半导体照明课件-10-第9章-InGaN-发光二极管.ppt
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- 半导体 照明 课件 10 InGaN 发光二极管
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1、第九章第九章 InGaN 发光二极管发光二极管 近年来,以近年来,以SiC、II-VI族族ZnSe、族氮化物族氮化物(GaN)为代表的宽禁带半导体材料的迅速发展。为代表的宽禁带半导体材料的迅速发展。高亮度蓝色发光管高亮度蓝色发光管(LED)(InGaN/GaN)的技术突破,填补了的技术突破,填补了LED三基色中蓝色的空白,白三基色中蓝色的空白,白光光LED应运而生。引发了人类照明领域的又一次革应运而生。引发了人类照明领域的又一次革命一命一“半导体照明半导体照明”。一、一、GaN基发光器件的发展基发光器件的发展 1971年,年,Pankove 报道了掺报道了掺Zn 的的MIS结构结构GaN发光管
2、,发光管,这是最早的氮化物发光器件。发光中心为这是最早的氮化物发光器件。发光中心为Zn杂质,工作电杂质,工作电压压60-100V,发光波长,发光波长480nm。此时,。此时,GaN基蓝光发光管基蓝光发光管亮度为亮度为70mcd,已经远大于当时,已经远大于当时SiC基蓝光发光管基蓝光发光管(12mcd)和和ZnSe基蓝光发光管基蓝光发光管(10mcd)。1991年,年,Akasaki(赤崎勇赤崎勇)实现实现P型掺杂,第一次制成型掺杂,第一次制成同质同质PN结构的氮化物蓝光发光管。此后,日亚公司的结构的氮化物蓝光发光管。此后,日亚公司的Nakamura等人,再深入研究等人,再深入研究p型掺杂后,采
3、用退火的方法型掺杂后,采用退火的方法也实现了也实现了p型掺杂,很快也制作出了掺镁同质蓝光发光管。型掺杂,很快也制作出了掺镁同质蓝光发光管。一、一、GaN基发光器件的发展基发光器件的发展 1993年,日亚公司的中村修二在氮化物研究方面不断取年,日亚公司的中村修二在氮化物研究方面不断取得突破,始终保持领先地位。成功研制得突破,始终保持领先地位。成功研制GaN基高亮度基高亮度蓝色蓝色LED,发光强度达到,发光强度达到1 cd,并商品化。,并商品化。1994年,他们又将发光亮度提高到年,他们又将发光亮度提高到2cd,并通过改变,并通过改变 In 组分实现了中心波长组分实现了中心波长500nm的绿光发光
4、管。的绿光发光管。1998 年,日亚公司开发成功的年,日亚公司开发成功的InGaN(460nm)蓝光)蓝光LED,涂覆涂覆YAG(Ce)荧光粉产生白光的技术加快了向白)荧光粉产生白光的技术加快了向白光照明进军的进程光照明进军的进程二、二、-N化合物半导体的基本性质化合物半导体的基本性质 III族氮化物半导体包括族氮化物半导体包括GaN,AlN,InN以及由它们所以及由它们所组成的三元系组成的三元系InGaN,AlGaN,AlInN、四元系、四元系AlInGaN。这。这其中以其中以GaN材料和器件研究为突破,带动了整个材料和器件研究为突破,带动了整个III族氮化族氮化物材料和器件的研究发展。物材
5、料和器件的研究发展。特点:特点:u宽带隙化合物半导体材料,有很高的禁带宽度(宽带隙化合物半导体材料,有很高的禁带宽度(1.95-6.2eV),可以覆盖黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围,可以覆盖黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围,u电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好电子漂移饱和速度高、介电常数小、导热性能好u耐酸、耐碱、耐腐蚀(可用于恶劣环境)耐酸、耐碱、耐腐蚀(可用于恶劣环境)AI、Ga、In与与N形成的形成的三三族氮化合物,其主要价键族氮化合物,其主要价键是共价键。即每个原子形成四面体键,由于两种原子的是共价键。即每个原子形成四面体键,由于两种原子的电负性相差较大,共价键带有很强的离子性,因此
6、材料电负性相差较大,共价键带有很强的离子性,因此材料的各自的相结构稳定。的各自的相结构稳定。GaN、InN、AlN可以结晶为三种晶体结构:可以结晶为三种晶体结构:纤锌矿纤锌矿(六方相六方相)、闪锌矿闪锌矿(立方相立方相)和和岩盐岩盐(NaCI结构结构)结构。结构。在自然条件下,热动力学稳定的结构是六方结构,只在自然条件下,热动力学稳定的结构是六方结构,只有在极端高压下才转变为盐岩结构,而立方结构为亚有在极端高压下才转变为盐岩结构,而立方结构为亚稳相。稳相。二、二、-N化合物半导体的基本性质化合物半导体的基本性质二、二、-N化合物半导体的基本性质化合物半导体的基本性质AlN、GaN、InN可以结
