谭文辉
广东德力光电有限公司
摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，本研究的GaN基LED外延生长方法中通过通入大量的NH3进行裂解，将N原子附着在生长的P型GaN上，在NH3进行裂解处理的同时，对生长好的P型GaN进行短暂的退火处理，让其晶格在热作用下，得到新的规则排列，获得整齐的表面。并在低H元素浓度环境下，再次通入TEGa裂解Ga元素，使得可电离的Mg元素浓度增加。本研究方法能够减少外延层P结构的N空位,减少Mg-H键，提高P结构Mg的电离率，提高P结构的空穴，提高LED芯片发光效率。
关键词：GaN基；LED；P结构；裂解
引言
随着当今世界不断进步，人们己经不再满足于温饱和生存的基本条件，人们需要用越来越丰富的商品来满足物质需求，用越来越丰富的精神条件来满足日益增长的精神需求。但是随着世界人口的快速增长和生产工业的大发展，人们对自然资源的需求越来越多，对环境的破坏也越来越严重。随着科学技术的进步和人们环保意识的不断增强，在当今社会发展中，人们迫切需要着手新能源新技术的研究和开发。全球每年13%的电能用于照明，经济越发达的区域对照明的需求越大，所以寻找更高效节能的照明方式是很多人追求的目标。
1LED的发光原理
发光二极管简称LED (Light Emitting Diode )，是一种半导体发光器件。它由一个PN结组成，将电能转化为光能。和所有半导体器件一样，也具有单向导电特性，它的核心是由P型半导体和N型半导体两部分组成。在P型半导体和N型半导体之间的过渡层，称为PN结。其发光原理可以用PN结的能带结构来做解释。用于制作发光二极管的半导体材料是重掺杂的，在热平衡状态下，N型区具有很多高迁移率的电子，P型区有很多具有低迁移率的空穴。在正常状态下，由于PN结势垒层的限制，电子和空穴不能发生自然复合。当向发光二极管施加正向电压后，来自P型区的空穴被注入到N型区，而来自N型区的电子被注入到P型区中，当P型区的空穴进入中间区域后，由于空穴势垒的阻挡会被限制在量子阱内;同理N型区的电子进入中间区域后，由于电子势垒的阻挡也会被限制在量子阱内。此时被限制在量子阱内的电子与空穴发生辐射复合并释放出光子。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能态是不同的，当电子和空穴复合时释放出不同的能量，释放的能量越多，发光的波长就越短。
2外延片生产方式
运用VECOO公司的MOCVD设备来生长高亮度GaN基LED外延片。衬底为（0001）面蓝宝石。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆具体生长方式如下：(1)处理衬底；(2)持续生长3~4μm的不掺杂GaN ；(3)生长3~4μm掺杂Si的N型GaN；(4)生长200nm~400 nm低掺杂Si的N型GaN；(5)周期性生长发光层多量子阱MQW层；(6)持续生长30~60nm的低温型P型GaN层；(7)持续生长60~100nm的P型AlGaN层；(8)①将反应室温度控制在950℃下，石墨托盘转速提升至1000转/Min，然后保持压力300torr，通入60L/Min的N 2 气作为载气和通入100 L/Min的H 2 气作为载气，通入400sccm TEGa Mo源，通入20L/Min NH 3 ，通入200sccmsccm的CP2Mg掺杂剂，生长5~10nm的高温型P型GaN层简称高温pGaN；②接着保持温度、压力、转速不变，保持通入H2和N2气作为载气量不变，通入TEGa 、Cp2MgMo源，将NH 3 流量从20L/Min渐变增加到70L/Min ，通入时间为20s,让NH3充分裂解，N原子附着在①生长的P型GaN上，同时裂解的H、C、O元素随载气输送至尾管排出反应室，另一方面将①中pGaN进行了20s退火处理，促使其晶格排列更整齐；③接着保持生长条件不变，停止通入NH3，通入1500sccm的TEGa，通入1800sccm的Cp2Mg，通入时间为10s,将裂解的Ga、Mg原子和②的N 2 原子结合生成2nm的p型GaN；然后以①②③步作为周期重复生长，整个PGaN厚度为70~100nm；(9)持续生长5~10nm的高温型P型GaN层；(10)持续4~5min对外延层退火处理；(11)随炉冷却，然后将石墨托盘取出，外延片取出进行芯片制作。
