基地。6：

LED发展趋势

LED产业前景

在全球能源短缺、环保要求不断提高的情况下，已结束的2008年北京奥运会和2010年上海世博会都不约而同地以绿色节能为主题，这给中国LED照明产业的发展带来了巨大的历史机遇。

据国内有关机构预测，在奥运、世博的强力带动下，中国LED照明市场规模将从2007年的48.5亿元快速增长至2010年的98.1亿元，，北京奥运会上，LED照明技术在奥运历史上首次大规模使用并获得成功。据官方统计，北京奥运会总共包括36个比赛场馆，其照明产品需求就达5亿元左右，这还不包括奥运村、奥运花园等其他公共照明设施市场。实例“水立方”

LED照明除了比用常规照明至少节能60%以外，还拥有长寿命、易集成、快响应、利环保、光分布易于控制、色彩丰富等优势。以“水立方”为例，仅使用LED灯的“水立方”景观照明工程，预计全年可比传统的荧光灯节电74.5万千瓦时，节能达70%以上。实例“梦幻长卷”和“梦幻五环”相信奥运会开幕式的“梦幻长卷”和“梦幻五环”大家还记忆犹新，它被展现在一个4564平方米的巨大LED大屏幕上，这是迄今为止世界上最大的单体全彩色大屏幕，升入空中的“梦幻五环”，则是由4.5万颗LED灯编排而成的。梦幻五环梦幻长卷LED优点1.使用寿命：用寿命高达50,000小时以上2.节能：比高压钠灯节电80%以上3.绿色环保。大功率LED路灯不含铅、汞等污染元素，对环境没有任何污染4.安全：耐冲击，抗震力强，led发的光在可见光范围内，无紫外线（UV）和红外（IR）辐射。无灯丝和玻璃外壳，没有传统灯管碎裂的问题，对人体无伤害、无辐射；5.无高压，不吸灰尘。消除了普通路灯因高压吸收灰尘导致灯罩发黑引起的亮度降低；6.无高温，灯罩不会老化发黄。消除了普通路灯因高温烘烤灯罩使其老化发黄引起的亮度降低和寿命的缩短；

7.启动无延时。led在纳秒级，通电即达正常亮度，无须等待，消除了传统LED路灯长时间的启动过程；8.无频闪。纯直流工作，消除了传统路灯频闪引起的视觉疲劳；9.无不良眩光。消除普通大功率LED路灯的不良眩光所引起的刺眼、视觉疲劳与视线干扰，提高驾驶的安全性，减少交通事故的发生。10.柔性化好——ＬＥＤ光源的精巧，使ＬＥＤ灯能适应各种几何尺寸和不同空间大小的装饰照明要求，诸如：点、线、面、球、异形式，乃至任意艺术造型的灯光雕塑；11.色彩纯厚——由半导体ＰＮ结自身产生色彩，纯正，浓厚；色彩丰富——三基色加数码技术，可演变任意色彩；8：大功率LED：LED光源----大功率LED大功率LED:广义上说就是单颗LED光源功率大于0.35W(含0.35W)的。LED光源内部结构由N个1WLED芯片通过串并联的方式连接并封装在一个LED支架里的光源，常用有10W，20W，30W，50W，70W，100W，150W。LED光源----集成式LEDLED光源----集成式LED应用标准型LED将逐年衰退超高亮度LED将快速发展未来大功率LED照明成为市场主流红光ＬＥＤ温度效应最明显不同颜色LED热效应不同高功率LED的定义一般传统LED驱动电流为20mA、顺向电压3.5V、

功率消耗约0.07W转换成光通量约4~5流明(70lm/W)。highpowerLED一般泛称驱动电流在350mA以上电功率都在1W以上,单颗LED可发出在60lm左右。提升效率的方法使用铟锡氧化物(IndiumTinOxide;ITO)当电流传输层。采用覆晶结构(Flip-chip)。将光输出表面粗糙化。使用垂直电极(VerticalElectrode)。使用22°底切侧壁。使用图形化的蓝宝石基板。使用电流阻挡层(CurrentBlockLayer)。使用氧化镍/铟锡氧化物欧姆接触。在MQW与p-GaN层之间多做一层p-AlGaN。HighPowerLED的挑战仰制温度上升：整体发光效率约10%~15%，其余转成热，造成温度上升。

