外延片相关知识

1、什么是外延和外延片？

外延也称为外延生长，是制备高纯微电子复合材料的一工艺过程，就是在单晶（或化合物）衬底材料上淀积一层薄的单晶（或化合物）层。新淀积的这层称为外延层。淀积有外延层的衬底材料叫外延片。

 

2、哪些材料可以用作生长外延层的衬底材料，它们各自有哪些优缺点？

用得最广泛的衬底材料是砷化镓，可用于生长外延层GaAs、GaP、GaAlAs、InGaAlP，其优点是由于GaAs的晶格常数比较匹配可制成无位错单晶，加工方便，价格较便宜。缺点是它是一种吸光材料，对PN结发的光吸收比较多，影响发光效率。

磷化镓可生长GaP：ZnO、GaP：N、GaAs、GaAlAs：N以及InGaAlP的顶层，其优点是它是透明材料，可制成透明衬底提高出光效率。

生长InGaN和InGaAlN的衬底主要有蓝宝石（Al2O3）、碳化硅和硅。蓝宝石衬底的优点是透明，有利于提高发光效率，目前仍是InGaN外延生长的主要衬底。缺点是有较大的晶格失配；硬度高，造成加工成本高昂；热导率较低，不利于器件的热耗散，对制造功率led不利。碳化硅衬底有较小的晶格失配，硬度低，易于加工，导热率较高，利于制作功率器件。

 

3、LED的发光有源层??PN结是如何制成的？哪些是常用来制造LED的半导体材料？

LED的实质性结构是半导体PN结。PN结就是指在一单晶中，具有相邻的P区和N区的结构，它通常在一种导电类型的晶体上以扩散、离子注入或生长的方法产生另一种导电类型的薄层来制得的。

常用来制造LED半导体材料主要有砷化镓、磷化镓、镓铝砷、磷砷化镓、铟镓氮、铟镓铝磷等Ⅲ?Ⅴ族化合物半导体材料，其它还有Ⅳ族化合物半导体碳化硅，Ⅱ?Ⅵ族化合物硒化锌等。

 

4、MOCVD是什么？

MOCVD是MetEL-Organic Chemical Vapor Deposition的简称，即金属有机物化学气相淀积，它是外延生长的一项技术，它是利用特制的设备，以金属有机物源（MO源）作原料，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。由于MOCVD的晶体生长反应是在热分解中进行的，所以又叫热分解法。经实用表明，这是一种具有高可靠性、控制厚度精确、组成掺杂浓度精度高、垂直性好、灵活性大、非常适合于进行Ⅲ?Ⅴ族化合物半导体及其固溶体的外延生长的方法，也可应用于Ⅱ?Ⅵ族化合物等材料的生长，目前是生产AlGaInP红色和黄色LED和InGaN蓝色、绿色和白色LED的可工业化方法。现人们通常也把这种特制的设备笼统地叫作MOCVD。

 

5、什么是MO源？

MO源即Metel Organic源，金属有机物源，它是MOCVD外延生长的原材料。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（CH3）3，Zn（CH3）3等，它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。

 

MOCVD外延生长的工艺流程是怎样的？

6、什么是LED的内量子效率？

当在LED的PN结上施加正向电压时，PN结会有电流流过。电子和空穴在PN过渡层中复合会产生光子，然而并不是每一对电子?空穴对复合都会产生光子，由于LED的PN结，作为杂质半导体，存在着材料品质缺陷、位错等因素，以及工艺上的种种缺陷，会产生杂质电离、本征激发散射和晶格散射的问题，使电子从激发态跃迁到基态时会与晶格原子或离子交换能量而发生无辐射跃迁，也就是不产生光子，这部分能量不转换成光能而转换成热能损耗在PN结内，于是就有一个复合载流子转换成光子的转换效率问题存在，可以用式1表示这一转换效率，并符号ηint表示。

ηint=（复合载流子产生的光子数/复合载流子总数）×100?   （1）

我们无法去计数式（1）中的复合载流子总数和产生的光子总数。一般是通过测量LED输出的光功率来评价这一效率，这个效率ηint就称为内量子效率。

 

7、LED PN结有源发出的光子能否100?逸出到空气中？

8、有哪些生长LED有源层的外延方法？它们个自有什么特点？

有气相外延（VPE）、液相外延（LPE）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD）、分子束外延（MBE）。它们生长LED有源层的材料分别有气相外延GaAsP、GaP，液相外延GaP、GaAlAs，金属有机物化学气相淀积InGaAlP、IGanN，分子束外延ZnSe等。

气相外延比较简单便，往往在外延生长后要再通过用扩散的方法制作PN 结，所以效率低。液相外延已能一炉生长60?100片，生产效率较高，通过镓的重复使用成本已降的很低，可以制造高亮度GaP绿色发光器件和一般亮度GaP红色发光器件，也可用它制造超高亮度GaAlAs发光器件。金属有机物化学气相淀积法是目前生产超高亮度InGaN蓝、绿色LED和InGaAlP红、黄色LED的主要方法，它既能精确控制厚度，又能精密控制外延层的组成。分子束外延目前主要用于研制白色发光二极管，效果很好，能生长小于10埃的外延层，缺点是生长速度慢，每小时约1微米，装片容量也颇少，生产效率较低。

 

9、当前，生产超高亮LED的外延方法主要有几种？

当前，生产超高亮LED的外延方法主要有两种，即液相外延生产AlGaAs LED和金属有机物化学气相淀积（MOCVD）生产AlGaAs、AlGaInP、InGaN LED。其中尤以MOCVD方法为主。

 

10、当前，用作半导体照明光源的高效LED的外延层结构有何创新？

为了提高LED的发光效率，对其外延结构进行了许多改进，目前都已应用到产品上，对LED发光效率的提高起到了极重要的作用。分别是：①单量子阱（SQW）结构；②多量子阱（MQW）结构；③分布布拉格反射（DBR）结构；④透明衬底技术（TS）；⑤镜面衬底法（MS）；⑥透明胶质粘结型；⑦纹理表面结构。