LED芯片制造的工艺流程

以确保外延层厚度均匀。 l 反应物提供系统应切换迅速，以长出上下层接
口分明的多层结构。
MOCVD参数实例
南京大学省光电信息功能材料重点实验室使用
MOCVD参数实例
系统简介
本系统为英国Thomas Swan公司制造，具 有世界先进水平的商用金属有机源气相外延 (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。在高亮度的蓝光 发光二极管(LED)、激光器(LD)、日盲紫外光 电探测器、高效率太阳能电池、高频大功率电 子器件领域中具有广泛的应用。
1.2 LED芯片制造的工艺流程
LED芯片制造的工艺流程 属LED上游产业 靠设备
引言
l LED是二极管，是半导体。 l 本节讨论的LED的制造=LED的芯片制造。 l LED的制造工艺和其它半导体器件的制造工艺
有很多相同之处。 l 除个别设备外，多数半导体设备经过改进可以
用于LED的制造。
引言
l 结论：LED芯片的pn结电极直接影响LED器件的 质量。
l Eg由材料性质决定，可以通过调节外延材料 的组分调整Eg。
2、外延材料的发光复合几率大
l LED的发光原理：pn结处的空穴和电子的复 合发光，同时伴有热产生，复合几率大，则发 光效率高。
l InGaAlP材料，调整Ga-Al组分，改变Eg，得 到黄绿到深红的LED波长。但改变组分的同时 使得直接跃迁半导体材料变为间接跃迁，影响 发光效率。
l 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。
l 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。
4、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片
l 更一般的情况，任何半导体器件最终都要通过 电极引线与外部电路相连接。
1、欧姆接触电阻
l 定义：电极金属与半导体接触部分——电极，电 流-电压（I-V）呈现线性关系，线性关系比值 R=U/I，因此相当于一个阻值很小的电阻，称为 欧姆接触电阻。
l 欧姆电阻对LED器件的影响：欧姆电阻与内部pn 结串联→如果欧姆电阻大，则LED正向工作电压 大，注入效率低→器件发热、亮度下降，寿命缩 短。
l （3）成本增加：
l 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。
l 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。
l 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）。
5、外延片检测
l 表面平整度 l 厚度的均匀性 l 径向电阻分布
5、外延片检测
外延片（晶圆） 抽取九个点做参数测试
5、SSP3112-W LED外延片光色电参数测试仪
l 杭州星谱光电科技有限公司
5、SSP3112-W LED外延片光色电参数测试仪
五、LED芯片电极P极和N极制作
l 1.1引脚封装结构中，看到LED结构有内部电 极和外部电极。
2、硅衬底
l 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
3、碳化硅衬底
l 美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底
3、碳化硅衬底特点
l 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。
1、LED芯片制造用设备
l 外延片的制备： l MOCVD：是制作LED芯片的最重要技术。 l MOCVD外延炉：是制造LED最重要的设备。一台 外延炉要100多万美元，投资最大的环节。
l 电极制作设备：光刻机、刻蚀机、离子注入机等。 l 衬底加工设备：减薄机、划片机、检测设备等。
2、MOCVD设备
l MOCVD——金属有机物化学气相淀积（MetalOrganic Chemical Vapor Deposition）
3、光刻机
3、光刻机
4、刻蚀机
5、离子注入机
6、清洗机
7、划片机
7、划片机
同一功能有不同型号设备选择
8、芯片分选机
9、LED芯片的制造
l 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。
4、三种衬底的性能比较
三、LED外延片的制作
