LED的基本介绍

v光强
发光体在特定方向单位立体角内所 发射的光通量（Im），单位 坎德拉 mcd。 国际单位是candela（坎德拉）简写cd， 其他单位有烛光，支光。1cd即1000mcd是 指单色光源（频率540X10ˇ12HZ，波长 0.550微米）的光，在给定方向上（该方 向上的辐射强度为（1/683）瓦特/球面度） 的单位立体角内发出的发光强度。
应用：目前有部分LED芯片采用硅衬底 ，如上 面提到的GaN材料的蓝光LED
美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底
碳化硅衬底特点
电极：L型电极设计，电流是纵向流动的，两个 电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可 以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流 扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收， 这样又提高了出光效率。
LED芯片的基本介绍
陈海金
目录
• • • • • 一、LED名词解释 二、LED晶片生产工艺及流程 三、LED晶片分类 四、LED发展的趋势 五、小结
一、LED名词解释
v什么是LED芯片
LED芯片是led灯的核心组件，指的 就是P-N结。其主要功能是：把电能转化 为光能。半导体晶片由两部分组成，一部 分是P型半导体，另一端是N型半导体。这 两种半导体连接起来的时候，它们之间就 形成一个P-N结。
MOCVD是利用气相反应物（前驱物）及 Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH3在衬底表面进行 反应，将所需的产物沉积在衬底表面。通过控 制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而 控制镀膜成分、晶相等品质。MOCVD外延炉是 制作LED外延片最常用的设备。 然后是对LED PN结的两个电极进行加工， 电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括 清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨； 然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可 以得到所需的LED芯片。如果芯片清洗不够乾 净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属 层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观 变色，金泡等异常。
外延片
圆片
芯片
UV UV
做透明导电层 P--GaN
N--GaN Substrate
mask
ITO
P--GaN N--GaN Substrate
1-MESA（刻台阶）
电极
二氧化硅保护层
2-做透明导电层（ITO）
前工艺
电极 ITO 做透明导电层 P--GaN
N--GaN Substrate
ITO
做透明导电层 P--GaN
1、银胶的胶量高度控制在芯片高度1/3，不要超 过1/2（过高会产生漏电），不要低于1/5（过 低固定不牢）；同时要注意芯片侧面1/2以上 部分不要沾胶，即使一点点都会产生漏电。 2、注意芯片不要受到不合适的外力，芯片受外 力破损，并且做好防静电措施，易产生漏电。
高纯原料
化合物单晶
外延用衬底片
元素半导体的代表为硅（Si）和锗 （Ge）；也称为第一代半导体；化合物半 导体被称为第二、三代半导体材料，代表 材料：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、 氮化镓（GaN）等。
2、外延生长
所谓“外延生长”就是在高真空条件下，采用 分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）、金属 有机化学气相沉积（MOCVD)等方法，在晶体衬 底上，按照某一特定晶面生长的单晶薄膜的制 备过程 。 半导体外延生长主要采用MBE和MOCVD工艺。
GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高， 不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较 好的设备。 蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中 其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过 程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到 100nm左右）。 （4）导热性能不是很好（在100℃约为25W/ （m·K））。 为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电 器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电 性能。
vGaN: 氮化镓，属第三代半导体材料。禁带宽 度在T=300K时为3.2-3.3eV，晶格常数为 0.452nm。 vMOCVD：是金属有机化合物化学气相淀积 (Metal-organic Chemical Vapor DePosition)的 英文缩写，是在LED外延生长(VPE)的基础上发 展起来的一种新型气相外延生长技术。 v蓝宝石：是刚玉宝石中除红色的红宝石之外， 其他颜色刚玉宝石的通称，主要成分是氧化铝 （Al2O3）。
当电流作用于这个晶片的时候，电子 就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合， 然后就会以光子的形式发出能量，这就是 LED发光的原理。而光的波长也就是光的 颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
v光通量
(单位 流明 Lm。光通量（luminous flux）,指人眼所能感觉到的辐射功率，它 等于单位时间内某一波段的辐射能量和该 波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不 同波长光的相对视见率不同，所以不同波 长光的辐射功率相等时，其光通量并不相 等。
N--GaN Substrate
4-做保护层
3-做电极
曝光机
（颅腔内容物，使颅内保持一定的压力，称位颅内压）
ICP
PECVD
蒸镀机
注：PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）的概念及其原理：利用强电场或磁场使所需的气体源分子电离产生等 离子体，等离子体中含有很多活性很Байду номын сангаас的化学基团这些基团经过经一系列化学和等离子体反应，在样品表面形成固态薄膜。
二、LED芯片生产工艺及流程
衬底片制备 单晶生长、磨片、 抛光
外延生长 MBE MOCVD
芯片制作 光刻、刻蚀、蒸发、 划片
器件封装 贴片、键合、 封包
1、单晶片生长及衬底片加工
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