确保使用寿命：高温会使封装树劣化，发光效率降低。改善发光效率：寻找发光效率更高材料。HighPowerLED的挑战首先是强化光转效率，这也是最根源之道，现有LED中，仅有15％~20％被转化成光能，其余都被转化成热能。提升转换效率的重点就在p-n接面上，p-n接面是LED主要的发光发热位置，透过p-n接面的结构设计改变可提升转化效率。高温时的缺点ＴJ升高时的光输出效率降低。可靠性降低ＴJ升高时发光体颜色会略向较高的波长偏移温度所造成的影响Lumileds公司Luxeon系列封装散热路径为下方的金属，内部封装改为硅树脂，获得更好的机械特性。它非常柔软，对紫外线照射和高强度蓝光具有更强的抵抗能力。未来发展

高亮度LED技术的飞速发展使高亮度LED成为普通照明光源的时日越来越近。高亮度LED发光效率、寿命以及光输出的明显改善激活了高亮度LED照明应用的早期专用市场，看好高亮度LED照明的人士深受鼓舞，并相信其将对未来十年照明市场产生重要影响。世界各大LED芯片制造商的技术优势科锐（CREE）

科锐公司是市场上领先的革新者与半导体的制造商，以显着地提高固态照明，电力及通讯产品的能源效果来提高它们的价值。

科锐的市场优势关键来源于公司在有氮化镓（GaN）的碳化硅（SiC）方面上独一的材料专长知识，来制造芯片及成套的器件。这些芯片及成套的器件可在很小的空间里用更大的功率，同时比别的现有技术，材料及产品放热更少。

欧司朗是世界上两大光源制造商之一，总部设在德国慕尼黑，研发和制造基地在马来西亚，是西门子全资子公司。2007财政年度（截至2007年9月30日），Osram全球销售业绩高达47亿欧元。

欧司朗的客户遍布全球近150个国家和地区。凭借着创新照明技术和解决方案，Osram不断开发人造光源的新领域，产品广泛使用在公共场所、办公室、工厂、家庭以及汽车照明各领域。飞利浦（PHILIPS）

飞利浦照明为所有领域提供先进的高效节能解决方案，包括：道路、办公室、工业、娱乐和家居照明等。在构筑未来的新型照明的应用和技术使用上，Philips也位居领导地位，例如LED技术。公司主要产品包括，氙汽车灯、道路照明、氛围照明。

飞利浦确立在LED芯片领域的领导地位主要得益于对Lumileds的收购，Lumileds由安捷伦和飞利浦合资组建于1999年，2005年Philips完全收购了该公司。PhilipsLumileds可提供各种LED芯片和LED封装，有红、绿、蓝、琥珀、及白光等LED产品。日亚（Nichia）日亚化学，著名LED芯片制造商，日本公司，成立于1956年，开发出世界第一颗蓝色LED（1993年），世界第一颗纯绿LED（1995年），在世界各地建有子公司。日亚化学公司以“EverResearchingforaBrighterWorld”为宗旨，迄今致力于制造及销售以荧光粉（无机荧光粉）为中心的精密化学品。在研制发光物质的过程中，于1993年发表了震惊世界的蓝色LED以来，相继实现了紫外、黄色的氮化物LED及白色LED的商品化，大幅度扩大了LED的应用领域。此外，日亚化学公司正大力开发对于信息媒介的发展不可缺的紫蓝色激光半导体，希望将来氮化物半导体能成为半导体产业中重要领域的一部

首尔半导体（SeoulSemiconductor）首尔半导体近些年增长速度迅速，已荣升世界顶级LED芯片制造商之列。据英国市场调研公司IMSResearch的报告显示，首尔半导体2007年LED封装产品的总收入位居世界第四位。首尔半导体的主要业务乃生产全线LED封装及定制模块产品，包括采用交流电驱动的半导体光源产品如：Acriche、高亮度大功率LED、侧光LED、顶光LED、贴片LED、插件LED及食人鱼（超强光）LED等。产品已广泛应用于一般照明、显示屏照明、移动电话背光源、电视、手提电脑、汽车照明、家居用品及交通讯号等范畴之中。丰田合成（ToyodaGosei）丰田合成，总部位于日本爱知，生产汽车部件和LED,LED约占收入10%.I[灯具效率]

灯具效率(也叫光输出系数)是衡量灯具利用能量效率的重要标准，它是灯具输出的光能量与灯具裸光源输出的光能量之间的比例。

[LED灯寿命]

