InGaN的材料特性制程近来发展.docx
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InGaN的材料特性制程近来发展
InGaN的材料特性、製程、近來發展
姓名:
張郁妮
學號:
8522045
班級:
物三甲
指導老師:
郭艷光
前言:
以InGaN為主的二極體、雷射材料在最近幾年被發展出來後,由於市場價值高、發展潛力大,無論工商業界、學術、研究單位皆投入相當大的資本與人力,目前以日本日亞公司的產品最為成功,1997年10月30日(去年我生日的那一天),日亞公司在日本德島舉行的第二次氮化3-5族的國際會議中發表已製成在室溫下連續振盪的壽命估計可達1萬小時的InGaN藍光雷射二極體。
目前藍光LED及LD在量產技術方面,工研院的光電所以有很好的設備,當然業界也有幾家積極的投入,我們也預估在未來兩年內藍光LED燈、晶粒及晶片將陸續推出,這也是我們產業成熟的策略。
另外在學校的研究亦由國科會積極投入,以尖端計畫方式研究氮化鎵藍光雷射為目標,整合學校教授的大團隊,作五年長期研究,同時亦有許多自由行的研究計畫被提出執行,正是高科技產業的特質,在有量產產品技術之時同時發展下一波產品技術,才能在專利及時效上與世界先進產業同步競爭及永續經營。
發光二極體產業概況
●LED產業動態與趨勢
在PC、通訊網路等各類電子產品需求增加,以及行動通訊、彩色影像資訊、交通、能源、醫療、加工、檢測等新興需求帶動下,全球光電材料與元件市場持續維持成長,研發投入亦激增。
根據知名市場研究機構StrategiesUnlimited去年底表示,1997年全球光電市場總值達71.1億美元,年成長率達8.0%。
可見光LED自推出藍光LED產品而達成全彩化後發展方向除既有顯示、指示、光源等用途外,結合全彩化之多媒體電子產品亦為另一項重要發展方向,如全彩掃瞄器、大型LED全彩顯示幕等。
•國內概況
1997年我國LED級及LED顯示器等相關元件,其上中下游的海內外總產值共約新台幣187.7元。
LED中上游產值快速增加,產業結構日益完備,下游赴大陸生產規模擴大,整體成長高達21.1%,已躍居世界第二位;藍光LED亦有諸多研發進展。
(註一)
我國LED產動態與趨勢(表一)
中上游
擴大生產規模、資本規模
擴產高亮度四元化合物
磊晶製作、藍綠光GaNLED為研發重點
投入相關產品領域
下游
擴大生產規模、資本規模
增產Cluster、背光源…等
GaNLED為研發重點
投入新產品、相關產品領域
應用
大型全彩顯示器、各類號誌為發展重點
我國LED技術現況與趨勢(表二)
材料
技術現況
未來發展
相關單位
GaN
(MOVPE)
研發階段
(全彩)顯示、光源、照明等應用
工研院光電所,核能所、國聯、晶元、鴻程、學校等
GaP(LPE)、
GaAsP(VPE)、
GaAs(LPE)
仍為發展重點
強化上游地位
台科、漢光、信越、光磊、國聯、晶元等
AlGaAs
紅光高亮度
紅外光高速高功率
工研院光電所、漢光、光磊、國聯、晶元等
AlGaInP
(MOVPE)
已量產
黃(570nm)
橘紅(590nm)
紅(620nm)
提升MOCVD量產技術、檢測計術
工研院光電所、國聯、晶元、全新等
PolymerLED
研發階段
顯示、光源、照明等應用
工研院光電所、漢光、學校等
白光LED
研產中
顯示、光源、照明等應用
工研院光電所、億光、學校等
InGaN材料
●用InGaN的原因:
幾乎所有的研究單位、學術單位都將研究重點放在2-6族的化合物上,雖然已有發出光,但仍麵臨著穩定度的問題,光在數小時內即消失,使其無法應用於商業上。
以2-6為材料的光發射器,隨著材料內部缺陷的形成與擴散,僅能維持一至數百的小時,然而GaN的材料有個很棘手的問題是材料缺陷密度太高,但除此之外,穩定度非2-6族所能及,但也許這個棘手的問題正是GaN能致勝的原因。
