氮化镓衬底及其生产技术

氮化镓衬底及其生产技术内容摘要：

CVD 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 Thomas Swan 公司（目前 Thomas Swan 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。 这些公司生产 MOCVD 设备都有较长的历史，但对氮化镓基材料而言，由于材料本身研究时间不长，对材料生长的一些物理化学过程还有待认识，因此目前对适合氮化镓基材料的 MOCVD 设备还在完善和发展之中。 国际上这些 设备商也只是 1994 年以后才开始生产适合氮化镓的 MOCVD 设备。 目前生产氮化镓中最大 MOCVD 设备一次生长 24 片（ AIXTRON 公司产品）。 国际上对氮化镓研究得最成功的单位是日本日亚公司和丰田合成，恰恰这些公司不出售氮化镓生产的 MOCVD 设备。 日本酸素公司生产的氮化镓 MOCVD 设备性能优良，但该公司的设备只在日本出售。 MOCVD 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。 1） InGaAlP 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 (15) 105 克分子， V 族元素的流量为（ 12） 103 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。 2） lGaInN 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。 GaN 外延片的主要生长方法： 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。 为了得到。