LED从初装到光衰不超过30%的时间。目前理论值为5-10万小时。90%使用光源LED荧光灯普通灯泡高压钠灯光源光效90流明/瓦80流明/瓦20流明/瓦100流明/瓦电源效率90%85%100%有效光照效率90%60%60%60%灯具(取光)效率90%60%60%60%寿命50000小时2000小时2000小时10000小时灯具总效率对照：(光源发展的历史：白炽灯→直管型荧光灯→高效电子节能灯→LED灯)各种光源灯具的实际效率各种光源灯具的实际效率：LED计算：90*0.90*0.90*0.9=65.6流明/瓦荧光灯计算：80*0.85*0.6*0.6=24.5流明/瓦普通灯泡计算：20*1*0.6*0.6=7.2流明/瓦高压钠灯计算：100*0.9*0.60*0.60=32.4流明/瓦可见，LED灯具实际效率是一般荧光灯的2.6倍，是普通白炽灯泡的9倍，是高压钠灯的2.02倍。即：LED灯钠灯之间功率可换算为：

75WLED灯=150W钠灯；

125WLED灯=250W钠灯；

225WLED灯=400W钠灯节省预算节省预算：按照一个灯泡来计算节省资金1、寿命计算节能灯的寿命一般在1800小时，按照每天6小时照明计算为300天。如果按照一个节能灯平均15元来计算，10年内要换至少10次灯泡，一万个节能灯泡在10年内要更换10万个节能灯泡。总花费（150万元）

LED灯泡的寿命我们按照最保守的时间来计算，10年内不用更换灯泡，每个灯泡以5W的功率就可取代15W的节能灯泡，每个灯泡价格在70元，那么1万个灯泡的价格是70万元，在灯泡方面可节省80万的费用。2、耗电计算节能灯：15W*6小时*365天=32.850W*0.8元*1万只=26.28万元

LED：5W*6小时*365天=10.95W*0.8=8.76元*1万只=8.76万元公园1万只灯每年可节省电费：17.52万元3、一次性投资计算一次性投资70万元，按照每年节省17.52万元计算，在4年收回投资，剩下的6年可节省105.12万元+80万元（灯泡更换费用），总共可节省185.12万元。照明术语光通量(φ)

是:

点光源或非点光源在单位时间内所发出的能量,其中可产生视觉者(人能感觉出来的辐射通量)即称为光通量。光通量的单位为流明(简写lm),1流明(lumen或lm)定义为一国际标准烛光的光源在单位立体弧角内所通过的光通量。

光照度：

可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为lx。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。发光强度：

简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd。Lcd是指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。光源辐射是均匀时，则光强为I=F/Ω，Ω为立体角，单位为球面度（sr）,F为光通量，单位是流明，对于点光源由I=F/4。左右。照明术语光亮度：表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比，单位是坎德拉/平方米。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。光效：光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源节能的重要指标。单位：每瓦流明（Lm/w）。显色性：光源对物体呈现的程度，即颜色的逼真程度。常称“显色指数”单位：Ra。色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。单位：开尔文（k）。光束角：通常称角度，指于垂直光束中心线之一平面上，发光强度等于50%最大发光强度的二个方向之间的夹角。

结温：是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。LED结温高低直接影响到LED出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等。是LED器件封装和器件应用设计必须着重解决的核心问题.

2：照明种类：居家照明商业照明道路照明汽车照明景观工程照明6：LED灯头LED核心器件生产流程衬底材料的选择衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面：[1]结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；[2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；[3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀；[4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小；[5]导电性好，能制成上下结构；[6]光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小；[7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；[8]价格低廉；[9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较

衬底材料Al2O3

SiCSiZnOGaN晶格失配度差中差良优界面特性良良良良优化学稳定性优优良差优导热性能差优优优优热失配度差中差差优导电性差优优优优光学性能优优差优优机械性能差差优良中价格中高低高高尺寸中中大中小氮化镓衬底用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料，这样可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其他衬底(如Al2O3、SiC)上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样获得的氮化镓厚膜优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位错密度，比在Al2O3

