LED芯片及其制备应用

2020年10月21日
19
半导体单晶生长及衬底片加工
晶棒成長
切片(Slicing)
研磨(Lapping)
清洗(Cleaning)
拋光(Polishing)
檢查(Inspection)
2020年10月21日
20
原料—长晶—定向—掏棒—滚磨—晶棒—定向—切片— 研磨—倒角—抛光—清洗—基片
2020年10月21日
20世纪初 元素半导体
硅（Si） 锗（Ge）
20世纪50年代 化合物半导体 砷化镓（GaAs） 铟磷（InP）
20世纪90年代 宽禁带化合物半导体
氮化镓（GaN） 碳化硅（SiC） 氧化锌（ZnO）
2020年10月21日
3
不是所有的半导体材料都能发光，半导体材料分为直接带 隙材料和间接带隙材料，只有直接带隙材料才能发光。
28
• 依制程的不同，可分为LPE(液相磊晶)、MOCVD(有机金 属气相磊晶)及MBE(分子束磊晶)。
• LPE的技术较低，主要用于一般的发光二极管
• MBE的技术层次较高，容易成长极薄的磊晶，且纯度高， 平整性好，但量产能力低，磊晶成长速度慢。
• MOCVD除了纯度高，平整性好外，量产能力及磊晶成长 速度亦较MBE为快，所以现在大都以MOCVD来生产。
LED芯片及其制备
2020年10月21日
1
主要内容
一、 半导体材料 二、LED芯片组成与分类 三、LED芯片用衬底材料 四、LED芯片的制备及应用
2020年10月21日
2
一、 半导体材料
半导体材料（semiconductor material）
是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之 间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来 制作半导体器件和集成电路的电子材料。
25
基本工艺流程
2020年10月21日
26
四、LED芯片的制备及应用
在半导体基片上形成一个与基片结晶轴同晶向的半导体薄层， 称为半导体外延生长技术，所形成的薄层称为外延层
p-GaN
N-GaN 缓冲层
蓝宝石
2020年10月21日
MQW
27
P、N极的分离表现为元素掺杂度的不同
2020年10月21日
直接带隙材料 电子可在导带 带底垂直跃迁到价带带顶，它 在导带和价带中具有相同的动 量，发光率高。
用于发光的直接带隙材料有 GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP 等。
2020年10月21日
4
间接带隙材料 电子不能在导 带带底垂直跃迁到价带带顶， 它在导带和价带中的动量不相 等，这种间接带隙材料很难发 光，即便能发光，效率也很低。
•
安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.10.2110:56:3010:56Oc t-2021- Oct-20
•
加强交通建设管理，确保工程建设质 量。10:56:3010:56:3010:56Wednesday, October 21, 2020
•
安全在于心细，事故出在麻痹。20.10.2120.10.2110:56:3010:56:30October 21, 2020
裂片设备
2020年10月21日
50
扩膜
由于LED芯片在划片后依然排列紧密，间距很小（约0.1mm）， 不利于后工序的操作。采用扩膜机对芯片的膜进行扩张，使 LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。
2020年10月21日
51
测试分拣
测试
分拣
VF（正向电压） IR（反向漏电流） WLD（波长） LOP（光输出）
碳化硅衬底(CREE公司专门采 用SiC材料作为衬底)的LED芯 片，电极是V型电极，电流是 纵向流动的。
采用这种衬底制作的器件的导 电和导热性能都非常好，有利 于做成面积较大的大功率器件。 碳化硅的热导率为490 W/(m·K)，要比蓝宝石衬底高 出10倍以上。
2020年10月21日
18
衬底与外延膜的结构匹配 衬底与外延膜的热膨胀系数匹配 衬底与外延膜的化学稳定性匹配 材料制备的难易程度及成本的高低
AS 芯片﹕Absorbable structure (吸收衬底）芯片
2020年10月21日
8
各单色纯芯片发光的LED