(註二)
2-6族的優點是它們具有相同的晶格結構,但2-6足的半導體長晶的溫度(400℃)比起GaN(1000℃)來低得太多了,而且易碎,皆影響到其生命期;與GaN相關的材料皆在1000℃以上長晶,在原子排列的過程中加高溫再退火,使它們結構穩定且較堅硬。
因生長溫度高可使原子有充分的能量進行排列,因此它們雖然缺陷密度高但結構卻相當穩定(註三);且因有氮的混入,使其受環境溫度變化的影響小,對溫度的適應性高。
(圖一)AlGaN發光二極體元件圖
●長晶過程:
a.先將基板(Al2O3)在一大氣壓的氫氣中加熱至1050℃,在將其降溫至1000℃來長GaN的薄膜,如圖,在沉殿的過程中,主流H2、N2、TMG的流速分別為1.01mole/min、5.01mole/min、54mole/min,TMG為Ga的來源;副流的H2、N2流速分別為10mole/min、101mole/min,長晶時間為40分鐘,改變副流流速會影響長晶。
(註四)
(圖二)GaN長晶過程圖
b.即時接收:
在MOCVD中很難即時接收,現在有一種新的技術可同步觀察成長速度,稱為IR-RTI。
即利用窄波帶的可見光入射正在成長中的薄膜,穿過薄膜的光會產生干涉效應,利用干涉條紋強度的振盪可得知樣品的厚度。
此原理與Tetalon相同。
(註五)
c.蝕刻、鍍膜:
GaN材的特性與目前已在使用的3-5族光電半導體材料有相當的差別,因為基板不匹配。
GaN最通用的基板是Al2O3,它是一種絕緣體,因而GaN/Al2O3所作的LED或LD,都必需將p-型及n-型歐姆接觸作在同一面,因此需要有蝕刻的技術。
GaN是寬能隙的半導體材料,其p-型歐姆接觸本來就比熟知的材料困難,而n-型歐姆接觸又必需作在蝕刻後的表面,而蝕刻技術在光電元件方面有表面漏電流及影響發光強度的顧慮,通常使用化學液態蝕刻且儘量不使發光層材料暴露出來,以免影響元件壽命,但GaN化學惰性強,尚未找到適當的蝕刻法,只能採用BCl3等活性氣體離子蝕刻法,其離子的高速碰撞及鹵化物的殘留對元件的特質皆有影響,將會是生產良率的重要因素之一。
(註六)
d.其他:
LD鏡面:
以往採用的鏡面裂法亦因GaN六方晶體而必需採用活性離子蝕刻方式來形成,其反光效率及鏡面鍍膜都是製程上的重要挑戰。
●基板的種類與影響:
(表四)Al2O3基板與SiC基板的比較
Al2O3
6-HSiC
導電性
無
有
晶格不整合性
16.1%
3.5%
熱傳導率
0.46W/cm∙K
4.9W/cm∙K
熱膨脹
比GaN小,GaN會產生壓縮應力
比GaN大,GaN會產生抗拉應力
晶元尺寸
直徑2吋
直徑1.3吋
價值
數萬日圓
10~15日圓
製造公司
UnionCarbite、京瓷
美CreeResearch
SiC基板可直接劈開形成共振面,製程較簡單;而Al2O3基板則需用化學蝕刻法,製程較複雜。
此外,SiC基板導電性良好可將n-型電極安置在基板的裡面;而Al2O3為絕緣體p-型和n-型電極需安置在基板的表面,亦使製程變複雜。
唯價格高是SiC的缺點。
(註七)
●緩衝層的種類與影響:
1.AlN緩衝層:
若不加緩衝層時,在長晶過程中(IR-RTI)的振盪強度減少,約在三週期後不在振盪,長晶時間60min,振盪週期與TMG的流速(即GaN的成長速率)成反比。
(註八)
(圖三)
(圖四)
(圖五)
加入緩衝層後會使振盪加大,結果得知加入緩衝層時成長較快且品質較好,但與AlN的厚度無關。
(註九)
2.GaN緩衝層:
在大氣壓力下加熱基板至1050℃再降溫至450~600℃長GaN緩衝層,再加溫至1000~1030℃長GaN的薄膜。
當緩衝層的厚度為200Å時以GaN為緩衝層的膜具有較高的Hall-mobility。
載子濃度與GaN緩衝層的厚度有關,實驗結果顯示,以AlN為緩衝層的膜貢獻載子的能力較強。
綜合比較的結果,以GaN為緩衝層的GaN薄膜品質較好。
●橫方向再成長GaN:
在基板上用MOVPE先成長1~1.5nm厚的GaN,再在其上成長約0.1μm厚的SiO2,然後再用蝕刻法在GaN
方向形成寬約1~4μm,間距7μm的條紋,然後在其上成長10μm以上厚度的GaN,形成平坦的面。
(圖六)SiO2Mask
橫方向的成長可減少位錯的缺陷,原因有:
(1)SiO2下方的穿透位錯缺陷被SiO2擋住而無法向上延伸;
(2)在SiO2間的位錯缺陷會在SiO2上方被彎曲,平行於結晶表面以致減少穿透位錯缺陷(註十)。
當再成長的GaN超過某一厚度(視SiO2的厚度、間距而定),會發生聚合而形成平坦的面,如圖:
(圖七)橫方向再成長GaN
圖中a部分缺陷極少適合拿來加工作為雷射材料,而b部分缺陷太高則不適合。
●位錯缺陷的影響:
1.Mg會由位錯缺陷擴散到沒有摻雜的GaN中
2.會使量子井產生凹槽而減少光的發射
3.In含量分布的差異隨位錯缺陷的增高而提升(註十一)
●有效質量:
再物質中用某個相對質量來代表一個電子或電洞,利用這個質量來描述其在物質中的行為時與在真空中有相似的特性。
●透明電流:
能使上能階的有效電子數目與下能階的相同,此時的電流即為透明電流。
但此時無法產生雷射光。
●臨界電流:
能產生雷射光的下限電流。
比透明電流大。
gain
I
臨界電流
透明電流
(圖八)透明電流vs.臨界電流
●透明載子密度:
在透明電流通過的情況下,單位體積內有效的載子密度。
電流
電極
晶體
(圖九)透明載子密度
因GaN材料的有效質量較高,所以雷射操作時所需的透明載子密度也高,以致透明電流、臨界電流亦隨之提高,且載子生命期短。
●量子井:
當活性層窄到能階出現量子化的情形時活性層與p-型、n-型的能階差即稱為量子井,當量子景出現時雷射光減肥成功。
gain
(圖十)量子井示意圖(圖十一)gainvs.
Akasaki等人量Ga0.93In0.07N/GaN多量子景的激發光譜時發現量子井厚度低於3nm時其77KPL強度最強。
材料損失大時需要數目較多的量子井才能得到低的臨界電流;若損失小時則量子井數目應減少。
(註十二)
(圖十二)量子井數目vs.下限電流
●p-型雜質的摻入:
目前只有在成長時摻雜是成功的,但只有此法對元件製作產生諸多限制,對元件的結構及其壽命都將有不利的影響。
研發擴散摻雜或離子佈植摻雜所面臨的是高溫下磊晶材料表面保護問題
,也許GaN磊晶缺陷過多也是基本問題之一。
(註十三)
若用成長時摻雜法將Mg摻雜在以AlN為緩衝層的GaN薄膜中,會產生很大的電阻;而若使用以GaN為緩衝層的薄膜中,可得到較小的電阻。
例如:
基板
Al2O3
緩衝層
GaN
摻雜法
成長時摻雜
Cp2Mg的流速
3.6μmole/min
厚度
4μm
電阻(室溫)
320
Holemobility(室溫)
9cm2/Vs
電洞濃度
cm-3
●披覆層:
披覆層的用處是可以增加光與電的侷限,而增加發光效率。
以前的雷射用單層AlGaN作披覆層,但若厚度超出限定時,則會因為晶格不匹配而產生的應力發生斷裂痕跡。
J.Yamamoto等人發現如果直長一層AlGaN在GaN的上面
及下面作成AlGaN/GaN/AlGaN的結構時,表面有許多裂痕;但若作成GaN/AlN多層超晶格時,則表面平坦無裂痕。
日亞公司的Nakamura也採用了這個好主意,目前日亞公司的雷射n-披覆層用了125層Al0.14Ga0.86N(25Å)/GaN(25Å)的結構,而P-披覆層也用了同樣的結構,只是在n-披覆層中Al0.14Ga0.86N是用Si-摻雜的,GaN則無摻雜;在p-披覆層中Al0.14Ga0.86N是用Mg-摻雜的,GaN則無摻雜。
這種摻雜法叫做調節摻雜,可以減少電流經過的電阻,也就是減少操作時的電壓。
(註十四)
●調節摻雜:
調節摻雜首先被用來做高移動率的材料。
如果超晶格結構中AlGaN及GaN均用同一雜質摻雜,則雷射操作電壓為6~7V,假如只有AlGaN層有摻雜而GaN層不摻雜,則工作電壓降至4~5V。
