LED晶片(芯片)制程与教程.ppt

《LED晶片(芯片)制程与教程.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED晶片(芯片)制程与教程.ppt（27页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、LED 的晶片制程的晶片制程张鹏志 13751126416QQ：7161150LED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）原料开始多晶半导体单晶成长晶圆(基板)磊晶生长晶片制作晶粒制作封装 上游 中游 下游Ga/As 原料合成蒸馏还原，形成GaAs多晶以各种长晶法(如柴氏长晶法),成长GaAs单晶棒(ingot)固晶、焊线、封胶、分光、TYPING等将单晶棒锯切成片状晶圆,并加以抛光处理将磊晶晶圆减薄到期望厚度(一般基板减至220250m,蓝宝石基板为80m),并切成晶粒.以各种磊晶技术(如MOCVD),将LED结构成长

2、在晶圆上利用金属化制程,蚀刻制程和微影制程,制作电极图案张鹏志 13751126416QQ：7161150基座基座基座晶粒固晶焊線封裝基座(Diffusion)张鹏志 13751126416QQ：7161150半导体的特性半导体的特性1.晶格晶格(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(unit cell)也叫晶胞.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:非晶(amophous)多晶(poly-crystalline)单晶(single crystal).非晶 多晶 单晶张鹏志 13751126416QQ：71

3、611502.晶体结构晶体结构 闪锌矿结构为立方晶系,如砷化镓(GaAs)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 13751126416QQ：71611504.光电导体的二个重要参数光电导体的二个重要参数 a.能隙 eV 能隙 ,导电能力 b.晶格常数 晶格共价半径 ,导电能力 3.能隙能隙(Energy Gap 或或 Band Gap)导电带与价电带之间的差量,称为能隙.5.晶格匹配晶格匹配 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.价电带价

4、电带 Eg 1-3eV导电带导电带磊晶层基板磊晶层基板a.晶格匹配晶格匹配b.晶格差配晶格差配张鹏志 13751126416QQ：7161150半导体材料半导体材料1.半导体材料的分类;依构成的元素可分为:元素半导体 如:硅(Si)化合物半导体 化合物半导体又可分成:四-四族化合物 如:碳化硅(SiC)三-五族化合物 如:砷化镓(GaAs)二-六族化合物 如:硒化锌(ZnSe)四-六族化合物 如:硫化铅(PbS)若依构成元素的数量分,化合物半导体也可分成为:二元化合物半导体 如:砷化镓(GaAs)三元化合物半导体 如:砷化铝镓(AlGaAs)四元化合物半导体 如:磷砷化铟镓(InGaAsP)周

5、期IIIIIIVVVI2硼 B碳 C氮 N氧 O3镁 Mg铝 A1矽 Si磷 P硫 S4锌 Zn镓 Ga锗 Ge砷 As硒 Se5镉 Cd铟 IN锡 Sn锑 Sb碲 Te6汞 Hg铅 Pb鈊 Bi张鹏志 13751126416QQ：7161150单晶成长单晶成长柴可拉斯基液封式长晶法柴可拉斯基液封式长晶法(LEC)张鹏志 13751126416QQ：7161150布吉曼水平式长晶法布吉曼水平式长晶法 (HB)(HB)张鹏志 13751126416QQ：7161150垂直梯度冷却式长晶法垂直梯度冷却式长晶法(VGF)(VGF)张鹏志 13751126416QQ：7161150好差好尺寸可增加性劣

6、差好均匀性高中等低应用高少非常少晶片缺陷LECHBVGF三种长晶法的对比三种长晶法的对比张鹏志 13751126416QQ：7161150磊晶磊晶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。材料供应系统加热系统真空系统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 13751126416QQ：7161150LPEVPEMOCVDMBE真空(TORR)760760102109成长低贵昂贵昂贵成长速率快快慢很慢磊晶品质很好好很好很好表面形成佳佳

7、佳佳实用性差差佳佳生产品GaPGaAsINGaPGap.GaN 厚膜 10mAIGaInPINGaAsP GaN AIGaAsINGaAsAIGaSb制程倾斜冷却成长法三氯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氢化物气相磊晶法张鹏志 13751126416QQ：7161150材料颜色波长发光效率 1M/W量子效率%磊晶法元件形成备注AlGaInP红6363524MOCVDDHAlGaAs红650816LPEDHAlGaInP琥珀5904010MOCVDDHInGaN兰色4701011MOCVDMQWInGaN绿色5203410MOCVDMQWInGaNUB37207

8、.5MOCVDDHInGaN琥珀590143.5MOCVDMQWZnSO兰色512175.3MBEDHGaP:Zn.0红色65045LPESHGAP:N黄绿5651.80.3LPESHGaAsP:N黄59010.3VPESHSiC兰色4700.020.02CVDSH张鹏志 13751126416QQ：7161150金属化制程金属化制程热阻式蒸镀 用于取低溶点的金属,如铝(AL)、金(AU)、镍（NI）电子枪蒸镀(右图)目前LED制程最普遍使用电浆溅镀(PLasma)广泛应用于半导体制程晶片电极制作晶片电极制作电子束产生器金属蒸气金属晶圆电子束坩锅大电流抽真空张鹏志 13751126416QQ：

