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红、橙、黄光外延片材料 工艺流程图 b. 工艺流程说明 MOCVD（金属有机化合物化学气相淀积）工艺原理是将TMGa（三甲基镓）、TMIn（三甲基铟）、TMAl（三甲基铝）等金属有机化合物以高纯氢气为载气送入生长室，同时将AsH3（砷烷）或PH3（磷烷）等氢化物通过另一气路送入生长室。根据流体动力学原理设计气流模型使金属有机化合物与氢化物按一定方式混合，在一定的温度和压力下发生化学反应，分解的镓、铟、铝等三族离子与砷或磷等五族离子沿基底单晶（衬底）表面外延生长一定组分的单晶薄膜。精确控制气相中各物质的摩尔比例可得不同组分的单晶薄膜，通过调节组分控制外延层与衬底的晶格匹配程度，组分调节还用以控制多量子阱（MQW）的不同发射波长。加入SiH4（硅烷）或DCPMg（环戊二茂镁）可得到N型或P型晶体。多层不同组分的单晶薄膜按照一定结构生长在一起组成复杂的LED功能结构材料。 AlGaInP四元系红、橙、黄光超高亮度LED外延材料衬底使用GaAs单晶片，厚度260微米。衬底经过腐蚀、清洗等表面处理后装入生长室，装入数量根据MOCVD设备容量而定，目前新型MOCVD设备一次可装2英寸衬底约50片，装炉后即可按照设计的工艺程序进行外延生长。对于AlGaInP材料首先生长高质量的N型GaAs缓冲层，用以屏蔽衬底中的位错等晶体缺陷。然后生长5～15周期的GaAs/AlAs DBR（分布式布拉格反射层），用以将有源层产生的光子发射出去，减少衬底吸收，提高外量子效率。之后依次生长N－AlGaInP下垒、MQW有源层、P－AlGaInP上垒，这是材料的核心结构，其中下垒用以限制空穴载流子，上垒用以限制电子载流子，空穴和电子被限制在多量子阱（MQW）有源层中发生辐射复合产生设计波长的光子。MQW结构一般生长15～40个周期，外延生长的关键是各外延层之间界面的陡峭过度及量子阱组分的精确控制。上垒生长完后最外层生长P－GaP电流扩展层，用以电流扩展和出光双重目的，由于GaP与GaAs衬底的晶格失配高达3.6％，生长的关键是如何得到高质量的GaP外延层，我们采用从低温到高温两步生长法成功解决了这一难题。生长程序结束，生长室降温后即可打开生长室取出外延片，对外延片进行各种光电性能检测。首先目测外延片表面，观察有无麻坑等缺陷，然后检测EL发光性能，测试EL发射波长，用X射线双晶衍射仪测试晶格匹配等。检测合格后即可包装入库。 蓝、绿光LED外延片 工艺流程图 蓝、绿光LED外延片工艺流程见 b. 工艺流程说明 GaN蓝、绿光LED外延材料使用Al2O3蓝宝石衬底，由于GaN与Al2O3蓝宝石衬底的晶格失配高达13％，因此生长晶格匹配的GaN缓冲层成为材料生长的难点和关键。通过改变生长温度和Ⅴ/Ⅲ比可得到高质量的GaN外延层。材料核心部分下垒为N－AlGaN、有源层为AlInGaN MQW，上垒为P－AlGaN，材料生长难点是InGaN中In组分的控制和P－AlGaN中P型浓度的控制，目前成熟的工艺是调节生长温度控制InGaN的生长，采用退火工艺提高P－AlGaN的P型浓度。生长结束后，对外延片进行表面和光电性能检测，检测合格后即可包装入库。 TMGa TMIn 包装入库 光电性能检测 光学性能检测 形貌检测 生长结束出炉 Mg GaP窗口层 Mg Ｐ－AlGaInP MQW有源层 Si Si N－AlGaInP 过渡层 AsH3 PH3 生长反应室 腐蚀清洗 GaAs衬底 蓝宝石衬底 TMAl TMGa TMIn 包装入库 光电性能检测 光学性能检测 Mg Ｐ+－AlInGaN Mg Ｐ－AlGaN MQW有源层 N=－AlGaN N2 生长反应室 图3—2 GaN系LED外延片工艺路线图 形貌检测 生长结束出炉 Si 非掺 NH3（兰氨） 腐蚀清洗 GaN Buffer层