led基础知识及外延工艺
LED基础知识培训-外延、芯片_图文(精)
LED基础知识培训-外延、芯片王立 2009-3-16 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation内容提要 1 2 3 4 LED器件基础知识 LED器件基础知识 LED材料生长 LED材料生长 LED芯片制造芯片制造高效率LED芯片设计芯片设计高效率 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 1、半导体发光的概念发光是物体内部以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。
发光是一种非平衡辐射。
区分各种非平衡辐射的宏观光学参量是辐射期间—去掉激发后辐射还可延续的时间。
发光的辐射期间在10-11秒以上。
Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识半导体发光的不同形态粉末发光。
薄膜发光。
结型发光。
通常所说的半导体发光是指结型发光——器件的核心在于p-n结。
半导体照明技术是结型电致发光和粉末光致发光的结合。
Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 2、半导体发光的研究历史 1907 ! Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 1923, O.W. Lossev of Russia reported electroluminescent light emission in silicon carbide crystals. 1937, F. Destriau of France reported (field-excited electroluminescence of zinc sulfide powders. 1939 – 1944 World War II 1951 – Solid State Lighting potential resurfaced when a team of researchers led by Kurt Lehovec started to investigate the electroluminescent potential of silicon carbide. 1962 – Nick Holonyak Jr, working at General Electric, gave the first practical demonstration of LEDs. 1968 – HP Labs develops the first commercially available light-emitting diode. GE, Bell Labs make the same claim. LEDs were first invented in England, Korea and China as well, depending upon who you talk to. …… 1994 –高亮度蓝光LED实现产业化，半导体照明成为可能。
led外延基础知识
测试频率 每炉都 视机台而定 视机台而定 GaAs专 每炉都做
（3）生长一套DBR反射镜。它是利用 AlGaAs和AlAs反射率不同，可达到增 强反射效果。减少衬底对发光光线的 吸收。
每层厚度：d=λ/4n 22 （d-每层厚度，λ-波长，n-折射率）
DBR n-AlGaAs/AlAs Buffer layer n-GaAs GaAs Ssubstrate
三、外延生长与测试
三、外延生长与测试
3.测试—外延片测试
测试项目 显微镜
PL
X－ray
E－CV
EL
测试内容
观察其 表面形
貌
测量光致发 测量外延片晶 光波长、相 格质量（用
对强度、 FWHM半高 FWHM、波 宽表示）、材
长均匀性 料组分、量子 阱周期及厚度
测量外 测量外延 延片的 片20mA 掺杂浓 下的光强
度 和波长 （粗测， 仅供参考）
p+ GaAs p-GaP TL p-AlGaInP p- Al0.5In0.5P xM)0.Q5InW0.5((PAAllxyGGaa11-yn)0-.4AInl00..56IPn0.5P DBR n-AlGaAs/AlAs Buffer layer n-GaAs
GaAs Ssubstrate
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控制单元：根据计算机输入的生长程序指令，对工艺进行控
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制。