2020年10月21日
9
芯片按组成元素可分为：
☆ 二元晶片(磷﹑镓)：H﹑G等；
☆ 三元晶片(磷﹑镓 ﹑砷)：SR(较亮红色GaA/AS 660nm)、 HR (超亮红色GaAlAs 660nm)、UR(最亮红色GaAlAs 660nm)等；
21
2020年10月21日
22
2020年10月21日
23
2020年10月21日
24
通过对高纯原料熔融、化合物单晶生长、 切割、磨片、抛光、真空包装等工艺，制 成外延生长用衬底片。包括单晶生长炉、 抛光机 、变频行星式球磨机 、晶体切割 机等
高纯原料 化合物单晶 外延用衬底片
2020年10月21日
12
芯片按磊晶种类：
1. LPE： 液相磊晶法 GaP/GaP； 2. VPE： 气相磊晶法 GaAsP/GaAs； 3. MOVPE：有机金属气相磊晶法) AlGaInP、GaN；
2020年10月21日
13
三、LED芯片用衬底材料
2020年10月21日
14
① 蓝宝石衬底
优点：生产技术成熟，器件质量 较好，稳定性很好；机械强度高， 易于处理和清洗。
•
踏实肯干，努力奋斗。2020年10月21 日上午1 0时56 分20.10. 2120.1 0.21
•
追求至善凭技术开拓市场，凭管理增 创效益 ，凭服 务树立 形象。2020年10月21日星期 三上午10时56分30秒10:56:3020.10.21
•
严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年10月 上午10时56分20.10.2110:56October 21, 2020
2020年10月21日
48
倒膜
蓝膜：宽度22cm
倒膜时衬底朝上，有电极的 一面朝下。Βιβλιοθήκη Baidu
从分选机上卸下来的蓝膜比较小， 不便于包装、运输。必须把芯片 放在比较大的、美观的东西上面。
倒膜要倒两次，因为芯片工作是 在正面，所以正面不应该接触附 着物，否则会影响光电特性。
2020年10月21日
49
裂片
裂片前我们在片子上贴一层玻璃纸，防止裂片时刀对管芯的 破坏。
存在的问题：晶格失配和热应力 失配，会在外延层中产生大量缺 陷；蓝塞石是一种绝缘体，在上 表面制作两个电极，造成了有效 发光面积减少；增加了工艺过程， 制作成本高。
2020年10月21日
15
② 硅衬底
目前有部分LED芯片采 用硅衬底。硅衬底的芯 片电极可采用两种接触 方式，分别是L接触 (Laterial-contact，水平 接触)和V接触(Verticalcontact，垂直接触)。
因此必须有另一粒子参与后使 动量相等，这个粒子的能量为 Ep，动量为kp。
2020年10月21日
GaP
5
二、LED芯片组成与分类
LED芯片又称LED芯片， 英文叫做CHIP，它是 制作LED器件的主要材 料，由磷化鎵（GaP）， 鎵铝砷（GaAlAs）， 或砷化鎵（GaAs）， 氮化鎵（GaN）等材质 组成，其内部结构为一 个PN结，具有单向导 电性。
2020年10月21日
52
2020年10月21日
53
2020年10月21日
54
•
树立质量法制观念、提高全员质量意 识。20.10.2120.10.21Wednes day, October 21, 2020
•
人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。10:56:3010:56:3010:5610/21/2020 10:56:30 AM
2020年10月21日
38
光刻ITO
甩胶：将少许光刻胶滴在外延片上，用匀胶台在高速旋转 后形成均匀的胶膜。
前烘：使光刻胶的溶剂挥发，用于改善光刻胶与样品表面的 粘附性。
曝光：用紫外光通过光刻板曝光，曝光的区域发生化学变化。
掩 膜 板
2020年10月21日
39
曝光原理图
2020年10月21日
40
手动曝光机
☆ 四元晶片(磷﹑铝﹑镓﹑铟)：SRF( 较亮红色 AlGalnP )、
HRF(超亮红色 AlGalnP)、URF(最亮红色 AlGalnP 630nm)、 VY(较亮黄色GaAsP/GaP 585nm)、HY(超亮黄色 AlGalnP 595nm)、UY(最亮黄色 AlGalnP 595nm)、UYS(最亮黄色 AlGalnP 587nm)、UE(最亮桔色 AlGalnP 620nm)、HE(超亮桔色 AlGalnP 620nm)、UG (最亮绿色 AIGalnP 574nm) LED等。