、SiC上外延的氮化镓薄膜的位错密度要明显低；但价格昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底之用受到限制。氮化镓衬底生产技术和设备从高压熔体中得到了单晶氮化镓体材料，但尺寸很小，无法使用，目前主要是在蓝宝石、硅、碳化硅衬底上生长。虽然在蓝宝石衬底上可以生产出中低档氮化镓发光二极管产品，但高档产品只能在氮化镓衬底上生产。目前只有日本几家公司能够提供氮化镓衬底，价格奇贵，一片2英寸衬底价格约1万美元，这些衬底全部由HVPE（氢化物气相外延）生产。HVPE是二十世纪六七十年代的技术，由于它生长速率很快（一分钟一微米以上），不能生长量子阱、超晶格等结构材料，在八十年代被MOCVD、MBE（分子束外延）等技术淘汰。然而，恰是由于它生长速率快，可以生长氮化镓衬底，这种技术又在“死灰复燃”并受到重视。可以断定，氮化镓衬底肯定会继续发展并形成产业化，HVPE技术必然会重新受到重视。与高温提拉法相比，HVPE方法更有望生产出可实用化的氮化镓衬底。不过国际上目前还没有商品化的设备出售。目前国内外研究氮化镓衬底是用MOCVD和HVPE两台设备分开进行的。即先用MOCVD生长0.1～1微米的结晶层，再用HVPE生长约300微米的氮化镓衬底层，最后将原衬底剥离、抛光等。由于生长一个衬底需要在两个生长室中分两次生长，需要降温、生长停顿、取出等过程，这样不可避免地会出现以下问题：①样品表面粘污；②生长停顿、降温造成表面再构，影响下次生长。

Al2O3衬底目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟；不足方面虽然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过激光划片所克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。国内外Al2O3衬底今后的研发任务是生长大直径的Al2O3单晶，向4-6英吋方向发展，以及降低杂质污染和提高表面抛光质量。SiC衬底

除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第二，目前还未有第三种衬底用于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。另外，SiC衬底吸收380nm以下的紫外光，不适合用来研发380nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要象Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题，故在发展中的半导体照明技术领域占有重要地位。目前国际上能提供商用的高质量的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。国内外SiC衬底今后研发的任务是大幅度降低制造成本和提高晶体结晶质量。Si衬底在硅衬底上制备发光二极管是本领域里梦寐以求的一件事情，因为一旦技术获得突破，外延生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。

目前国外文献报导的硅衬底上蓝光LED光功率最好水平是420mW，是德国Magdeburg大学研制的。日本Nagoya技术研究所今年在上海国际半导体照明论坛上报道的硅衬底上蓝光LED光输出功率为18mW。Si衬底上生产GaN外延外延衬底ZnO衬底之所以ZnO作为GaN外延的候选衬底，是因为他们两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配度非常小，禁带宽度接近（能带不连续值小，接触势垒小）。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。研发的重点是寻找合适的生长方法。但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。ZnO的禁带宽度为3.37eV，属直接带隙，和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380nm附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材料。这是因为，ZnO的激子束缚能高达60meV，比其他半导体材料高得多（GaN为26meV），因而具有比其他材料更高的发光效率。另外ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。因而，今后ZnO材料的生产是真正意义上的绿色生产，原材料锌和水资源丰富、价格便宜，有利于大规模生产和持续发展。蓝宝石晶体的生长方法

蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种:1:柴氏拉晶法(Czochralskimethod),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭.2:凯氏长晶法(Kyropoulosmethod),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种(SeedCrystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇.

两种方法的晶体生长示意图如下:

柴氏拉晶法(Czochralskimethod)之原理示意图

图6

凯氏长晶法(Kyropoulosmethod)之原理示意图

图73蓝宝石衬底加工流程

蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成.其相关制造流程如下:

蓝宝石晶体晶棒晶棒基片

蓝宝石晶棒制造工艺流程

蓝宝石晶棒加工流程

晶体晶棒长晶:利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体定向:确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工掏棒:以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒滚磨:用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度品检:确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格

机械加工

蓝宝石基片制造工艺流程晶棒基片定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,以便于精准切片加工切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的芯片研磨:去除切片时造成的芯片切割损伤层及改善芯片的平坦度倒角:将芯片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷抛光:改善芯片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度清洗:清除芯片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等)品检:以高精密检测仪器检验芯片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求

