LED制程与工艺介绍

3.几种MOCVD设备
Veeco K465i
Veeco C4
Aixtron Crius ii
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中微
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外延工艺基础
MOCVD反应的基本原理：
• • MOCVD：金属有机物化合物化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition） MOCVD是以Ⅲ族元素的有机化合物和V族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热 分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族化合物半导体以及它们的多元 固溶体的薄层单晶材料。
Dummy片
成品
封装、照明
烘烤完成
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04
CHAPTER
外延基础
外延生长： (Epitaxy)
1928年Royer提出了外延（Epitaxy）一词，意思是“在……之上 排列”。 它是指在具有一定结晶取向的原有晶体（衬底）上延伸出按一定晶体学方向生
长薄膜的方法，这个薄膜被称为外延层。
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提高生长的晶体质量
05
CHAPTER
外延片测量
Microscope
PL
EL
XRD
Bowing
LEI
• 观察表面是 否有异常 • 外延片表面 等级判定
• • • •
光致发光 波长 强度 均匀性
• • • •
电致发光 波长 亮度 电压
• 晶体质量 • 外延片翘曲 • 表面电阻 • 材料组分 度 • 周期厚度
认识LED
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LED发展史
LED 问世于20世纪60年代，起源于美国，在日本发扬光大 70年代初，美国杜邦化工厂首先研发出镓砷磷LED，发桔红色，可作仪器仪表指示灯用 随着技术进步，LED发光颜色覆盖从黄绿色到红外的光谱范围 80年代后，用液相外延技术，制作高亮度红色LED和红外二极管
肉眼观察下的wafer
显微镜观察下的wafer One Team One Vision One Standard EPI Team (Wuhu) Chip BU
About LED – LED Process LED 工艺流程
RAW WAFER
EPITAXY
CHIP PROCESS
PACKAGE
MODULE
MOCVD
原材料
外延工艺
芯片制程
封装
模组
直径4’ One Team One Vision One Standard EPI Team (Wuhu) Chip BU
产品加工流程：
PSS
质保部QC 外延片
入库
氮化铝加工
质保部QC
量测
大连、蚌埠、 客户
MOCVD生长
入库 Bake炉
石墨盘（烘烤脏物）
入库
金属 < 10−6 (Ω ·cm) 半导体 10−3 ∼ 106 (Ω ·cm) 绝缘体 > 1012 (Ω ·cm)
• 半导体有两种载流子 电子(electron, negative)和空穴(hole, positive)
P-N结：通过p型和n型半导体材料紧密接触而形成的结。 半导体种类: • 单质半导体：Si、Ge • 化合物半导体：GaN、GaAs、GaP、ZnO、SiC
蓝宝石衬底：价格适中，晶格失配度适中，化学稳定性好
SiC衬底： Si衬底: 价格昂贵，晶格失配低 价格便宜，晶格失配最大，难以成长
外延工艺基础
PSS: Patterned Sapphire Substrate (图形化 衬底)
由于全反射角的存在 使得出光效率较低
使用PSS衬底以提高出光效率
SiH4（硅烷，气态）
衬底：Sapphire（蓝宝石衬底）、 PSS （图形化的衬底），SiC衬底,Si衬底
外延工艺基础
外延工艺基本流程
开run order PSS 衬底 MOCVD 外延工艺 产出 wafer 量测
芯片制程
封装
模组
外延工艺基础
目前主要可用于量产的几种衬底材料：蓝宝石衬底，Si衬底，6H-SiC衬底
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1. 应用
1959年末，外延生长技术应用于半导体领域，它的应用与发展对 于提高半导 体材料的质量和器件性能，对于新材料、新器件的开 发，对于半导体科学的
发展都具有重要意义。
2. 外延技术
• 液相外延（LPE）：生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。
理论寿命能够达到上 万个小时
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LED应用
节能
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02
CHAPTER
半导体简介
半导体基础知识
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，室温电阻率ρ 介于金 属与绝缘体之间
外延片测量
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什么样的wafer（外延片）是好的产品？
1. 通过光致发光谱查看生长的wafer的波长分布 2. 3. 4. 5. X射线衍射得到晶体质量的数据 通过面电阻测试得到n型半导体的掺杂量（Si掺杂） 通过显微镜观察wafer表面形貌 (是否有缺陷存在) 通过芯片制程验证wafer的各项电性能数据
Al2O3
典ห้องสมุดไป่ตู้LED外延结构
外延工艺基础
外延生长材料 常用MO源： • TMGa （三甲基镓，液态）
• TMAl （三甲基铝，液态）
• TMIn （三甲基铟，固态，现已有液态） • TEGa （三乙基镓，液态）
• Cp2Mg（二茂基镁，固态，现已有液态）
载气：纯度很高（99.999999%）的H2和N2 特气：高纯度（99.9999%）NH3（氨气，液态）
产品工艺流程介绍
外延工艺部 曲伟
2017年7月7日
01
C O N T E N T S
认识LED 半导体简介 LED简介 外延基础 LED外延片测量
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02 03
目 录
04
05
One Team One Vision One Standard
01
CHAPTER
One Team One Vision One Standard EPI Team (Wuhu) Chip BU
03
CHAPTER
LED简介
LED (Light Emitting Diode)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它 可以直接把电转化为光。 发光原理：在外加电场的作用下，电子通过电子导电的n型半导体、空穴通过空穴导电 的p型半导体，进入量子阱中并相互结合，发出不同波长的光。
LED基本构造
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LED的发光颜色：
蓝光LED,波长440-470nm之间 其中广泛使用的蓝光发光二极管主要使用材料为GaN
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表面进行化学反应、表面移动、成核及膜生长
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典型LED外延结构
典型LED外延结构
p-GaN:Mg Active Well : InGaN Barrier InGaN n-Clad N+-GaN:Si GaN Buffer Sapphire N--GaN:Si c-plane U-GaN/Buffer PN结发光
• 金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition
MOCVD）：精确控制晶体 生长、重复性好、产量大，适合工业化大生产。 • 氢化物气相外延（HVPE）：近几年在MOCVD基 础上发展起来的，适应于ⅢⅤ氮化物半导体薄膜外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。 • 分子束外延（MBE）：超高真空系统，可精确控制晶体生长，晶体界面陡峭 ， 晶格质量非常好， 但生长速率慢，成本高，常用于研究机构。 One Team One Vision One Standard EPI Team (Wuhu) Chip BU
•
MOCVD 的工作原理大致为：当有机源处于某一恒定温度时，其饱和蒸汽压是一定的；
通过流量计控制载气的流量，就可知载气流经有机源时携带的有机源的量；多路载气
携带不同的源输运到反应室入口混合，然后输送到衬底处，在高温作用下发生化学反 应，在衬底上外延生长；反应副产物经尾气管路排出。
外延工艺基础
表面反应原理 Ga(CH3)3 + NH3 = GaN +3CH4
90年代半导体材料GaN使蓝、绿色LED光效达到10Lm，实现全色化
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LED优点
节能
发光效 率高
寿命长
比传统光源省电50%
省电， 使用寿 命长
固态光源，结实耐用
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