LED外延片及其質(zhì)量辨別

　　外延片的生產(chǎn)制作過程是非常復雜，展完外延片，接下來就在每張外延片隨意抽取九點做測試，符合要求的就是良品，其它為不良品(電壓偏差很大，波長偏短或偏長等)。

　　半導體制造商主要用拋光Si片(PW)和外延Si片作為IC的原材料。20世紀80年代早期開始使用外延片，它具有標準PW所不具有的某些電學特性并消除了許多在晶體生長和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。

　　歷史上，外延片是由Si片制造商生產(chǎn)并自用，在IC中用量不大，它需要在單晶Si片表面上沉積一薄的單晶Si層。一般外延層的厚度為2～20μm，而襯底Si厚度為610μm(150mm直徑片和725μm(200mm片)。

　　外延沉積既可(同時)一次加工多片，也可加工單片。單片反應(yīng)器可生產(chǎn)出質(zhì)量最好的外延層(厚度、電阻率均勻性好、缺陷少);這種外延片用于150mm“前沿”產(chǎn)品和所有重要200 mm產(chǎn)品的生產(chǎn)。

　　外延產(chǎn)品

　　外延產(chǎn)品應(yīng)用于4個方面，CMOS互補金屬氧化物半導體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產(chǎn)品是外延片的最大應(yīng)用領(lǐng)域，并被IC制造商用于不可恢復器件工藝，包括微處理器和邏輯芯片以及存儲器應(yīng)用方面的閃速存儲器和DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)。分立半導體用于制造要求具有精密Si特性的元件。“奇異”(exotic)半導體類包含一些特種產(chǎn)品,它們要用非Si材料，其中許多要用化合物半導體材料并入外延層中。掩埋層半導體利用雙極晶體管元件內(nèi)重摻雜區(qū)進行物理隔離，這也是在外延加工中沉積的。

　　目前，200 mm晶片中，外延片占1/3。2000年，包括掩埋層在內(nèi)，用于邏輯器件的CMOS占所有外延片的69%，DRAM占11%，分立器件占20%。到2005年，CMOS邏輯將占55%，DRAM占30%，分立器件占15%。

　　LED外延片--襯底材料

　　襯底材料是半導體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的外延生長技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導體照明技術(shù)的發(fā)展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面：

　　[1]結(jié)構(gòu)特性好，外延材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)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強;

　　[3]化學穩(wěn)定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕;

　　[4]熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度小;

　　[5]導電性好，能制成上下結(jié)構(gòu);

　　[6]光學性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小;

　　[7]機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等;

　　[8]價格低廉;

　　[9]大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。

　　襯底的選擇要同時滿足以上九個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術(shù)的變更和器件加工工藝的調(diào)整來適應(yīng)不同襯底上的半導體發(fā)光器件的研發(fā)和生產(chǎn)。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有三種，即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底以及Si襯底。

　　評價襯底材料必須綜合考慮下列因素：

　　1.襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配：外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低;

　　2.襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配：熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會在器件工作過程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞;

　　3.襯底與外延膜的化學穩(wěn)定性匹配：襯底材料要有好的化學穩(wěn)定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降;

　　4.材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。當前用于GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有三種，即藍寶石和碳化硅以及硅襯底。其它諸如GaN、ZnO襯底還處于研發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。

　　氮化鎵：

　　用于GaN生長的最理想襯底是GaN單晶材料，可大大提高外延膜的晶體質(zhì)量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發(fā)光效率，提高器件工作電流密度。但是制備GaN體單晶非常困難，到目前為止還未有行之有效的辦法。

　　氧化鋅：

　　ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底，是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小，接觸勢壘小)。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前，ZnO半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質(zhì)量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有得到真正解決，適合ZnO基半導體材料生長的設(shè)備尚未研制成功。

　　藍寶石：

　　用于GaN生長最普遍的襯底是Al2O3。其優(yōu)點是化學穩(wěn)定性好，不吸收可見光、價格適中、制造技術(shù)相對成熟。導熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

　　碳化硅：

　　SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍寶石，目前中國的晶能光電的江風益教授在Si襯底上生長出了可以用來商業(yè)化的LED外延片。Si襯底在導熱性、穩(wěn)定性方面要優(yōu)于藍寶石，價格也遠遠低于藍寶石，是一種非常有前途的襯底。SiC襯底有化學穩(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高，晶體質(zhì)量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差，另外，SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發(fā)380納米以下的紫外LED。由于SiC襯底有益的導電性能和導熱性能，可以較好地解決功率型GaN LED器件的散熱問題，故在半導體照明技術(shù)領(lǐng)域占重要地位。

　　同藍寶石相比，SiC與GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有藍色發(fā)光特性，而且為低阻材料，可以制作電極，使器件在包裝前對外延膜進行完全測試成為可能，增強了SiC作為襯底材料的競爭力。由于SiC的層狀結(jié)構(gòu)易于解理，襯底與外延膜之間可以獲得高質(zhì)量的解理面，這將大大簡化器件的結(jié)構(gòu);但是同時由于其層狀結(jié)構(gòu)，在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺階出現(xiàn)。

　　實現(xiàn)發(fā)光效率的目標要寄希望于GaN襯底的LED，實現(xiàn)低成本，也要通過GaN襯底導致高效、大面積、單燈大功率的實現(xiàn)，以及帶動的工藝技術(shù)的簡化和成品率的大大提高。