机械加工外延工艺由LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事实上，LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。发光二极管对外延片的技术主要有以下四条：①禁带宽度适合。②可获得电导率高的P型和N型材料。③可获得完整性好的优质晶体。④发光复合几率大。外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在，金属有机物化学气相淀积(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD)技术生长III-V族，II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。II、III族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3等，它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸汽，与V族的氢化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反应室，在加热的衬底表面发生反应，外延生长化合物晶体薄膜。CVDCVD是反应物以气态到达加热的衬底表面发生化学反应，形成固态薄膜和气态产物。利用化学气相淀积可以制备，从金属薄膜也可以制备无机薄膜。化学气相淀积种类很多，主要有：常压CVD（APCVD），低压CVD（LPCVD）、超低压CVD（VLPCVD）、等离子体增强型CVD（PECVD）、激光增强型CVD（LECVD），金属氧化物CVD（MOCVD），其他还有电子自旋共振CVD（ECRCVD）等方法按着淀积过程中发生化学的种类不同可以分为热解法、氧化法、还原法、水解法、混合反应等。CVD的优缺点CVD制备的薄膜最大的特点是致密性好、高效率、良好的台阶覆、孔盖能力、可以实现厚膜淀积、以及相对的低成本；缺点是淀积过程容易对薄膜表面形成污染、对环境的污染等常压CVD（APCVD）的特点是不需要很好的真空度、淀积速度非常快、反应受温度影响不大，淀积速度主要受反应气体的输运速度的影响。LPCVD的特点是其良好的扩散性（宏观表现为台阶覆盖能力），反应速度主要受淀积温度的影响比较大，另外温度梯度对淀积的薄膜性能（晶粒大小、应力等）有很大的影响。PECVD最大的特点是反应温度低（200－400℃）和良好的台阶覆盖能力，可以应用在AL等低熔点金属薄膜上淀积，主要缺点是淀积过程引入的粘污；温度、射频、压力等都是影响PECVD工艺的重要因素。MOCVD的主要优点是反应温度低，广泛应用在化合物半导体制备上，特别是高亮LED的制备上。CVD外延的生长过程1、参加反应的气体混合物被运输到沉积区；2、反应物分子由主气流扩散到衬底表面；3、反应物分子吸附在衬底表面上；4、吸附物分子间或吸附物分子与气体分子间发生化学反应，生成外延成分及反应副产物，外延粒子沿衬底表面迁移并结合进入晶格点阵；5、反应副产物由衬底表面外扩散到主气流中，然后排出沉积区。CVD外延生长过程示意图立式钟罩型常压CVD卧式高频感应加热常压CVD卧式电阻加热低压CVD卧式等离子增强低压CVD立式平板型等离子增强CVD桶式CVDMOCVD金属有机物化学气相淀积（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD）自20世纪60年代首次提出以来，经过70年代至80年代的发展，90年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。到目前为止，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看还没有其它方法能与之相比。MOCVD的优点用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反应室中，可以通过控制各种气体的流量来控制外延层的组分，导电类型，载流子浓度，厚度等特性。因有抽气装置，反应室中气体流速快，对于异质外延时，反应气体切换很快，可以得到陡峭的界面。外延发生在加热的衬底的表面上，通过监控衬底的温度可以控制反应过程。在一定条件下，外延层的生长速度与金属有机源的供应量成正比。