3成膜稳定性控制
磁控溅射镀膜设备和DBR光学镀膜设备在持续生长薄膜的过程中，除了在芯片表而土成膜外，还会在腔体内的其它地方成膜，因此需要定期的对反应腔体进行清理维护，在生产的过程中薄膜参数会受到设备维护的影响。 对于磁控溅射设备来讲，腔体环境、溅射靶材余量、真空系统的稳定性对产品的成膜稳定性影响很大。本次试验后导入的ITO靶材为台湾光洋应用材料科技股份有限公司的ITO靶材，经过实验验证，每280千瓦时后ITO靶材基本耗用完，需要更换新靶材，为了节约维护时间提高设备的稼动率，故腔体内的衬板更换与靶材更换同时进行。真空系统的稳定性的维护主要包含两个方面，一是腔体的密封性，二是泵的抽气能力。
4规模化生产研究
通过上述结构的优化，产品的性能有很大的提高，因此可以将这些技术导入到量产中，提升产品的性能，增强企业的竞争力。但是新的技术导入量产有很多的注意事项，主要有以下几个方面:1）ITO磁控溅射镀膜设备和DBR镀膜设备腔体环境的维护。在ITO和DBR在成膜的过程中，腔体环境会因镀膜后的的增加而发生变化，进而影响膜层的品质，另外随着镀膜设备工作时间的增加，腔体的真空泵或密封件容易出现老化，影响成膜品质。2）RTA快速退火炉退火稳定性控制。ITO膜退火的质量决定了膜层导电性和透光性能的好坏。而影响退火质量的主要因素包括:退火温度的准确性、退火腔体环境等。3）激光切割品质管控。影响激光切割设备切割品质的因素主要有激光能量强度、设备对准精度，激光焦点位置准确性以及斜裂的状况。通过对以上因素的管控，可有效保障切割效果。通过制定相应的措施，可以保证第三章通过优化的结构顺利的导入到实际规模化生产中。
结语
本研究的氮化镓LED外延层制作方法中通过通入大量的NH 3 进行裂解，将N原子附着在生长的P型GaN上，同时裂解的H、C、O元素随载气输送至尾管排出反应室，外延层表面H、C、O含量降低，并入晶格的杂质元素少，H元素显著减少，减少了Mg-H浓度，同时C原子浓度下降能降低对空穴迁移的阻挡，提升空穴迁移率有一定正向帮助，对NH3进行裂解处理同时对生长好的P型GaN有短暂的退火处理，让其晶格在热作用下，得到新的规则排列，获得整齐的表面，为下一步生长提供好的基础，同时PGaN里的H在热作用下析出被载气带走，在低H元素浓度环境下，再次通入TEGa裂解Ga元素，Ga元素能和N元素充分反应，此时Mg元素较多的取代Ga元素作为可电离Mg元素进入GaN晶格，Mg-H络合物生成较少；Mg-H键在下一个裂解NH 3过程中通过热作用充分打开，排出H元素，可电离的Mg元素浓度增加；另一方面，研究方法步骤8中的（1）NH 3 量较少，裂解的N原子浓度相对传统大量NH3不会产生大量N空位， N空位是限制Mg激活的另外一个因素；通过以上方法，高温P层晶体质量得到提高，Mg-H物减少、N空位较少，空穴浓度较高，宏观上表现为器件驱动电压降低，发光效率提高。
参考文献
[1]叶菲菲.高光效GaN基LED芯片的设计与制备[D].广东:华南理工大学，2012.
[2]刘仲明.ALGaInP红光LED外延片关键技术研究[D].天津:天津L }}!大学，2018.
[3]李文石，刘晶，刘文妹.基于布拉格反射膜提高红光LED的外量子效率计算[J].中国集成电路，2010, O5: 58-62.
论文作者:谭文辉
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：空穴论文; 生长论文; 元素论文; 晶格论文; 外延论文; 浓度论文; 设备论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;