二、MOCVD简介--衬底
衬底
四元LED：GaAs(砷化镓) 提拉器
特点：
晶种
真空包装和充氮包装
洁净环境下开封
开袋后无须其它处理
单晶
熔解 的晶
即可使用
体
坩埚
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衬底
LED外延片工艺流程
LED外延片工艺流程
第一步：材料准备
材料准备是整个工艺流程的第一步，主要包括液态外延源材料的配制，包括金属有机气相外延（MOVPE）的源气体、溶液或粉末，以及外延基片
的选择。
材料的选取和配制在工艺中起着至关重要的作用，决定了外延片
的质量和性能。
第二步：晶体生长
晶体生长是外延片工艺的核心步骤，它包括将材料加热到适当的温度，使其在外延基片上生长出晶体。
晶体生长的方法有多种，如流体外延法（MOCVD）、气相外延法（VPE）等。
晶体生长的条件和参数需要根据具体
材料和器件要求进行调整。
第三步：原始外延片加工
在晶体生长完成后，外延片需要进行一系列的加工步骤，以得到符合
要求的外延片。
这些加工步骤包括外延片去掉残留的外延材料、切割成适
当大小的片状、进行化学机械抛光（CMP）等。
第四步：表面处理
表面处理是为了提高外延片的表面质量和电学特性。
它包括去除表面
污染物、改善表面平整度、提高表面光洁度等。
常用的表面处理方法有氧化、化学溶液处理、离子注入、聚焦离子激活、成键等。
第五步：测试
测试是对外延片进行性能测量和质量检验的过程。
通过测试，可以评估外延片的电学特性、光电特性和可靠性，以确保其质量符合产品要求。
常用的测试方法包括IV测试、光谱测试、X射线衍射、显微镜观察等。
以上是一个大致的LED外延片工艺流程，不同的企业和研究机构可能会有一些微小的差异。
随着科技的进步和工艺的不断优化，LED外延片工艺流程也在不断演变，以提高LED器件的性能和可靠性。
LED基础知识及外延工艺课件
Create the Light, Light the W
MOCVD简介
表面反应原理
Ga(CH3)3 + NH3 = GaN +3CH4
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
MOCVD简介
工艺材料
波长λ（nm)
780～630 630～600 600～570 570～500 500～470 470～420 420～380
代表波长
700 620 580 550 500 450 420
• 光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带 宽度Ｅg有关，即 λ≈1240/Eg（mm）
• 电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量 ，大小为禁带宽度Eg。
在500-600度。
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
典型LED外延结构
2. uGaN
• U1层(Rough)，形成结晶质量较高的晶核 ，并以之为中心形成岛状生长。
• 首先在停止通入TMGa的情况下升至高温 ，在高温高压条件下，Buffer中结晶质量 不好的部分被烤掉，留下结晶质量较高 的晶核。此时反射率将下降至衬底本身 的反射率水平。
发光原理：在外加电场的作用下,n型半导体载流子电子、p型半导体载流子空 穴，这两种载流子进入量子阱中并相互结合，发出不同波长的光。
Create the Light, Light the World
LED基本构造 3E Semiconductor
GaN 简介
六方纤锌矿结构的GaN
GaN是宽禁带直接带隙半导体，禁带宽度约为3.4ev.
LED工艺流程完美讲解
LED工艺流程完美讲解LED（Light Emitting Diode）即发光二极管，是一种能够将电能转化为光能的半导体器件。
LED具有高效能、长寿命、节能环保等优点，广泛应用于照明、显示屏幕、信号传输等领域。
一、晶圆制备：晶圆是LED芯片的基础材料，一般采用氮化铝晶圆。
该步骤主要包括基片选择、基片清洗、基片架放置、磨割加工等。
基片清洗能够去除表面污染物，确保芯片质量。
二、外延生长：外延生长是指在晶圆表面逐渐沉积LED材料的过程，主要材料为三五族化合物，如氮化镓等。
该步骤是制备LED芯片的关键，需要严格控制温度、气压、混合气体比例等因素，以保证外延层的质量。
三、击晶：在外延层上，通过模具或激光刻蚀的方式，将外延层进行形状切割，形成各个LED芯片的形状。
击晶的过程需要精确控制切割深度和角度，以免损坏芯片。
四、脱胶：击晶的过程中，会在芯片表面形成胶层。
脱胶的目的是去除这些残留的胶层，以保证后续工序的顺利进行。
常用的脱胶方法包括化学脱胶和热脱胶。