MOCVD及相关设备技术发展现状MOCVD技术自二十世纪六十年代首先提出以来，经过七十至八十年代的发展，九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术。目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子材料生产中得到广泛应用。日本科学家Nakamura将MOCVD应用氮化镓材料制备，利用他自己研制的MOCVD设备(一种非常特殊的反应室结构)，于1994年首先生产出高亮度蓝光和绿光发光二极管，1998年实现了室温下连续激射10,000小时，取得了划时代的进展。到目前为止，MOCVD是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看，还没有其它方法能与之相比。国际上MOCVD设备制造商主要有三家：德国的AIXTRON公司、美国的EMCORE公司（Veeco）、英国的ThomasSwan公司（目前ThomasSwan公司被AIXTRON公司收购），这三家公司产品的主要区别在于反应室。MOCVD设备公司名称品牌规格1ThomasSwamCRIUS30×2inCCS3×2in2AIXTRONAIX12×4in49×2in7×6in3VeecoGanzillaTurvoDiscMOCVD设备的发展趋势研制大型化的MOCVD设备。为了满足大规模生产的要求，MOCVD设备更大型化。目前一次生产24片2英寸外延片的设备已经有商品出售，以后将会生产更大规模的设备，不过这些设备一般只能生产中低档产品；研制有自己特色的专用MOCVD设备。这些设备一般只能一次生产1片2英寸外延片，但其外延片质量很高。目前高档产品主要由这些设备生产，不过这些设备一般不出售。MOCVD设备概况德国AIXTRON公司(德国艾思强公司)和美国VEECO公司(美国维易科精密仪器有限公司)两家公司几乎生产了全球90%以上的主流MOCVD设备。1、生产效率和成本概况国际上MOCVD技术已经相当成熟，主流设备从2003年6-8片机、2004年12片机、2005年15片机、2006年的21-24片机，目前已经达到42、45、49片机(一次可装载49片2英寸的衬底生长外延)。外延炉容量的不断扩大让LED外延片生产商的单位生产成本快速大幅下降。目前，量产企业对单批产能的最低要求是在30片以上。国产设备目前为6片机，生产效率和生产成本差距甚远。2、价格及产值概况生产型MOCVD设备的售价高达1000～2000万元【根据机型，6片机70万美元左右，9片机100万美元左右】，加上相关配套设备设施，一条产线LED生产线需要投入4000多万元。若新采购设备为45片机生产蓝光芯片，按3炉/天计算，年产4.9万片左右，收入4800万元，投入产出基本为1:1。3、生产过程工艺复杂，参数众多，优良率与均匀性是关键外延片生长过程工艺复杂，参数众多，培养专业操作人员需时间较长。一个最简单的GaN蓝光LED单量子阱结构，其生长工艺包括：高温烘烤、缓冲层、重结晶、n-GaN、阱层、叠层及p-GaN等，工艺步骤达几十步，每一步需调整的工艺参数共有20多个，各参数之间存在比较微妙的关系，工艺编辑人员需根据工艺要求，对各个参数进行逐一调整，必要时还要进行计算，如升温速度、升压速度、生长速率控制、载气与气源配比等。如何根据工艺需要自动对参数进行检查，减轻工艺人员的工作量，是值得研究的新兴课题。每个外延芯片、生产批次与系统之间的关系，能确保良好的均匀性以及优良率，尤其在芯片厂商扩产时，还能维持相同的优良率与均匀性就显的特别关键。4、4英寸MOCVD设备将成为主流现阶段台湾外延厂商在技术上已经具备生产4英寸和6英寸的能力，但是出于成本的考虑，多数台湾厂家还是以2英寸的MOVCD设备为生产主线；大部分欧美与韩国厂商则早已使用4英寸MOVCD设备。市场预期一旦4英寸外延片材料成本大幅崩落（目前4英寸外延片的成本价格约为2寸外延片的四倍），2英寸的MOCVD设备将逐渐被4英寸所取代。AIXTRON与SemiLEDs在2009年5月就合作开发出6寸蓝光LED芯片，在6x6寸AIX2800G4HTMOCVD反应炉的结构上，产量增加约30%（相较于传统42x2-inch的架构），不但均匀性较好，也减少了边缘效应(edgeeffect)。不过就现阶段而言，大多数的困难仍然在于6寸的基板价格偏高与外延片切割技术的挑战。第二种：多功能（量产）型ThomasSwan的MOCVD实物MOCVD参数设备参数和配置：外延片3×2英寸/炉