7、晶为三种晶体结构:纤锌矿可以结晶为三种晶体结构:纤锌矿(六六方相方相)、闪锌矿、闪锌矿(立方相立方相)和岩盐和岩盐(NaCI结构结构)结构。结构。当当GaN生长在生长在(0001)A12O3、(111)Si、(111)GaAs、(0001)6H-SiC、(0001)ZnO等衬底上时,通常是纤锌矿。等衬底上时,通常是纤锌矿。闪锌矿型结构只有生长在与之具有拓扑学亲和性的衬底闪锌矿型结构只有生长在与之具有拓扑学亲和性的衬底上,才可以被稳定下来,如生长在上,才可以被稳定下来,如生长在(001)GaAs、(001)3C-SiC、(001)MgO和和(001)Si等衬底上,则可获得闪锌矿等衬底上,则可获得
8、闪锌矿GaN。二、二、-N化合物半导体的基本性质化合物半导体的基本性质纤锌矿结构纤锌矿结构(六方六方):具有两个轴具有两个轴a、c;c/a=1.633,属于属于P63mc空间群空间群闪锌矿结构闪锌矿结构(立方立方):F43m空间群,每个晶胞有八个原子。空间群,每个晶胞有八个原子。二、二、-N化合物半导体的基本性质化合物半导体的基本性质GaN、AIN及及InN三种材料的禁带宽度从三种材料的禁带宽度从1.9-6.2eV,理,理论上由这三种化合物组合制成的器件发光波长涵盖了从论上由这三种化合物组合制成的器件发光波长涵盖了从紫外光到红外光的波段范围。紫外光到红外光的波段范围。二、二、-N化合物半导体的
9、基本性质化合物半导体的基本性质 由于由于InN材料极差的热稳定性,目前材料极差的热稳定性,目前AlInGaN四元四元系材料只能应用于紫外、紫光以及蓝绿光的制作。随系材料只能应用于紫外、紫光以及蓝绿光的制作。随着器件的发光波长增大,着器件的发光波长增大,AlInGaN LED制作难度加大,制作难度加大,且发光效率急剧下降。且发光效率急剧下降。氮化镓氮化镓(GaN)属于宽禁带半导体材料,由于受到缺乏合属于宽禁带半导体材料,由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰,发展一直较适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰,发展一直较为缓慢。为缓慢。1991年,日本日亚化工公司年,日本日亚化工
10、公司(Nichia)研制成功以蓝宝石研制成功以蓝宝石为衬底的为衬底的GaN基蓝光发光二级管基蓝光发光二级管(LED)之后,实现之后,实现GaN基蓝基蓝光光LED的商品化。该公司再利用的商品化。该公司再利用GaN基蓝光基蓝光LED和荧光粉技和荧光粉技术,开发出白光术,开发出白光LED产品。产品。此外,还首先研制成功此外,还首先研制成功GaN基蓝光半导体激光器。日基蓝光半导体激光器。日亚公司在发光器件领域取得的重大突破,使亚公司在发光器件领域取得的重大突破,使GaN半导体材料半导体材料应用获得成功。应用获得成功。三、三、GaN及其生长及其生长三、三、GaN及其生长及其生长 早在早在1969年,年,
11、Maruska利用化学气相淀积利用化学气相淀积(Chemical Vapor phase Depodition)在蓝宝石衬底上开始了大面积在蓝宝石衬底上开始了大面积生长生长GaN的尝试,并得到了单晶外延膜。的尝试,并得到了单晶外延膜。但是在上世纪八十年代以前,氮化物材料的质量提但是在上世纪八十年代以前,氮化物材料的质量提高很慢,无法满足器件的要求。当时面临的主要问题有:高很慢,无法满足器件的要求。当时面临的主要问题有:(1)没有合适的衬底:没有合适的衬底:(2)外延层有高的本底载流子浓度:在早期的外延层有高的本底载流子浓度:在早期的GaN外延层中,本底电子浓度一般都在外延层中,本底电子浓度一般
12、都在1019cm-3以上,以上,降低背景载流子浓度和制备降低背景载流子浓度和制备p型型GaN就成为两大就成为两大难题。难题。三、三、GaN的生长的生长 随着随着MOCVD和和MBE技术的发展,特别是二步技术的发展,特别是二步生长法的出现,生长法的出现,GaN材料的质量得到明显提高。材料的质量得到明显提高。1983年年Yoshida等人首次采用二步生长法生长等人首次采用二步生长法生长GaN单晶,发现低温生长的单晶,发现低温生长的AIN缓冲层可以提高外缓冲层可以提高外延层的质量。延层的质量。三、三、GaN的生长的生长究其原因,缓冲层的引入起到了如下的三个作用究其原因,缓冲层的引入起到了如下的三个作