五、划线：划线是在芯片表面进行金属线的印制，以连接芯片的正负极。
划线主要使用导电胶或金线，需要精细操作以保证线的精确位置和质量。
六、加工：加工步骤包括剥薄、抛光、荧光粉涂覆等。
剥薄是指将芯片由外延层剥离，使其达到所需的光学效果。
抛光是为了使外观更加光滑，提高反射率。
荧光粉涂覆是为了增强LED的发光效果。
七、金球焊接：金球焊接是将金属线与LED芯片连接的过程。
焊接方式包括热压焊接、超声波焊接等。
金球焊接需要高精度的设备，以确保焊接的稳定性和可靠性。
八、封装：封装是将LED芯片置于LED灯泡或LED显示屏等外壳中，以便安装和使用。
封装过程包括金膏涂覆、打枪、密封等步骤。
金膏涂覆是为了在芯片上形成保护层，提高散热能力。
打枪是将芯片固定在片头，以确保芯片位置准确。
密封是将芯片与外壳连接，并填充封装胶，以保护芯片。
九、测试：测试是对已封装的LED产品进行功能、亮度、颜色等方面的检测。
LED外延片--外延工艺
由LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事实上，LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。
发光二极管对外延片的技术主要有以下四条：①禁带宽度适合。
②可获得电导率高的P型和N型材料。
③可获得完整性好的优质晶体。
④发光复合几率大。
外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在，金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)技术生长III-V族，II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。
II、III族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3等，它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。
用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸汽，与V族的氢化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反应室，在加热的衬底表面发生反应，外延生长化合物晶体薄膜。
MOCVD具有以下优点：用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反应室中，可以通过控制各种气体的流量来控制外延层的组分，导电类型，载流子浓度，厚度等特性。
因有抽气装置，反应室中气体流速快，对于异质外延时，反应气体切换很快，可以得到陡峭的界面。
外延发生在加热的衬底的表面上，通过监控衬底的温度可以控制反应过程。
在一定条件下，外延层的生长速度与金属有机源的供应量成正比。
MOCVD及相关设备技术发展现状：MOCVD技术自二十世纪六十年代首先提出以来，经过七十至八十年代的发展，九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术。
目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子材料生产中得到广泛应用。
日本科学家Nakamura将MOCVD应用氮化镓材料制备，利用他自己研制的MOCVD设备(一种非常特殊的反应室结构)，于1994年首先生产出高亮度蓝光和绿光发光二极管，1998年实现了室温下连续激射10,000小时，取得了划时代的进展。
LED外延工艺
外延技术的分类
• • • • 外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在。 液相外延 （Linquid Phase Epitaxy LPE）3-4族化合物的外延 气相外延 （Vapor Phase Epitaxy VPE）硅的主要外延工艺 固相外延 （Solid Phase Epitaxy SPE）离子注入退火过程 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy MBE）
外延工艺
• 由LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事实上， LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延 材料。发光二极管对外延片的技术主要有以下四条： • ①禁带宽度适合。 • ②可获得电导率高的P型和N型材料。 • ③可获得完整性好的优质晶体。 • ④发光复合几率大。
外延制作工艺之化学气相淀积