蒸镀电极
剥离、合金
光刻胶 ITO
P-GaN
金电极
2020年10月21日
MQW
N-GaN
缓冲层 衬底
37
外延片
ITO
光刻ITO
腐蚀 坚膜 显影 曝光 前烘 甩胶
ITO氧化铟锡是Indium Tin Oxides的缩写。
作为纳米铟锡金属氧化物，具有很好的导电性和透明性，可 以切断对人体有害的电子辐射，紫外线及远红外线。因此， 喷涂在玻璃，塑料及电子显示屏上后，在增强导电性和透明 性的同时切断对人体有害的电子辐射及紫外线、红外线。
2020年10月21日
29
MOCVD
其过程首先是将GaN衬底放入昂贵的有机化学气相沉积炉 （简MOCVD，又称外延炉），再通入III、II族金属元素的 烷基化合物（甲基或乙基化物）蒸气与非金属(V或VI族元素） 的氢化物（或烷基物）气体。
在高温下，发生热解反应，生成III-V或II-VI族化合物沉积在 衬底上，生长出一层厚度仅几微米的化合物半导体外延层。 长有外延层的GaN片也就是常称的外延片。
2020年10月21日
6
2020年10月21日
7
芯片按发光亮度分类可分为：
☆ 一般亮度：R(红色GAaAsP 655nm)、H ( 高红GaP 697nm )、 G ( 绿色GaP 565nm )、Y ( 黄色GaAsP/GaP 585nm )、E(桔色 GaAsP/GaP 635nm )等； ☆ 高亮度：VG (较亮绿色GaP 565nm )、VY(较亮黄色 GaAsP/ GaP 585nm )、SR( 较亮红色GaA/AS 660nm )； ☆ 超高亮度：UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等。
2020年10月21日
41
显影：用显影液除去应去掉部分的光刻胶，已获得腐蚀时由 胶膜保护的图形。
显影后的图形
后烘：使光刻胶更坚固，避免被保护的地方发生腐蚀 腐蚀：用36%-38%的盐酸腐蚀ITO
2020年10月21日
42
光刻电极
掩膜板
2020年10月21日
43
显影后的图形
蒸发
剥离 合金
减薄
激光划片
2020年10月21日
10
LED的发光颜色、发光效率与制作LED的材料 和制程有关
借此可以控制LED所发 出的光的波长，也就是 光谱或颜色。
目前广泛使用的有红、 绿、蓝三种。
LED工作电压低(仅 1.5~3V)，能主动发光 且有一定亮度，亮度又 能用电压(或电流)调节。
2020年10月21日
11
2020年10月21日
电流可以纵向流动（V接触），因此增大了LED的发光面积， 从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件 的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。
2020年10月21日
16
V型电极芯片结构通常为单电极结构； L型电极的芯片结构通常为双电极结构。
2020年10月21日
17
③ 碳化硅衬底
外延片
2020年10月21日
34
为什么 有个缺 口呢？
倒角：晶片经过切割后边缘表面有稜角毛刺崩边甚至有裂缝或
其它缺陷，边缘表面比较粗糙。为了增加切片边缘表面机械强
度、减少颗粒污染，就要将其边缘磨削呈圆弧状或梯形。
2020年10月21日
35
2020年10月21日
36
光刻ITO
ICP刻蚀
光刻电极
2020年10月21日
30
2020年10月21日
31
双气流MOCVD生长GaN装置
2020年10月21日
32
MOCVD
英国Thomas Swan公司制造，具有世界先进水平的商用金 属有机源汽相外延(MOCVD)材料生长系统，可用于制备以 GaN为代表的第三代半导体材料
2020年10月21日
33
减薄：减小衬底厚度，利于切割、散热
2020年10月21日
44
蒸发原理图
2020年10月21日
45
贴膜
白膜：宽度为16cm,粘性随 温度的升高增加;
2020年10月21日
46
划片
激光打在蓝宝石衬底上，所用激光为紫外光，波长为355nm。
2020年10月21日
47
为了更好的把圆片裂开，需要让激光打在管芯轨道的中央位置， 调节激光的焦距，使激光聚焦在片子上表面，激光的划痕深度 尽量在25-30um。