13、用:1缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心。缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心。2缓冲层释放了缓冲层释放了GaN和衬底之间的晶格失配产生的应和衬底之间的晶格失配产生的应 力以及热膨胀系数失配所产生的热应力。力以及热膨胀系数失配所产生的热应力。3缓冲层为一步的生长提供了平整的成核表面,减少缓冲层为一步的生长提供了平整的成核表面,减少 其成核生长的接触角,使岛状生长的其成核生长的接触角,使岛状生长的GaN晶粒在较晶粒在较 小的厚度内能连成面,转变为二维外延生长。现小的厚度内能连成面,转变为二维外延生长。现 在,二步生长法几乎成了在,二步生长法几乎成了GaN材料制备的标准工艺。材料制备的标准工艺。
14、三、三、GaN的生长的生长 之后之后Amano等人,对此法做了仔细的研究以及完善工等人,对此法做了仔细的研究以及完善工作,改进了作,改进了AIN缓冲层,使外延层的质量又有大幅度提高,缓冲层,使外延层的质量又有大幅度提高,完成了具有里程碑意义的工作。完成了具有里程碑意义的工作。未掺杂未掺杂GaN的的MOCVD生长生长 通常,通常,GaN薄膜生长在(薄膜生长在(0001)晶向的蓝宝石衬底上,)晶向的蓝宝石衬底上,在在1000 C下采取金属有机物化学气相沉积方法(下采取金属有机物化学气相沉积方法(MOCVD)生长。未掺杂生长。未掺杂GaN通常是通常是 n 型导电性,施主主要是自身缺型导电性,施主主要
15、是自身缺陷或残留杂质,如氮空位或残留氧。陷或残留杂质,如氮空位或残留氧。三、三、GaN的生长的生长未掺杂未掺杂GaN的的MOCVD生长生长 日亚公司的中村修二用新型的双气流法日亚公司的中村修二用新型的双气流法,用用GaN代替代替AlN缓缓冲层获得了高质量的冲层获得了高质量的GaN薄膜。薄膜。图图9-2 用于用于GaN生长的新型的双流生长的新型的双流MOCVD反应器。反应器。GaN 缓冲层生长缓冲层生长温度为温度为500 C,20nm;GaN薄膜生长温度薄膜生长温度为为1000C,4um三、三、GaN的生长的生长未掺杂未掺杂GaN的的MOCVD生长生长 描述描述GaN的沉积过程的的沉积过程的MO
16、CVD基本反应方程式可基本反应方程式可以表达为:以表达为:这个反应方程式并没有考虑到极其复杂的中间反应过程,这个反应方程式并没有考虑到极其复杂的中间反应过程,可能涉及的几种反应:。可能涉及的几种反应:。三、三、GaN的生长的生长n 型型GaN 对对-半导体的半导体的n型掺杂一般使用型掺杂一般使用SiH4,GaN也不也不例外,且易于控制。例外,且易于控制。三、三、GaN的生长的生长p 型型GaN GaN在很长时间内没能实现在很长时间内没能实现p 型掺杂,这阻碍了蓝色型掺杂,这阻碍了蓝色LED和和LD的研制。的研制。1989年,年,p 型型GaN薄膜首次用低能电子辐照掺薄膜首次用低能电子辐照掺Mg
17、得得到。但空穴浓度(到。但空穴浓度(1017cm-3)和最低电阻率)和最低电阻率(12.cm)仍仍满足不了满足不了LED和和LD器件的需要。器件的需要。1992年,在年,在400C以上温度以上温度N2气氛下热退火获得了低气氛下热退火获得了低阻掺阻掺Mg p 型型GaN。三、三、GaN的生长的生长p 型型GaN 在在p 型型GaN薄膜内,薄膜内,N2气氛下热退火能与受主反应,从气氛下热退火能与受主反应,从受主受主H中性络合物中移除中性络合物中移除H原子。原子。三、三、GaN的生长的生长GaN p-n结结LED 基于以上的进展,基于以上的进展,GaN p-n结蓝色发光二极管终于结蓝色发光二极管终于
18、在在1989年研制成功。年研制成功。四、四、InGaN的生长的生长未掺未掺InGaN 三、硅衬底三、硅衬底GaN蓝光蓝光LED 目前目前,商业化商业化GaN基基LED广泛使用广泛使用蓝宝石(蓝宝石(Al2O3)衬底衬底或者或者SiC衬底衬底,这是因为它们与,这是因为它们与GaN的晶格失配和的晶格失配和热膨胀系数失配较小。但采用热膨胀系数失配较小。但采用Si作为作为GaN的生长衬底的生长衬底具有以下几个优势:具有以下几个优势:1)相比于衬底相比于衬底A12O3,或者,或者SiC,Si具有相当明显的价格具有相当明显的价格优势,低廉的价格使其更适合用于商业化生产;优势,低廉的价格使其更适合用于商业化
19、生产;2)A12O3和和SiC衬底尺寸普遍为衬底尺寸普遍为2英寸,但是英寸,但是12英寸的英寸的Si衬衬底在电子产业中已及广泛的应用。显然,采用大尺寸底在电子产业中已及广泛的应用。显然,采用大尺寸的的Si衬底进行生产能够显著降低衬底进行生产能够显著降低LED的生产成本;的生产成本;3)Si具有良好的导电和导热性能,这为发光器件与其具有良好的导电和导热性能,这为发光器件与其它它 2)相关光电器件的集成提供了可能。相关光电器件的集成提供了可能。三、硅衬底三、硅衬底GaN蓝光蓝光LED 但是,与其优点相比,但是,与其优点相比,Si衬底上生长衬底上生长GaN材料同材料同样面临巨大的挑战。样面临巨大的挑