原因是二個異質結構有不同的能隙以致中間產生突然的改變,電子傳導要靠熱能放射或隧道效應所以會產生較高的電阻,也就是較高的電壓。
若用調節摻雜則可得到平坦的倒電帶。
(註十五)
氮化鎵藍光材料的發展
●InGaN藍光雷射二極體
•在可見光的LED及DVD系統中,我們可預見未來波段的需求應在藍光。
藍光可使LED顯示器全彩化,可使DVD的存取密度大增。
•最近日亞公司已宣佈製成InGaN藍光雷射二極體,再在室溫連續陣盪時的壽命估計可長達一萬小時。
•拜藍光及紫外光二極體所賜,白光二極體也已被開發成功,此種能源如能取代目前的鎢絲燈泡,可節省許多能源。
•相較於白熾燈泡,LED的優點有:
發熱量少、壽命長、耗電量少、單色光發光、反應速度快、耐衝撞、耐候性佳、體積小、易小型輕量化等。
•目前我國研究氮化鋁銦鎵材料的特性及製程,除了工研院光電研究所以外,其他各公司、研究所、學校也相當踴躍。
●發展瓶頸:
(1)基板:
較難找到晶格相批配的基板。
(2)蝕刻:
尋求一種不影響元件壽命與發光效率的蝕刻方式。
(3)晶面:
因GaN六方晶體而必需採用活性離子蝕刻方式來形
成,其反光效率及鏡面鍍膜都是製程上的重要挑戰。
(4)雜質:
P-型雜質的摻入比以往的材料困難,如何找到更適當
的方法還有待研究。
●台灣LED未來發展與面臨問題
台灣LED產業未來發展,上游以高亮度磊晶片為發展方向、開始以AlGaInP高亮度磊晶片切入市場,下一步將開發InGaN高亮度磊晶片。
在發展過程中將遭遇到的瓶頸為MOVPE生產製程AlGaInP、InGaN產品結構設計研發人才不足。
關於MOCVD製程、AlGaInP與InGaN材料研究,國內學校沒有相關課程支援,僅以研究單位如工研院光電所與中山科學研究院研究開發為主,人才來源有限,支援上游產業發展顯得薄弱。
另一則是專利問題,大廠擁有材料結構上專利,如美國HP擁有AlGaInP,日本日亞化學擁有InGaN材料結構專利,如何克服專利的問題,對國內廠商而言是一大考驗。
LED中游產業則持續擴大產能,並擴充產品線,如增加光感測元件晶粒生產線等,主要需要生產方面的人才,由於製程上與IC半導體製程類似,所面臨的問題是如何留住人才。
LED下游產業則持續海外設廠、擴大產能,也開始半導體雷射封裝等新產品線,與加強提高紅外線LED產品比重(紅外線LED產品約占台灣產值4%)在未來發展上,業務擴展方面將需要市場人才,類似電子元件的產品應用工程師,與紅外線LED產品開發人才、產品測試技術。
發光二極體交通號誌燈
雖然早在30年前二極體已經問世,但直到最近這幾年高亮度磷化鋁銦鎵紅色、黃色二極體以及氮化銦鎵綠色發光二極體的開發成功,才使得以發光二極體來取代白熾鎢絲燈當作交通號誌燈光源的願望得以實現。
●白熾燈的優點:
價格便宜,每顆只要台幣40~100元。
●白熾燈的缺點:
1.壽命短、耗電量大
2.在燈泡壞掉以前,其亮度會因燈絲上蒸發出來的鎢原子沉積在玻璃上而減低
3.燈絲本身易由於振動或經常的亮滅而斷裂
4.玻璃易在運送或安裝過程中損壞
5.由於白熾鎢絲燈泡所發出的光為連續光譜,因此要產生紅、黃、綠塞光需要濾光片,而降低效率
6.具有一反射罩,造成擬似點燈現象,影響人們對紅、黃、綠的辨識能力
●發光二極體的優點:
1.壽命長、耗電量低
2.不需時常更換與維修
3.單色光,不需濾光
4.反射罩較小
種類
項目
發光二極體
白熾鎢絲燈泡
耗電量
15~20W
120~150W
使用壽命
>10年
5000~10000小時
擬似點
燈現象
不明顯
較嚴重
維修
幾乎免維修
每一信號燈是由幾百顆發光二極體所組成,因此一顆二極體壞掉並不會顯著影響信號燈亮度
需每年定期更換燈泡及不定時更換燈絲斷掉的燈泡
故障率
低
高
價格
US.100~300
US.2~3
美國運輸工程協會(ITE)對於發光二極體交通號誌燈的要求
顏色