外延片制作技术分类 l 1、液相外延：红色、绿色LED外延片。 l 2、气相外延：黄色、橙色LED外延片。 l 3、分子束外延 l 4、金属有机化学气相沉积外延MOCVD
2、MOCVD设备工作原理
载流气体
反应通气装置
反应腔
金属有机反应源
阻断装置
压力控制
1、蓝宝石作为衬底存的一些问题
l （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。
2、硅衬底
l 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。
l 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。
Байду номын сангаас
3、 p型n型两种外延材料的电导率要高
l 影响电导率的因素：掺杂浓度、温度、均匀性。
l 掺杂浓度：不应小于1×1017/cm3 l 参杂温度：MOCVD反应腔温度及材料特性 l 参杂均匀型： MOCVD气流平稳、气压
4、外延层的完整性
l 外延层的完整性：晶体的错位和空位缺陷，氧 气等杂质。
l 影响完整性的因素：不同的外延技术、同一外 延技术不同的设备，同一设备不同的操作人员。
l LED芯片质量依赖于这些设备和操作这些设备 的人员。
l 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。
二、LED芯片衬底材料的选用
l LED芯片首要考虑的问题：衬底材料的选用。
l 选择衬底依据：根据设备和LED器件的要求进 行选择。
三种衬底材料
目前市面上一般有三种材料可作为衬底 l 蓝宝石（Al2O3） l 硅 (Si) l 碳化硅（SiC）
LED芯片制造工艺分三大部分 l 外延片——按1.1节的LED芯片的结构：选衬底，
MOCVD在衬底上制作外延层（也叫镀膜），n区， 发光区，p区，透明导电层。 l 电极——对LED外延片做电极（P极，N极） 。 l 芯片——用激光机切割LED外延片成。
内容
l 一、LED芯片制造设备 l 二、LED芯片衬底材料的选用 l 三、LED外延片的制作 l 四、LED对外延片的技术要求 l 五、LED芯片电极P极和N极的制作 l 六、LED外延片的切割成芯片
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
1、蓝宝石衬底
蓝宝石衬底的优点： l 生产技术成熟、器件质量好； l 稳定性很好，能够运用在高温生长过程； l 机械强度高，易于处理和清洗。
1、蓝宝石衬底
蓝宝石衬底应用 l GaN基材料和器件的外延层。 l 对应LED：蓝光（材料决定波长）
(TMIn), 三甲基铝(TMAl)，二茂基镁(Cp2Mg)
国产MOCVD设备
l 中国电子科技集团公司第四十八研究所
l 上游产业
2、国产MOCVD设备指标
l 产品描述：GaN-MOCVD设备是集精密机械、 电子、物理、光学、计算机多学科为一体，是
一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高
的尖端电子专用设备，用于GaN系半导体材料 的外延生长和蓝色、绿色或紫色LED芯片的制 造，是国家半导体照明（白光LED）工程实施 中最为关键的芯片制造设备，也是光电子行业
设备的操作与维护及其重要
3、重要的MOCVD
l MOCVD已经成为工业界主要使用的镀膜技术。 l 使用MOCVD这种镀膜技术制作LED的外延片，
即在衬底上镀多层膜。
l 外延片是LED生产的上游产业，在光电产业中 扮演重要的角色。
l 有些专家经常用一个国家或地区拥有MOCVD 外延炉的数量来衡量这个国家或地区的光电行 业的发展规模。
MOCVD参数实例
该设备承担并完成国家“863”、国防 “973”计划项目和江苏省自然科学基金等多 项研究任务。首次用MOCVD方法在LiAlO2衬 底上实现非极化GaN/InGaN量子阱生长和 LED器件制备，成果达到同期国际水平；研制 的新型半导体InN材料其相关技术达到国际先 进水平；制备高质量的用于紫外探测器结构材
注意：反应速率最慢的过程是控制反应速率的 步骤，也是决定沉积膜组织形态与各种性质的 关键。
MOCVD反应系统结构
l 进料区 l 反应室 l 废气处理系统
MOCVD反应系统的技术要求
l 提供洁静的环境。 l 反应物抵达衬底之前应充分混合，以确保外延
层的成分均匀。 l 反应物气流需在衬底的上方保持稳定的流动，
四、LED对外延片的技术要求
l 1、外延材料具有适合的禁带宽度 l 2、外延材料的发光复合几率大 l 3、 p型n型两种外延材料的电导率要高 l 4、外延层的完整性