反应腔温度控制：1200℃

压力控制：0～800Torr

激光干涉在位生长监测系统

反应气体：氨气，硅烷（纯度：6N）

载气：氢气，氮气；（纯度：6N）

MO源：三甲基镓(TMGa)，三甲基铟(TMIn),三甲基铝(TMAl)，二茂基镁(Cp2Mg)（纯度：外延级）国产MOCVD江苏光电信息材料实验室产MOCVD内部结构MOCVD（metalorganic-CVD）VeccoMOCVDturbodisc图VeccoMOCVD装置的系统图和外观MOCVD核心－反应室商用MOCVD四种不同反应室：图

常用CVD反应腔体装置MOCVD（metalorganic-CVD）TomasswanAxitronveccodomesticMOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理：图10.19MOCVD原理图（摘自Axitron公司Prof.Dr.Heuken)MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理：Ga（CH3）3+AsH3GaAs+3CH4Al（CH3）3+AsH3AlAs+3CH4利用MOCVD，表10.6所示的各种金属有机化合物导入，可得到表10.7所示的化合物半导体。示例：表10.6MOCVD金属有机源表10.7MOCVD生成物MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理：MOCVD气体流程图如右图10.20所示气体输运：图10.20MOCVD气体流程图压强沿着气流的方向逐渐降低！MO源MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理：载气：气体输运图10.21钯膜纯化氢气示意图H2：高纯氢气，纯度：99.9999999%，通过钯膜纯化99.999%氢气得到，如图10.21

压强：2个大气压，2bar，高压强提供动力N2：高纯氮气，纯度：99.9999999%，通过液态氮蒸发出99.999%氮气，之后利用合金加热，

合金吸收氮气中水蒸气，甲烷，二氧化碳等纯化。

压强：2个大气压，2bar，高压强提供动力NH3：高纯氨气，纯度：99.9999999%，通过液态氨蒸发出99.9999%氮气，之后利用合金加热，

合金吸收氨气中水蒸气，甲烷，二氧化碳等纯化。

压强：2个大气压，2barV族N源：n型掺杂源：SiH4：稀释硅烷，稀释度10ppm，稀释在高纯度：99.9999999%的氢气中MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理：图10.22MO源输运示意图Ga、In、Al：