尺寸
紅色
黃色
綠色
8in
116
535
231
12in
294
1362
588
高亮度發光二極體特性
種類
特性
磷化鋁鎵銦
紅色發光二極體
磷化鋁鎵銦
黃色發光二極體
氮化銦鎵
綠色發光二極體
波長
620nm~635nm
587nm~594nm
495nm~505nm
亮度
(I=20mA)
1.4燭光
1.7燭光
2燭光
每1℃溫度的變化導致亮度的變化
1%
1.5%
0.25%
由上表可見,以300顆高亮度的磷化鋁鎵銦紅色發光二極體組成的紅色號誌燈為例,其中心亮度可超過400燭光,並達到ITE的要求;但同樣以300顆高亮度的磷化鋁鎵銦黃色發光二極體組成的黃色號誌燈則只能達到500燭光以上,連ITE要求的一半都不到。
目前新一代的發光二極體交通號誌燈都在透光前罩有透鏡折光設計,如此可以有效的降低發光二極體使用數量,從500~700顆減少至200~300顆,並使得耗電量也同時降低。
(註十六)
個類號誌燈的成本比較
白熾鎢絲燈泡號誌燈
紅色發光二極體號誌燈
黃色發光二極體號誌燈
綠色發光二極體號誌燈
使用數目
1
300
300
300
價格
US.2.5
US.120
US.150
US.250
消耗功率
150W
20W
20W
20W
每年使用時數
假設紅燈亮的時間占60%
黃燈占5%,綠燈占35%
5256(紅燈)
438(黃燈)
3066(綠燈)
5256小時
438小時
3066小時
能源消耗
788(紅燈)
66(黃燈)
460(綠燈)
105
8.75
61.3
每年電費
US.78.8(紅燈)
US.6.6(黃燈)
US.46(綠燈)
US.10.5
US.0.875
US.6.13
還本期
1.7年
14.6年
5.9年
結論:
現代人的生活與光、電息息相關,而雷射、二極體更是集光、電之大成之作,為人們帶來福祉,其發展之迅速乃世人有目共睹,現在藍色發光二極體元件以開發成功,以使顯示幕達成全彩化,是科技的一大進步,可想見未來光碟儲存容量定會大增、許多白熾燈泡漸漸被淘汰、醫院中的手術刀也變成雷射刀,手槍變成雷射槍…,科技可以帶來進步亦可以帶來毀滅,改善現狀是科技存在的目的,如果人們用科技來互相傷害,將會使科技失去價值,我相信「科技始終源自於人性」。
附註:
註1.工業材料,1998/6月,P81~87。
註2.ShujiNakamura、GerhardFasol,TheBlueLaserDiode,Springer,
P11。
註3.同註2.。
註4.ShujiNakamura、GerhardFasol,TheBlueLaserDiode,Springer,
P36~39。
註5.ShujiNakamuraGerhardFasol,TheBlueLaserDiode,Springer,
P40。
註6.工業材料,1998/6月,P110~113。
註7.工業材料,1998/6月,P140。
註8.ShujiNakamura、GerhardFasol,TheBlueLaserDiode,Springer,
P42~43。
註9.ShujiNakamura、GerhardFasol,TheBlueLaserDiode,Springer,
P47。
註10.工業材料,1998/6月,P120~123。
註11.同註10.。
註12.工業材料,1998/6月,P117~118。
註13.工業材料,1998/6月,P112。
註14.工業材料,1998/6月,P118~119。
註15.工業材料,1998/6月,P119。
註16.工業材料,1998/6月,P106~109。
參考書目:
1.工業材料,1998/6月。
2.ShujiNakamura、GerhardFasol,TheBlueLaserDiode,Springer。
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