由于新應用范圍激發的驅動, LED技術快速地進步。用于筆記本電腦、桌上型電腦顯示器和大屏幕電視的背光裝置是當今高亮度LED的關鍵應用,為將要制造的大量LED創造需求。除了數量方面之外,這種LED也必須滿足關于性能和成本的嚴格要求。因此,生產技術對LED制造商的成功而言很重要,超出了以往任何時候。

　　高亮度LED的關鍵制造技術之一是 MOCVD 技術。由于整個豎式LED結構采用MOCVD技術生長,這種技術不僅僅決定LED的質量和性能,而且在很大程度上決定LED制造的產量和成本。因此,MOCVD生產率的優化和營運成本的減少是MOCVD系統制造商的一個關鍵目標。影響MOCVD工藝的生產率和成本的精確參數分析是任何改善努力的前提。通過這種分析,我們發現產率(每單位時間生產的晶圓面積)和產量是關鍵特性。

　　通過采用更大的晶圓尺寸改善產率(4英寸和6英寸)

　　所有LED(藍、綠或白光的LED)的主要部分是以GaN/InGaN/AlGaN材料為基矗到目前為止,大部分LED都是在2英寸藍寶石襯底上制造的。因此,近年以來,MOCVD產率的任何進展都是通過增加MOCVD反應爐的載荷量而獲得。當前GaN/InGaN/AlGaN生長的最流行MOCVD系統是行星反應爐和近耦合噴淋頭式反應爐,分別供給42片2英寸和31片2英寸兩種晶圓(圖1)。這些轉化成令人難忘的高產率和低擁有成本。然而,這通過轉變成較大晶圓尺寸而進一步改善。在這個時候,一些主要LED制造商已經開始轉入4英寸,并且大部分其他的制造商打算進行同樣的轉變。由于MOCVD工具已經具備適合大尺寸晶圓生長的能力,這個決定是很容易的。

圖1. CRIUS? CCS?反應爐(31x2”)和AIX 2800G4 HT行星式反應爐(42x2”)

　　在上述提及的MOCVD系統中,從2英寸到4英寸(甚至6英寸)晶圓的轉變可以僅僅通過更換MOCVD反應爐中的一些部件配置很容易地完成。然而主要的反應腔和部件將保持相同,因此使調整硬件和工藝的需要減到最校通過這樣做,比如行星反應爐,可以從一個42x2” 設置轉化成一個11x4”或6x6”類型。雖然這樣轉換的成本相對低,但是在產率方面有明顯的效益。為了獲得定量的了解,計算相當于不同晶圓直徑的滿晶圓負荷的總晶圓面積是有幫助的。42x2” 配置相當于851 cm2。轉換成11x4” 或 6x6” 分別產生891 cm2和1094 cm2的晶圓面積。可以從這些數字計算產率的相對增加。另外,必須考慮到外部幾毫米通常排除在可用晶圓面積之外。如果選擇了較大晶圓面積,那么已排除面積占總晶圓面積的百分數明顯更低。表1顯示了這種計算的結果。

　　然而上面討論的產率增加,并不是增加MOCVD系統生產率的唯一措施。同時,外延片的均勻性必須改善到確保LED工藝的最高芯片成品率的一個水平。從MOCVD反應爐的設計方面來說,這必須轉化成一些特定要求。由于MOCVD RUN的均勻性主要是由良好控制的氣相動力學和一致的溫度分布決定,必須選擇穩健設計,才能以正確的方式來控制這兩個參數。

　　在行星式反應爐中,決定氣相動力學的關鍵裝置之一是噴嘴。為了獲得最大穩定性和調整均勻性的能力達到最大,開發了特殊的噴嘴。三束流噴嘴有三個分開的注水區域,不僅允許獨立地注入第III組和第V組氣體,而且提供在上面的一個額外吹掃氣流(圖2)。這種層流注入氣體避免任何類型的再流通,使之沒有沉淀物。此外,通過調整上部氣流,以準許微調生長的均勻性。噴嘴的設計也確保注入幾何體保持固定并且氣體以一種嚴格水平的方式注入。這意味著不需要機械調整,以獲得突出的和可重復的均勻性。

圖2. 用于AIX 2800G4 HT反應爐的三束流噴嘴

　　為了獲得橫跨整個晶圓負載的可重復生長溫度和一致的溫度分布,使用射頻加熱。這種加熱方法沒有顯示溫度設定的任何長期移動或突然移動。在MOCVD反應爐的設計和開發期間,廣泛的數值模擬用于決定在所有相關工藝體制中顯示最好均勻性和穩定性的加熱器設置。

　　在4” 和 6” 晶圓獲得的生長結果完全地確認了這一點。比如,在11x4”配置中生長的一個4” 晶圓生長如圖3所示。

圖3. 在一個AIX 2800G4 HT反應爐的11x4”配置和在11x4”配置中生長的藍色MQW結構的PL均勻性。均勻性(標準偏差)是0.8 nm

　　轉換到6x6”配置提供相似的均勻性。重要的是注意晶圓翹曲,這是晶格不匹配和多層熱膨脹系數的差異所導致的應力效果,需要在這種大晶圓上小心進行控制。這樣做會取得令人印象深刻的均勻性,如圖4顯示。

圖4. 在一個AIX 2800G4 HT反應爐的6x6”配置和在6x6”配置中生長的藍色MQW結構的PL均勻性。均勻性(標準偏差)是1.8 nm