LED晶片芯片制程与教程

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

白光LED 3000~10000以UV为激发源
<0.001MS 冷发光
约10万HR 省电约90% 价格高,技术未成熟

张鹏志 13751126416 QQ:7161150
白光LED未来研发动向
发展方向
发光效率提升 GaN短波长发光源 高外部能量转换效率 高荧光材料能量转换
成本降低 LED品粒成本降低 高操作功率技术
产生方式
优点
缺点
多晶 型
红、绿、兰 三色 LED
高发光效率,光色可调
须三种晶片,各晶片需有个别 电路,衰减及寿命不同,成本

兰色LED配合黄色 荧光粉
单一晶片即可发白光,成本低, 制作简单
发光效率低,演色性差,不同 输出电流使光色改变,容易有
光色不均匀之月晕现象
单晶 兰色LED配合红色 光谱为三波长分布,演色性较 光色随电流而改变可能有月
散热
目前 60LM/W 460 nm
10% 60%
If:20MA 0.1mm²
未来 120LM/W
380nm 40% 90%
If:350 MA 1mm²
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
各种白光技术三优缺点比较
①兰色LED配合黄色荧光粉(钇铝石榴石结构),目前一般使用此方法。 ②兰色LED配合红、绿色荧光粉(主要以含硫在荧光粉),OSRAM、Luminleds专利,沿未商品化。 ③UV-LED配合红、绿、兰三色荧光粉,产生光显似日光灯,是未来主力。
ZnSO
兰色
GaP:Zn.0
红色
GAP:N
黄绿
GaAsP:N

SiC
兰色
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
波长
636 650 590 470 520 372 590 512 650 565 590 470
发光效率 1M/W 35 8 40 10 34 0 14 17 4 1.8 1 0.02
基座
基座
基座
(Diffusion)
基座
晶粒 固晶焊線 封裝
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
半导体的特性
1.晶格(lattice) 原子在晶体中周期性的排列称为晶格,而晶格所含之排列周期性的的空间称为单胞( 晶格决定了晶体的材料性质,也决定光电特性.
固体材料依其结晶性, 可分为三种: ①非晶(amophous) ②多晶(poly-crystalline) ③单晶(single crystal).
n-GaAs基板
HF 溶液
p-AlGaAs局限层
AlGaAs 活性层
nn-A-GlGaaAAssp局限层
n-AlAs 蚀刻层
n-GaAs基板
(C)双行双异质结构DDH 备注:晶片亮度DDH>DH>SH
N
n-AlGaAs局限层 n-AGlaGAasAps 活性层 p-AlGaAs局限层 永久性基板
P
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
封装
将单晶棒锯切成片状晶圆,并加以抛光处理
以各种磊晶技术(如MOCVD),将LED结构成长在晶圆上
利用金属化制程,蚀刻制程和微影制程,制作电极图案
将磊晶晶圆减薄到期望厚度(一般基板减至220~250μm, 蓝宝石基板为80μm),并切成晶粒.
固晶、焊线、封胶、分光、TYPING等
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
a.晶格匹配
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
磊晶层 基板
b.晶格差配
磊晶层 基板
半导体材料
1.半导体材料的分类; 依构成的元素可分为: ①元素半导体 如:硅(Si) ②化合物半导体 化合物半导体又可分成: ①四-四族化合物 如: 碳化硅
(SiC) ②三-五族化合物 如: 砷化镓
量子效率 % 24 16 10 11 10 7.5 3.5 5.3 5 0.3 0.3 0.02
磊晶法
MOCVD LPE
MOCVD MOCVD MOCVD MOCVD MOCVD
MBE LPE LPE VPE CVD
元件形成
DH DH DH MQW MQW DH MQW DH SH SH SH SH
②布吉曼水平式长晶法 (HB)
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
③垂直梯度冷却式长晶法(VGF)
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
三种长晶法的对比
VGF
HB
晶片缺陷
非常少

应用

中等
均匀性


尺寸可增加性 好

LEC 高

劣 好
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
①非晶 ③单晶
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
②多晶
2.晶体结构 ①闪锌矿结构为立方晶系,如砷化镓(GaAs) ②纤维锌矿结构为立方晶系,有二个晶格常数(a,b),如氮化镓(GaN)
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
3.能隙(Energy Gap 或 Band Gap)

