高性能LED制造与装备中的关键基础问题研究2011CB013100-G.doc

项目名称:高性能LED制造与装备中的关键基础问题研究首席科学家:刘岩深圳清华大学研究院起止年限:-:深圳市科技工贸和信息化委员会一、关键科学问题及研究内容本项目以高光效、高可靠性、大功率、低成本LED制造和装备所面临的五个关键技术挑战为突破口,围绕以下三个重要科学问题展开研究,突破LED产业链上、中、下游关键制造环节中的瓶颈。科学问题一大尺寸LED晶圆制造中影响光效、光衰的主要缺陷形成机理及抑制。随着LED芯片制造向大尺寸衬底晶圆、低缺陷密度、高光效方向发展,对衬底平坦化、外延生长、芯片制造技术及相关装备提出了一系列挑战。例如,大尺寸晶圆衬底表面必须高质量平坦化,否则其缺陷将延伸到外延层,直接影响外延层的质量。另外,由于晶圆尺寸增大,导致衬底制备和外延生长中晶圆翘曲,缺陷更加严重,导致量子效率下降。这些缺陷会直接影响光效、光衰。如何抑制缺陷、提高量子效率是大功率LED制造的关键问题。其中的技术难点包括:大尺寸同质衬底生成过程中的缺陷控制,MOCVD外延中的缺陷抑制和量子效率调控,超硬衬底材料表面原子级平坦化中的缺陷控制。需要解决的科学问题具体内涵包括:非均匀场和微扰动对衬底和外延层生长动力学过程的影响规律及与缺陷产生的关系,和难加工衬底材料原子级平坦化中的界面行为及缺陷控制原理。需要研究用于大尺寸GaN同质衬底制备的HVPE反应腔和用于大尺寸晶圆外延的MOCVD反应腔的设计方法,以实现反应腔内气体的均匀扩散和混合,温度场的均匀控制,保持层流和均匀的化学反应速率,晶体生长过程中不同沉积速率与反应物质流量控制的精确匹配,以满足外延生长中的波长一致性(偏差≤±5nm)、厚度和组分均匀性(偏差≤5%)等要求;研究超硬难加工衬底材料表面原子级平坦化(表面粗糙度Ra<)和高效去除(去除速率大于6μm/h)方法,解决衬底材料的平坦化难题。针对这些难点,设置三方面研究内容:大尺寸同质衬底生成及缺陷控制原理与装备实现建立适用于HVPE快速生长非平衡态体系的热力学过程和动力学生长模型,考虑化学反应及反应副产物等动力学因素,并利用此模型对外延膜表面的形核、长大及聚结进行深入分析;在反应腔尺寸放大条件下,进行流场温度场均匀性设计,实现GaN厚膜厚度均匀性和晶体质量均匀性控制;研究自支撑GaN厚膜HVPE的生长动力学特性,探索晶格失配、热失配、形核与聚结等对厚膜应力生成和积聚的影响规律,寻找降低或阻断应力和缺陷生成的方法,建立三维应力模型;为解决晶体生长过程中不同沉积速率与反应腔喷头、流量控制精度的匹配,减少多工作点不匹配造成的缺陷增多问题,构建由高温工艺腔联接的多腔分步反应腔系统,以高效率批量获得高质量GaN衬底。拟研究以下五部分内容:(1)HVPE生长非平衡态体系的动力学生长模型及三维应力模型;(2)反应腔尺寸放大条件下的均匀流场温度场设计;(3)GaN厚膜厚度均匀性和晶体质量均匀性控制理论;(4)应力和缺陷生成机理及其降低或阻断的方法;(5)多腔分步HVPE原理、装置及工艺实现。超硬衬底低缺陷、高效去除平坦化新原理与装备实现目前,为了提高LED发光效率,降低成本,对蓝宝石、SiC及GaN等LED衬底材料表面平整度、粗糙度以及材料去除速率等提出了更高的要求,其中对表面粗糙度的要求更是接近了物理极限值,对难加工衬底材料表面平坦化提出挑战。针对LED衬底晶圆平坦化,引入极小纳米粒子与接触催化原理相结合的思路,通过探索平坦化中晶圆表面材料的接触催化行为、材料去除机制与平坦化原理,实现难加工材料快速去除和高效平坦化;同时,通过探索极小纳米粒子行为、粒子粒度变化过程中材料去除机制的演变规律、平坦化过程中原子级去除机制,降低微缺陷,实现近极限光滑表面制造。拟研究以下五部分内容:(1)基于接触催化原理的高效平坦化方法;(2)超硬难加工衬底材料的原子尺度去除机制;(3)平坦化中界面行为与损伤控制;(4)基于催化原理的平坦化原理装置及工艺实现;(5)探索GaN衬底制备中的表面平坦化原理。3)MOCVD新型反应腔设计、LED缺陷抑制和量子效率调控针对220lm/W发光效率、6吋及以上外延晶圆的跨尺度(宏-微-纳-亚纳米)制造技术和MOCVD核心装备,探索多场(流场、温度场、化学场、浓度场等)耦合下反应腔的几何构造和气体输运方式与工艺参数的关系,以解决外延生长中膜厚和组分均匀性、波长一致性和生长可重复性难题,探索出大尺寸多片晶圆MOCVD反应腔设计新原理。揭示大尺寸晶圆外延生长中缺陷形成与抑制机理,建立外延生长缺陷与LED内量子效率的本构关系及芯片制造中的缺陷(如晶圆剥离损伤、裂纹、翘曲、键合界面的空洞等)与LED出光效率的本构关系,并解决自生长微纳结构透明电极制造与芯片阈值电压控制等难题,实现大尺寸LED外延片和高效大功率L