外延基础知识
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）。
半导体
分类：元素半导体：Si 、Ge
化合物半导体：GaAs 、InP 、GaN(Ⅲ-Ⅴ) 、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ) 、SiC
化合物半导体优点：
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）
高电子迁移率。
可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。
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
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 Organic 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Ⅲ-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。
MOCVD 设备
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。
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
MOCVD 组成
常用MO 源：TMGa(三甲基镓，液态)
TMAl （三甲基铝，液态）
TMIn （三甲基铟，固态，现已有液态）
TEGa （三乙基镓，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(砷烷，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(砷化镓) ，蓝绿光生长用Al2O3(蓝宝石) （最通用）、SiC （Cree ）和GaAs(砷化镓) 、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。
LED 的MOCVD 外延生长
基本反应：
红黄光：TMGa+AsH3 GaAs+CH4
TMGa+PH3 GaP+CH4
蓝绿光：TMGa+ NH3 GaN+CH4
反应特点：a. 远离化学平衡：Ⅴ/Ⅲ>>1
b. 晶体生长速率主要由Ⅲ族元素决定
外延层结构及生长过程
（1）红黄光LED
P －GaP P~1*1018
P-(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P P>2*1017
Active layer(MQW)
n-(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P n~5*1017
DBR(GaAs/AlAs) n~1*1018
GaAs buffer n~1*1018
n-GaAs(100)衬底
首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。
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。 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=λ/4n （d ：厚度，λ：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。
生长一层N 型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，为active layer(有源区) 提供辐射复合电子。
Actrive layer（有源层），其成分是 (AlxGa1-x)0.5In0.5P /(AlyGa1-y)0.5In0.5P，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。
生长一层P 型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，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。
生长一层P 型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LED
P-electrode
P-GaN(P: 3--5×1017cm-3)
p-AlGaN
Active layer(MQW)
N-GaN(~4μm, N:3-5×1018cm-3)
n-electrode
Buffer
Sapphire
首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。
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20~30nm，若此层生长有问题，将极大影响上层晶格质量。
生长一层约4μm 厚的N 型GaN, 此层主要为active layer（有源层），提供辐射复合电子。 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(铟) 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。
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。
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，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。
ηin=产生光子数/注入电子空穴对ηin:内量子效率
ηex=取出光子数/注入电子空穴对ηex ：外量子效率
测试
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）。
测试项目
显微镜
PL
X －ray
E －CV
EL
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 ：半高宽表示），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
发展方向
GaAs:提高外量子效率，如：加厚P-GaP ，采用表面粗化技术（粗化P 型层），采用bonding 技术（bonding 金属）。
外延基础知识
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）。
半导体
分类：元素半导体：Si 、Ge
化合物半导体：GaAs 、InP 、GaN(Ⅲ-Ⅴ) 、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ) 、SiC
化合物半导体优点：
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）
高电子迁移率。
可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。
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
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 Organic 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Ⅲ-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。
MOCVD 设备
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。
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
MOCVD 组成
常用MO 源：TMGa(三甲基镓，液态)
TMAl （三甲基铝，液态）
TMIn （三甲基铟，固态，现已有液态）
TEGa （三乙基镓，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(砷烷，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(砷化镓) ，蓝绿光生长用Al2O3(蓝宝石) （最通用）、SiC （Cree ）和GaAs(砷化镓) 、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。
LED 的MOCVD 外延生长
基本反应：
红黄光：TMGa+AsH3 GaAs+CH4
TMGa+PH3 GaP+CH4
蓝绿光：TMGa+ NH3 GaN+CH4
反应特点：a. 远离化学平衡：Ⅴ/Ⅲ>>1
b. 晶体生长速率主要由Ⅲ族元素决定
外延层结构及生长过程
（1）红黄光LED
P －GaP P~1*1018
P-(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P P>2*1017
Active layer(MQW)
n-(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P n~5*1017
DBR(GaAs/AlAs) n~1*1018
GaAs buffer n~1*1018
n-GaAs(100)衬底
首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。
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。 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=λ/4n （d ：厚度，λ：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。
生长一层N 型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，为active layer(有源区) 提供辐射复合电子。
Actrive layer（有源层），其成分是 (AlxGa1-x)0.5In0.5P /(AlyGa1-y)0.5In0.5P，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。
生长一层P 型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，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。
生长一层P 型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LED
P-electrode
P-GaN(P: 3--5×1017cm-3)
p-AlGaN
Active layer(MQW)
N-GaN(~4μm, N:3-5×1018cm-3)
n-electrode
Buffer
Sapphire
首先对衬底进行高温处理，以清洁其表面。
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20~30nm，若此层生长有问题，将极大影响上层晶格质量。
生长一层约4μm 厚的N 型GaN, 此层主要为active layer（有源层），提供辐射复合电子。 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(铟) 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。
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。
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，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。
ηin=产生光子数/注入电子空穴对ηin:内量子效率
ηex=取出光子数/注入电子空穴对ηex ：外量子效率
测试
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）。
测试项目
显微镜
PL
X －ray
E －CV
EL
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 ：半高宽表示），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
发展方向
GaAs:提高外量子效率，如：加厚P-GaP ，采用表面粗化技术（粗化P 型层），采用bonding 技术（bonding 金属）。