• 化学气相淀积是反应物以气态到达加热的衬底表面发生化学反应，形成固 态薄膜和气态产物。 • 根据化学气相沉淀过程的需要，所选择的化学反应通常应该满足： • （1）反应物质在室温或不太高的温度下最好是气态，或由很高的蒸气压， 且有很高的纯度； • （2）通过沉积反应能够形成所需要的材料沉积层； • （3）反应易于控制。 • CVD可以制备金属薄膜和无机薄膜等 • 化学气相沉积种类很多，主要有：常压气相沉积、低压气相沉积、超低压 CVD/等离子体增强型CVD、激光增强型CVD、金属氧化物CVD等方法 • 按照发生化学种类不同还可以分为：热解法、氧化法、还原法、水解法、 混合反应等
外延制作工艺之化学气相淀积的优缺点
• CVD制备的薄膜最大的特点是致密性好、高效率、良好的台阶覆、孔盖能 力、可以实现厚膜淀积、以及相对的低成本 • 缺点：淀积过程容易对薄膜表面形成污染、对环境的污染等 • 常压CVD特点：不需要很好的真空度、淀积速度非常快、反应受温度影响 不大，淀积速度主要受反应气体的输运速度的影响 • MOCVD优点：反应温度低，广泛应用在化合物半导体制备上，特别是高亮 LED的制备上。
LED外延片基础知识
LED外延片基础知识外延片的生产制作过程是非常复杂，展完外延片，接下来就在每张外延片随意抽取九点做测试，符合要求的就是良品，其它为不良品(电压偏差很大，波长偏短或偏长等)。
良品的外延片就要开始做电极(P极，N极)，接下来就用激光切割外延片，然后百分百分捡，根据不同的电压，波长，亮度进行全自动化分检，也就是形成LED晶片(方片)。
然后还要进行目测，把有一点缺陷或者电极有磨损的，分捡出来，这些就是后面的散晶。
此时在蓝膜上有不符合正常出货要求的晶片，也就自然成了边片或毛片等。
不良品的外延片(主要是有一些参数不符合要求)，就不用来做方片，就直接做电极(P极，N极)，也不做分检了，也就是目前市场上的LED大圆片(这里面也有好东西，如方片等)。
半导体制造商主要用抛光Si片(PW)和外延Si片作为IC的原材料。
20世纪80年代早期开始使用外延片，它具有标准PW所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
历史上，外延片是由Si片制造商生产并自用，在IC中用量不大，它需要在单晶Si片表面上沉积一薄的单晶Si层。
一般外延层的厚度为2~20μm,而衬底Si厚度为610μm(150mm直径片和725μm(200mm片)。
外延沉积既可(同时)一次加工多片，也可加工单片。
单片反应器可生产出质量最好的外延层(厚度、电阻率均匀性好、缺陷少);这种外延片用于150mm“前沿”产品和所有重要200mm产品的生产。
外延产品外延产品应用于4个方面，CMOS互补金属氧化物半导体支持了要求小器件尺寸的前沿工艺。
CMOS产品是外延片的最大应用领域，并被IC制造商用于不可恢复器件工艺，包括微处理器和逻辑芯片以及存储器应用方面的闪速存储器和DRAM(动态随机存取存储器)。
分立半导体用于制造要求具有精密Si特性的元件。
“奇异”(exotic)半导体类包含一些特种产品，它们要用非Si材料，其中许多要用化合物半导体材料并入外延层中。
外延工艺基本知识
1.外延片指的是在衬底上生长出的半导体薄膜,薄膜主要由P型，量子阱，N型三个部分构成。
现在主流的外延材料是氮化镓(GaN),衬底材料主要有蓝宝石，硅，碳化硅三种，量子阱一般为5个，通常用的生产工艺为金属有机物气相外延(MOCVD)。
这是LED产业的核心部分，需要较高的技术以及较大的资金投入(一台MOCVD一般要好几千万)。
2.外延片的检测一般分为两大类:一是光学性能检测，主要参数包括工作电压，光强，波长范围，半峰宽，色温，显色指数等等，这些数据可以用积分球测试。
二是可靠性检测，主要参数包括光衰，漏电，反压，抗静电，I-V曲线等等，这些数据一般通过老化进行测试。
3.需要指出的是，并没有白光LED芯片，只有白光LED灯珠/管，即需要进行封装才能获得白光小LED灯，也叫灯珠，管子。
白光LED一般通过两种途径获得：一是通过配光，将红绿蓝三色芯片进行配比封装获得白光LED.二是通过荧光粉转换蓝光LED，从而获得白光LED.芯片的制造过程可概分为晶圆处理工序（Wafer Fabrication）、晶圆针测工序（Wafer Probe）、构装工序（Packaging）、测试工序（Initial Test and Final Test）等几个步骤。
其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前段（Front End）工序，而构装工序、测试工序为后段（Back End）工序。