9、7161150微影制程微影制程(光罩光罩,蚀蚀刻刻)投影曝光法光罩 光阻(正,负光阻法)基板光源(汞弧光灯)光阻镀着在玻璃上的金属膜图案光罩基板基板负光阻法正光阻法张鹏志 13751126416QQ：7161150研磨制程研磨制程 半导体基板或晶圆厚度为350430UM，为方便切割及减少串联电阻，需磨到220250UM（一般）或85UM（艺宝石），有二种方式 1.研磨法 2.切割法切割制程切割制程 a.轮刀式切割法 电极冷却水轮刀电极钻石上视图b.鑽石式切割法电极c.雷射式切割法雷射光束张鹏志 13751126416QQ：7161150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

10、程等，其定义为量子效率。内部量子效率要优化条件，方可得到最大内部量子效率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。c：内部吸收 当LED内部电子和电洞复合而放射光子，待一部分进入空气，一部分被半导体材 料吸收。发光效率发光效率张鹏志 13751126416QQ：7161150目前常见之LED大约可归纳为4种种GaP/GaAsP系系LED (Gap:红680nm、黄绿575n

11、m GaAsP:黄光585nm、630橘光、650红光)ALGaAs系系LED (红660nm)ALINGaP系系LED (绿光560nm、琥珀光590nm、橘红光625nm)GaN系系LED (紫光400nm、蓝光470nm、绿光525nm)可见发光二极管可见发光二极管张鹏志 13751126416QQ：7161150GaP/GaAsP系系LEDP-Gap:Zn,0N-GaP:TeN-GaP:S基板PNGaP 680nm 红光红光(液相磊晶液相磊晶 LPE磊晶磊晶)GaP 570nm 黄绿光黄绿光(液相磊晶液相磊晶 LPE磊晶磊晶)P-Gap:Zn.NN-GaP:S.NN-GaP：S基板PN

12、n-GaAsPn-GaAsp GaAs P 组成想渐变层GaP基板PNGaAsP系系LED,以气相磊晶技以气相磊晶技术术VPE磊晶磊晶585nm黄光 630nm橘光 650nm红光张鹏志 13751126416QQ：7161150AlGaAs系系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DDHn-ALGaAs p-AlGaAs p-GaAs基板NP(a)单异质结构单异质结构SHn-AlGaAs局限层n-GaAsp AlGaAs 活性层p-AlGaAs局限层p-GaAs基板NP(b)双异质结构双异质结构DHAlGaAs 活性层n-GaAsp n-AlGaAs

13、 局限层n-AlAs 蚀刻层n-GaAs基板p-AlGaAs局限层AlGaAs 活性层n-GaAsp n-AlGaAs 局限层n-AlAs 蚀刻层n-GaAs基板p-AlGaAs局限层HF 溶液n-AlGaAs局限层n-GaAsp AlGaAs 活性层p-AlGaAs局限层永久性基板NP(C)双行双异质结构双行双异质结构DDH备注:晶片亮度DDHDHSH张鹏志 13751126416QQ：7161150ALInGaP系系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：Mgn-AlInGaP:SiAlGaAs/GaAs DBRGaAs基

14、板AlInGaP/InGaP MQW P-AlInGaP:Mg 布拉格反射镜(Distributed Brag Reflector,DBR)多重量子井(Multiple-Quantum Well,MQW)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0X 1,而且当X值 0.65时,就变成了间接半导体.张鹏志 13751126416QQ：7161150GaN系系LED 包括400nm紫光470nm兰光，525nm绿光，以MOCVD磊晶技术成长。蓝宝石基板P-GaNN-GaNTi/Al/Ti/Au 焊接垫Ni/Au TC

15、LInGaN/GaN MQWGaN 成核层PN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,0X 1张鹏志 13751126416QQ：7161150白光发光白光发光LEDLED寿命长由电较换为光的效率高、耗量少体积小兼具省电和环保概念白炽灯泡白光灯白光LED色温（K）25003000300010000300010000以UV为激发源回应时间120MS60MS0.001MS发光现象热发光气体发光冷发光寿命约1000HR约6000HR约10万HR耗用量1省电50%省电约90%缺点高耗电、命短、易碎易碎、汞污染价格高,技术未成熟耐振动及低中高张鹏志 1

16、3751126416QQ：7161150白光白光LEDLED未来研发动向未来研发动向发展方向目前未来发光效率提升60LM/W120LM/WGaN短波长发光源460 nm380nm高外部能量转换效率10%40%高荧光材料能量转换60%90%成本降低LED品粒成本降低高操作功率技术If:20MAIf:350 MA散热0.1mm1mm张鹏志 13751126416QQ：7161150各种白光技术三优缺点比较各种白光技术三优缺点比较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,成本高单晶型兰色LED配合黄色荧光粉单一晶片即可发白光,成本

17、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兰色LED配合红色及绿色荧光粉光谱为三波长分布,演色性较高,光色及色温可调光色随电流而改变可能有月晕现象,但较不明显UV-LED配合红、绿、兰三色荧光粉高演色性,光色及色温可调,使用高效率荧光粉提先发光效率,光色不均不随电流变化粉体混合数为因难，高效率粉体不易寻找兰色LED配合黄色荧光粉（钇铝石榴石结构），目前一般使用此方法。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。UV-LED配合红、绿、兰三色荧光粉，产生光显似日光灯，是未来主力。张鹏志 13751126416QQ：7161150The ENDTKS!