总的来说，LED制作流程分为两大部分： 首先在衬底上制作氮化鎵（GaN）基的外 延片，这个过程主要是在金属有机化学气相沉 积外延片炉(MOCVD)中完成的。准备好制作 GaN基外延片所需的材料源和各种高纯的气体 之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做 好。常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬 底，还有GaAs、AlN、ZnO等材料。
蓝宝石作为衬底的LED芯片
蓝宝石作为衬底存的一些问题 （1）晶格失配和热应力失配，这会在外延层中 产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造 成困难。 （2）无法制作垂直结构的器件，因为蓝宝石是 一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm。 （3）成本增加： 通常只能在外延层上表面制作n型和p型电极。 在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积 减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工 艺过程，结果使材料利用率降低。
衬底材料
优点
问题 硬度过高（莫氏硬度9） 机械加工性能差 导热性差，大电流下散热问题严重
蓝宝石（Al2O3） 光学性能好 化学稳定性好
碳化硅（SiC）
光学性能好 导热性、化学稳定性好
价格昂贵 机械加工性能差
Si
成本低 导电性、导热性、热稳定性 好
吸光性强，发光效率低 晶格失配、热失配
LED芯片在封装中注意事项
v照度
照度(Luminosity)指物体被照亮的程度， 采用单位面积所接受的光通量来表示， 表示单位为勒克斯(Lux,lx) ，即 lm/m2 。 1 勒克斯等于 1 流明(lumen,lm)的光通 量均匀分布于 1m2 面积上的光照度。 照度是以垂直面所接受的光通量为标 准。
v色温
将一标准黑体（例如铁）加热，温度升 高至某一程度时颜色开始由红->浅红-> 橙黄->白->蓝白->蓝，逐渐改变，利用 这种光色变化的特征，某光源的光色与 黑体在某一温度下呈现的光色相同时， 我们将黑体当时的绝对温暖称为该光源 的色温度，单位 K
p-GaN p-Al0.25Ga0.75N
MQW u-In0.04Ga0.96N
LM-InGaN n-GaN/u-GaN
蓝宝石衬底
衬底片
外延片
RIBER R49NT型MBE系统
RIBER R6000型MBE系统
注析：法国Riber公司是全球着名的MBE系统及相关设备的制造商和供应商，已有30年以上研发MBE系统的经验，在国际市场和中国市场中所占的市场份额都居于领先地位， 也是最早进入中国市场的MBE设备供应商之一，可为客户提供各种化合物半导体薄膜的外延设备和技术服务。2008年6月Riber收购了法国专门制造分子束源炉的ADDON公司； 2008年9月Riber公司又收购了英国牛津仪器公司控股的VG Semicon MBE部门，进一步扩大了它在国际MBE市场中的占有率。目前Riber公司在全球已有250多个研究型MBE客 户，22个生产型MBE客户（市场占有率71%），产品的销售网络遍布欧洲、美洲和亚洲等许多国家和地区。
导热：碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热 系数为490W/(m·K)）要比蓝宝石衬底高出10 倍以上。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。 成本：但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制 造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的 成本。
蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片
硅衬底 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。 电极制作：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（Vertical-contact，垂直接触），以下 简称为 L 型电极和 V 型电极。通过这两种接触方 式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也 可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因 此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出 光效率。
v光效
电光源将电能转化为光的能力，以发 出的光通量除以耗电量来表示，单位 每瓦流明(Lm/w).
v波长
光的色彩强弱变化是可以通过数据来描述 的，这种数据叫波长。单位为nm.可见光 的波长范围为380-780nm。 红：630-780nm 橙：600-630nm 黄：570-600nm 绿：500-570nm 青：470-500nm 蓝：420-470nm 紫：380-420nm
蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定芯片，因 此会产生夹痕（在目检必须挑除）。黄光作业 内容包括烘烤、上光阻、照相曝光、显影等， 若显影不完全及光罩有破洞会有发光区残多出 金属。 芯片在前段工艺中，各项工艺如清洗、蒸 镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必 须使用镊子及花篮、载具等，因此会有芯片电 极刮伤情形发生。
上蜡机
研磨机
NEW WAVE 激光切割机
JPSA 激光切割机
里德 劈裂机
点测机
分选机
4、基本工艺流程
v从以上的的仪器设备可以看出，LED芯片的 制造依靠大量的设备，而且有些设备价格昂 贵。 vLED芯片质量依赖于这些设备和操作这些设 备的人员。 v设备本身的制造也是LED生产的上游产业， 一定程度上反映国家的光电子的发展水平。
InGaAlP：磷化铝镓铟，是四元系化合物 半导体材料，是制造红色和黄色超高亮度 发光二极管的最佳材料。 lGaInN：氮化物半导体材料，是制备白光 LED的基石 OLED：即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），又称为有机电激 光显示（Organic Electroluminesence Display, OELD），OLED屏幕具备许多 LCD不可比拟的优势。
AIXTRON 2600G3 HT型MOCVD系统 ASEC-650H型MOCVD系统
注：德国爱思强 美国
3、芯片制作
在外延片的基础上采用光刻、刻蚀、蒸发、镀 膜、电极制备、划片等半导体工艺制作具有一定 功能的结构单元。主要采用光刻机、RIE、 PECVD 、离子注入、化学气相沉积、磨片抛光、 镀膜机、划片机等半导体工艺设备。
vLED芯片首要考虑的问题：衬底材料的选用。 v选择衬底依据：根据设备和LED器件的要求 进行选择。
目前市面上一般有三种材料可作为衬底 蓝宝石（Al2O3） 硅 (Si) 碳化硅（SiC） 除了以上三种常用的衬底材料之外，还有 GaAs、AlN、ZnO等材料。 下面分别介绍三种材料的特点
蓝宝石衬底的优点： 生产技术成熟、器件质量好； 稳定性很好，能够运用在高温生长过程； 机械强度高，易于处理和清洗。 蓝宝石衬底应用 GaN基材料和器件的外延层。 对应LED：蓝光（材料决定波长）