及绿色荧光粉
高,光色及色温可调
晕现象,但较不明显
UV-LED配合红、绿、 兰三色荧光粉
InGaN/GaN MQW GaN 成核层
P
P-GaN N-GaN 蓝宝石基板
Ni/Au TCL
N
Ti/Al/Ti/Au 焊
接垫
备注:改变活性层InXGa1-XN的值,就可以改变LED的发光波长, X值越大,发光波长越大, 0≤X ≤ 1
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
白光发光LED
①寿命长 ②由电较换为光的效率高、耗量少 ③体积小 ④兼具省电和环保概念
色温(K) 回应时间 发光现象
寿命 耗用量 缺点 耐振动及
白炽灯泡 2500~3000 <120MS
热发光 约1000HR
1 高耗电、命短、易碎

白光灯 3000~10000
<60MS 气体发光 约6000HR 省电50% 易碎、汞污染
导电带 导电带与价电带之间的差量,称为能隙.
4.光电导体的二个重要参数
Eg ~ 1-3eV
a. 能隙 eV b. 晶格常数 Ǻ
径Ǻ
, 导电能力
能隙 ,导电能力 晶格共价半
价电带
5.晶格匹配
a. 光电导体,由二层以上半导体材料堆叠在半导体基板而形成,堆叠在基板上的半导体材料为磊 晶层.
b.磊晶层与基板晶格常数相同或接近称谓为晶格匹配,反之为晶格差配.
ALInGaP系LED
此系列包括560nm绿光,590nm琥珀光,625nm橘红光,以MOCVD磊晶技术成长
P-GaP:Mg P-AlInGaP:Mg
AlInGaP/InGaP MQW n-AlInGaP:Si
AlGaAs/GaAs DBR GaAs基板
多重量子井(Multiple-Quantum Well,MQW) 布拉格反射镜 (Distributed Brag Reflector,DBR)
磊晶
磊晶在半导体的应用,指在某一晶格上成长另一完整排列的晶格,其系统主 要包含4部份。
①材料供应系统 ②加热系统 ③真空系统 ④气体供应系统和成长反应腔 目前常见的磊晶技术:
a:液相磊晶法 LPE b:气相磊晶法 VPE c:有机金属化学气相沉渍法 MOCVD d:分子束磊晶法 MBE
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
N
•GaAsP系LED,以气相磊晶技术VPE 磊晶
①585nm黄光
②630nm橘光
③650nm红光
P
n-GaAsP n-GaAsp
GaAs P 组成想渐变层
GaP基板
N
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
AlGaAs系LED
按结构分为(a)单异质结构SH、(b)双异质结构DH和(c)双行双异质结构
可见发光二极管
目前常见之LED大约可归纳为4种 ①GaP/GaAsP系LED (Gap:红680nm、黄绿575nm GaAsP:黄光585nm、630橘光、 650红光)
②ALGaAs系LED
(红660nm)
③ALINGaP系LED
(绿光560nm、琥珀光590nm、橘红光625nm)
④GaN系LED
(GaAs) ③二-六族化合物 如: 硒化锌
(ZnSe) ④四-六族化合物 如: 硫化铅
(PbS)
若周依期构成元II 素的数I量II 分,化合I物V 半导体也V 可分成为V:I
2
硼B
碳C
氮 N①二元化氧 合O 物半导体
镓(G3aAs) 镁 Mg
铝 A1
矽 Si
磷P
硫S
4
锌 Zn
镓 Ga
锗 Ge
砷 As②三元化硒 S合e 物半导体
微影制程(光罩,蚀刻)
光源(汞弧光灯)
㈠投影曝光法 ㈡光罩 ㈢光阻(正,负光阻
法)
基板
光罩
基板
正光阻法
镀着在玻璃上 的金属膜图案
光阻
负光阻法
基板
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
研磨制程
半导体基板或晶圆厚度为350~430UM,为方便切割及减 少串联电阻,
需磨到220~250UM(一般)或85UM(艺宝石),有二种方式
DDH
N
n-ALGaAs p-AlGaAs p-GaAs基板
N
n-AlGaAs局限层
n-AGlGaAaAssp活性层
p-AlGaAs局限层 p-GaAs基板
P (a)单异质结构SH
(b)双异质结构DPH
p-AlGaAs局限层
AlGaAs 活性层 n-nG-AaAlGsapAs 局限层 n-AlAs 蚀刻层
备注
晶片电极制作
金属化制程
①热阻式蒸镀 用于取低溶点的金属,如铝(AL)、金(AU)、镍(NI)
②电子枪蒸镀 (右图) 目前LED制程最普遍使用
③电浆溅镀(PLasma) 广泛应用于半导体制程
金属蒸气
晶圆
坩锅
电子束 金属
电子束产生器
抽真空
张鹏志 13751126416 大电流 QQ:7161150
(紫光400nm、蓝光470nm、绿光525nm)
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
GaP/GaAsP系LED
•GaP 680nm 红光(液相磊晶 LPE磊晶) GaP 570nm 黄绿光(液相磊晶 LPE磊晶)
P
P-Gap:Zn,0 N-GaP:Te N-GaP:S基板
N
P
P-Gap:Zn.N N-GaP:S.N N-GaP:S基板
真空(TORR) 成长
成长速率 磊晶品质 表面形成 实用性
生产品
制程
LPE
VPE
MOCVD
MBE
760 低 快 很好 佳 差 GaP GaAs INGaP
倾斜冷却成长法
760
10ˉ2
≤10ˉ9