化学式：CH3CH3CH3Ga（TMGa）CH3CH3CH3In（TMIn）CH3CH3CH3Al（TMAl）

温度控制：冷阱或热阱水浴或气体液态均匀控制温度输运控制：利用氢气或氮气载气吹扫MO蒸气浓度控制：温度控制蒸气压，流速控制流量控制MO源输出浓度P型掺杂源Mg：

化学式(C5H5)2Mg(CP2Mg)温度控制：冷阱或热阱水浴或气体液态均匀控制温度输运控制：利用氢气或氮气载气吹扫MO蒸气浓度控制：温度控制蒸气压，流速控制流量控制MO源输出浓度III族金属源输运：MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理图10.23腔体气流输运示意图MOCVD薄膜沉积过程都包含以下步骤：（1）载气携带着反应物从反应器进口流向反应器出口，并受到温差、流道扩张、基片旋转等引起的二次流影响；（2）主气流在基片上方形成边界层，在边界层内，反应物被加热，发生热解、置换等气相化学反应，生成反应中间物；（3）反应物或反应中间物通过对流和浓度扩散，穿过边界层到达基片表面；（4）反应物在基片表面吸附，再通过表面扩散、结合入晶格等表面反应完成薄膜沉积；（5）反应物和反应副产物（尾气）在表面解吸（脱附）；（6）解吸后的反应副产物再通过对流和浓度扩散，回到主气流，最终被带到反应室外。反应腔气体输运：MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理典型MOCVD腔体气流流线示意图反应腔气体流线：水平式，国产MOCVD（左然教授绘制）Veccoturbodisc行星式Axitrion，（左然教授绘制）ShowerheadTomasswan控制流线，控制薄膜生长均匀性！MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理典型MOCVD腔体实物照片反应腔腔体行星式AxitrionShowerheadTomasswan1MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理典型MOCVD腔体示意图反应腔腔体行星式AxitrionShowerheadTomasswanMOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理典型MOCVD腔体薄膜监控装置反应腔腔体激光干涉示意图MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理图10.28典型InGaN，GaN，GaN量子阱生长激光监控干涉示意图MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理MOCVD是生长InGaN光电材料，尤其是LED，Laser，photovoltaic器件的理想设备已经在工业界大规模应用！反应腔腔体MOCVD生长高质量薄膜的要求：薄膜表面平整光滑多层薄膜如多量子阱（MQW）界面良好，成分突变薄膜的厚度均匀薄膜厚度可以自由控制薄膜成分可以自由控制薄膜杂质，缺陷少薄膜掺杂可控，即p，n型可控，导电性能可控可大规模生成MOCVD（metalorganic-CVD）MOCVD原理MOCVD生长InGaNLED反应腔腔体摘自Axitron官方报导典型InGaNLED照片GaN外延片产业化生长法GaN外延片产业化方面广泛使用的两步生长法，工艺简述如下：由于GaN和常用的衬底材料的晶格失配度大，为了获得晶体质量较好的GaN外延层，一般采用两步生长工艺。首先在较低的温度下(500～600℃)生长一层很薄的GaN和AIN作为缓冲层，再将温度调整到较高值生长GaN外延层。Akasaki首先以AIN作为缓冲层生长得到了高质量的GaN晶体。AlN能与GaN较好匹配，而和蓝宝石衬底匹配不好，但由于它很薄，低温沉积的无定型性质，会在高温生长GaN外延层时成为结晶体。随后Nakamura发现以GaN为缓冲层可以得到更高质量的GaN晶体。MOCVD法生长GaN的主要技术要求MOCVD技术最初是为制备GaAs和InP等化合物半导体材料而开发的，用于GaN基材料外延生长时，采用的是NH3气源，危险性降低，但对设备的要求不仅没有降低，反而提出了更为特殊的要求：1、生长温度高，接近1200度的高温表面对气体产生热浮力，气体难以到达衬底表面；2、NH3具有强腐蚀性，反应器材料要能适应；3、TMGa/TMIn/TMAl等对氧气和水份特别敏感，要求气体纯度高，且与大气隔离；4、形成掺Mg的P型层后，要经热处理激活；5、TMGa和NH3即使在低温下也会预反应形成新产物；6、形成多层膜时，气体成份要快速切换，以形成陡峭界面；7、既要求膜厚均匀，又要求组分均匀。MOCVD法生长GaN存在的问题1、衬底要求与外延材料的晶格失配度小、热膨胀系数接近、有较大的尺寸、价格便宜、适应生产等，GaN匹配的衬底少；2、气相预反应带来的加合物和聚合物在反应器气体喷口凝结，在反应室避沉积以及在气相中形成微粒，阻碍反应物输送、影响外延膜的质量以及缩短设备维护周期和损害泵系统；3、NH3的利用低，尾气对环境影响较大；4、设备的气密性和气体纯度要求很高；5、气氛适应性和气流控制也存在较大的难度；InGaAlP材料的外延制作四元系InGaAlP化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光二极管的最佳材料，InGaAlP外延片制造的LED发光波段处在550～650nm之间，这一发光波段范围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重要前提。AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，波长625nm附近其外延片的内量子效率可达到100%，已接近极限。目前MOCVD生长InGaAlP外延片技术已相当成熟。InGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的GaAs衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到GaAs衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电学和光学参数的半导体薄膜外延材料。III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3与AsH3。通过掺Si或掺Te以及掺Mg或掺Zn生长N型与P型薄膜材料。对于InGaAlP薄膜材料生长，所选用的III族元素流量通常为(1-5)×10-5克分子，V族元素的流量为（1-2）×10-3克分子。为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速度和长晶温度的优化与匹配至关重要。细致调节生长腔体内的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提高了外延材料光电性能的一致性。GaInN外延的制作氮化物半导体是制备白光LED的基石，GaN基LED外延片和芯片技术，是白光LED的核心技术，被称之为半导体照明的发动机。因此，为了获得高质量的LED，降低位错等缺陷密度，提高晶体质量，是半导体照明技术开发的核心。外延生长方法的改进为了得到高质量的外延层，已经提出很多改进的方法，主要如下：①常规LEO法LEO是一种SAE(selectiveareaepitaxy)方法，可追溯到Nishinaga于1988年对LPE(liquidphaseepitaxy)的深入研究，LEO常用SiO2

或SiNx作为掩膜（mask），mask平行或者垂直衬底的（11-20）面而放置于buffer或高温生长的薄膜上，mask的两种取向的侧向生长速率比为1.5，不过一般常选用平行方向(1100)。GaN在窗口区向上生长，当到达掩膜高度时就开始了侧向生长，直到两侧侧向生长的GaN汇合成平整的薄膜。PE(Pendeoepitaxy)法衬底上长缓冲层，再长一层高温GaN选择腐蚀形式周期性的stripe及trench，stripe沿(1-100)方向，侧面为（11-20）PE生长，有二种模式。ModelA：侧面（11-20）生长速率大于(0001)面垂直生长速率；ModelB：开始(0001)面生长快，紧接着又有从新形成的（11-20）面的侧面生长。一般生长温度上升，modelA可能性增大，有时在同一个PE生长会同时出现两种生长模式，这是由于生长参数的微小波动造成扩散特性的改变，从而也揭示了与生长运动学有关的参数(如平均自由程，平均寿命)相联系的阈值能量很低。PE生长得到的GaNTD密度下降了4-5个个量级，SEM显示侧面生长的GaN汇合处或者是