1、晶圆处理工序：本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及电子元件（如晶体管、电容、逻辑开关等），其处理程序通常与产品种类和所使用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤，最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。
2、晶圆针测工序：经过上道工序后，晶圆上就形成了一个个的小格，即晶粒，一般情况下，为便于测试，提高效率，同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品；但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。
LED外延工艺
外延制作工艺之液相外延
• • • • 缺点 当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长发生困难。 由于生长速率较快，难以得到纳米厚度的外延材料。 外延层的表面形貌一般不如气相外延的好。
外延制作工艺之液相外延
• • • • • • • • • 工艺流程 1.准备工作 1）石墨舟处理 2）反应管处理 3）炉温设定 4）衬底制备 5）生长源称量 6）生长材料腐蚀清洗 2.外延生长步骤 1）开炉 2）清洗玻璃和石英器皿 3）称好溶液后应立即装入石墨舟源槽中，以减少在空气中的氧化和玷污 4）抽真空通氢气 5）脱氧 6）装源 7）熔源 8）外延生长 9）关炉取片
外延制作工艺之化学气相淀积
• 化学气相淀积是反应物以气态到达加热的衬底表面发生化学反应，形成固 态薄膜和气态产物。 • 根据化学气相沉淀过程的需要，所选择的化学反应通常应该满足： • （1）反应物质在室温或不太高的温度下最好是气态，或由很高的蒸气压， 且有很高的纯度； • （2）通过沉积反应能够形成所需要的材料沉积层； • （3）反应易于控制。 • CVD可以制备金属薄膜和无机薄膜等 • 化学气相沉积种类很多，主要有：常压气相沉积、低压气相沉积、超低压 CVD/等离子体增强型CVD、激光增强型CVD、金属氧化物CVD等方法 • 按照发生化学种类不同还可以分为：热解法、氧化法、还原法、水解法、 混合反应等
半导体照明之外延工艺及设备
李炳睿 2016.09.24
外延制作工艺
什么叫外延？
在单晶衬底上按照衬底晶向生长单晶薄膜的工艺被称为外延。 长有外延层的晶体片被称为外延片。
外延的分类
• 1.正向外延：在低阻衬底材料上生长高阻外延层的工艺 。 • 2.反向外延：在高阻衬底材料上生长低阻外延的工艺。 • 3.同质外延：生长的外延层与衬底是同一种材料。 • 4.异质外延：外延生长的薄膜材料与衬底材料不同，或 者生长的化学组分、甚至物理结构不同的外延层。
LED基础知识及外延工艺
支架
散热基板
LED的支撑部件，通常由金属制成，具有良 好的导热性和导电性，能够将芯片产生的 热量传递出去。
用于将LED芯片产生的热量传导至外部，提 高散热效率，保证LED的稳定运行。
LED封装流程
固晶
将LED芯片固定在支 架上，通过银胶等导 电胶进行连接。
焊线
将芯片的电极与支架 的电极进行连接，通 常采用金线焊接的方 式。
LED未来发展趋势与展望
高效节能
01
随着全球能源危机和环保意识的提高，高效节能的LED照明产品
将更加受到市场青睐。
个性化定制
02
随着消费者需求的多样化，LED照明产品将更加注重个性化定制
和差异化竞争。
智能化发展
03
结合物联网、人工智能等技术，实现LED产品的智能化和远程控
制，提高用户体验和价值。
THANKS
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表面贴装封装
将LED芯片粘贴在PCB板或其他基板 上，具有体积小、易贴片等优点。
功率型封装
适用于高功率、大电流的应用场景， 具有散热性能好、可靠性高等特点。
集成式封装
将多个LED芯片集成在一个封装内， 可以实现多色发光或多路亮度调节等 功能。
05
LED性能参数与测试
LED的光电参数
发光波长
LED的发光波长是决定其颜色和光谱特性的重要参数，不 同应用场景需要不同波长的LED。
发光亮度
发光亮度决定了LED的视觉效果和照明强度，是评价LED 性能的重要指标。
发光效率
发光效率是指LED将电能转化为光能的效率，是评价LED 性能的重要参数。
LED的热学参数
01
02
03
结温
完整版LED基础知识及外延工艺共44页
21、静念园林好，人间良可辞。 22、步步寻往迹，有处特依依。 23、望云惭高鸟，临木愧游鱼。 24、结庐在人境，而无车马喧；问君 何能尔 ？心远 地自偏 。 25、人生归有道，衣食固其端。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 —Байду номын сангаас左