昂贵
昂贵


很慢

很好
很好






Gap.GaN 厚膜 > 10μm
AIGaInP INGaAsP
GaN
备注:改变活性层中(AlXIn1-X)0.5Ga0.5P的X值,就可以改变LED的发 光波长,当X值愈大时发光波长愈短,其中0≤X ≤ 1,而且当X值 ≥0.65时,就变成了间接半导体.
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
GaN系LED
包括400nm紫光470nm兰光,525nm绿光,以MOCVD磊晶技术成长。
铝镓5(AlGa镉AsCd)
铟 INFra Baidu bibliotek
张鹏志 13化751铟1266镓416(In汞GHagAsP)
QQ:7161150
锡 Sn
锑 Sb
碲 Te
③四元化合物半导体
铅 Pb
鈊 Bi
如:砷化 如:砷化 如:磷砷
单晶成长
①柴可拉斯基液封式长晶法 (LEC)
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
1.研磨法 2.切割法
切割制程
冷却水
a.轮刀式轮切刀 割法
电极
b.鑽石式切割法
电极
钻石上视图
电极
雷射光束
c.雷射式切割法
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
发光效率
影响LED发光效率因素很多,其中包括材料品质、元件结构和制程等,其定
义为量子效率。
㈠内部量子效率
要优化条件,方可得到最大内部量子效率
㈡外部量子效率
影响外部量子效率的因素有三种;
a:费莱斯涅乐损失(FRESNL LOSS)
LED所发身的光子必需由半导体进入空气,因此光子必须传输
穿越二者
之间的界面,其中一部分光会透射进入空气,一部份光被反射回
半导体。
b:临界角损失
考虑光子傾斜入射界面情形,即折射。
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
LED 的晶片制程
LED的主要制程可以分为三个阶段:前段、中段、后段(也称:上游、中游、下游。专业术语 为:材料生长、芯片制作、器件封装)
原料开始
Ga/As 原料合成

多晶半导体
蒸馏还原,形成GaAs多晶

单晶成长
以各种长晶法(如柴氏长晶法),成长GaAs单晶棒(ingot)
中 游 游下
晶圆(基板) 磊晶生长 晶片制作 晶粒制作
AIGaAs INGaAs AIGaSb
①三氯化物气相磊晶法 ②氢化物气相磊晶法
热分解反应磊晶技术
超高真空下,以蒸馏用 分子束形式磊晶
张鹏志 13751126416 QQ:7161150
材料
颜色
AlGaInP

AlGaAs

AlGaInP
琥珀
InGaN
兰色
InGaN
绿色
InGaN
UB
InGaN
琥珀
相关文档
最新文档