20、战。1)目前,主要在目前,主要在Si(111)面上生长面上生长GaN,该面与,该面与GaN存在存在17的晶格失配,而的晶格失配,而Al2O3与与GaN的晶格差距仅为的晶格差距仅为7。如此巨大的晶格失配使得如此巨大的晶格失配使得Si上外延生长的上外延生长的GaN层容易层容易引入更多的位错。引入更多的位错。2)2)GaN的热膨胀系数要比的热膨胀系数要比Si大大56。如此巨大的热失。如此巨大的热失 3)配在配在GaN生长结束,降温的过程中,在生长结束,降温的过程中,在CaN中引入中引入4)巨大的拉应力。与晶格失配效应巨大的拉应力。与晶格失配效应 叠加后,叠加后,Si上生长上生长5)GaN极易开裂;极
21、易开裂;6)3)作为衬底的)作为衬底的Si易与易与NH3,以及,以及Ga源起反应,并且源起反应,并且Ga 7)与与Si的反应导致表面回融。的反应导致表面回融。三、硅衬底三、硅衬底GaN蓝光蓝光LED 面对如此巨大的机遇和挑战,研究人员对面对如此巨大的机遇和挑战,研究人员对Si衬底衬底上生长上生长CaN材料进行了大量的研究。材料进行了大量的研究。通过在通过在Si衬底与衬底与GaN外延层之间插入多层缓冲层结外延层之间插入多层缓冲层结构以缓解它们之间的应力等,构以缓解它们之间的应力等,1998年,年,IBM公司首先报公司首先报道了利用道了利用MBE方法在方法在Si衬底上生长了紫外和近紫外衬底上生长了
22、紫外和近紫外GaN LED;2003年,年,Dadgar等人将等人将20mA下的下的Si衬底衬底GaN基基LED光功率提高至光功率提高至0.42mW。2005年,南昌大学采用年,南昌大学采用A1N缓冲层及富缓冲层及富Ga的高温的高温GaN缓冲层相结合能得到无裂纹的缓冲层相结合能得到无裂纹的LED外延片外延片;随着近随着近几年的发展,晶能光电几年的发展,晶能光电(江西江西)有限公司已经率先实现有限公司已经率先实现了了Si衬底衬底CaN基基LED的产业化。的产业化。四、提高质量和降低成本的几个四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题重要的技术问题。1.衬底衬底 衬底材料的选择衬底材料的选择 衬底
23、材料是半导体照明产业技术发展的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。底材料决定了半导体照明技术的发展路线。四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题。1.衬底衬底 衬底材料的选择主要取决于以下九个方面: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
24、度小;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;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;和腐蚀;4热学性能好,包括导热性好和热失配度小;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;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;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;机械性能好,器件容易加工,包括减薄、抛光和切割等;8价格低廉价格低廉
25、,大尺寸,一般要求直径不小于大尺寸,一般要求直径不小于2英吋。英吋。四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题。1.衬底衬底 用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较 四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题四、提高质量和降低成本的几个重要的技术问题。1.衬底衬底 用于用于GaN 生长的最理想的衬底自然是生长的最理想的衬底自然是GaN单晶材料,这单晶材料,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。可是件工作寿
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