MOCVD的外延片技术研究报告和工艺流程!

MOCVD市场研究报告 刘根第一章 引言2第二章 LED概述2第一节 LED简介2第二节 LED发光原理3一、P-N结3二、LED发光原理3第三章 LED产业链4第一节 LED产业链概述4第二节 LED上游4一、LED外延片生长5二、MOCVD机台制造LED之介绍6 三、 MOCVD工艺流程图.11第三节 LED下游11一、LED芯片封装形式11第四章 LED的应用 12第五章 市场分析 . 13第一节 客户概况 .13第二节 原材料厂商 . 15 2010年9月4日第一章 引言半导体技术已经改变了世界，半导体照明技术将再一次改变我们的世界。作为一种全新的照明技术，LED是利用半导体芯片作为发光材料、直接将电能转换为光能的发光器件。自20世纪60年代世界第一个半导体发光二极管诞生以来，LED照明由于具有寿命长、节能、色彩丰富、安全、环保的特性，被誉为人类照明的第三次革命。我国是世界照明电器第一大生产国、第二大出口国，半导体照明产业有很强的产业基础，而且政策明确表示对行业的支持，因此未来我国LED将面临巨大的发展机遇。中国的LED产业2003年以来快速发展，已覆盖外延、芯片、封装、应用产品等上下游产业链，“一头沉”的状态正在发生改变，中国LED上游产业得到了较快的发展，其中芯片产业发展最为引人注目。从产业规模看，2006年中国LED产业包括了衬底、外延、芯片、封装四个环节。其中，封装仍是中国LED产业中最大的产业链环节，但产值所占比例相对以前有了很大的改善，并在将来的发展中，芯片（MOCVD）占的比重将持续得到提升，封装环节占的比重将逐年下降。中国LED产业结构正在由较低端的封装转向附加值更高、更具核心价值的芯片（MOCVD）环节。第二章 LED概述第一节 LED简介LED（Light Emitting Diode），中文名：发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。当初多用作为指示灯、显示板等；随着白光LED的出现，也被用作照明。它被誉为21世纪的新型光源，具有效率高，寿命长，不易破损等传统光源无法与之比较的优点。加正向电压时，发光二极管能发出单色、不连续的光，这是电致发光效应的一种。改变所采用的半导体材料的化学组成成分，可使发光二极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。第二节 LED发光原理一、P-N结半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但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”。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称P-N结。PN结具有单向导电性。P是positive的缩写，N是negative的缩写，表明正荷子与负荷子起作用的特点。P-N结有同质结和异质结两种。用同一种半导体材料制成的 P-N 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的P-N结叫异质结。制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。制造异质结通常采用外延生长法。根据P-N结的材料、掺杂分布、几何结构和偏置条件的不同，利用其基本特性可以制造多种功能的晶体二极管。使半导体的光电效应与P-N结相结合还可以制作多种光电器件。如利用前向偏置异质结的载流子注入与复合就可以制造半导体发光二极管（LED）。二、LED发光原理当电流通过导线作用于这个P-N结的时候，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。第三章 LED产业链第一节 LED产业链概述LED产业一般按照材料制备、芯片制备和器件封装与应用分为上、中、下游。虽然产业环节不多，但其涉及的技术领域广泛，技术工艺多样化，上下游之间的差异巨大，上游环节进入壁垒大大高于下游环节(上游外延片制备的投资规模比一些下游应用环节高出上千倍)，呈现金字塔形的产业结构。其中，上游和中游技术含量较高，资本投入密度大。从上游到下游，产品在外观上差距相当大。LED发光顏色与亮度由磊晶材料决定，且磊晶占LED制造成本70%左右，对LED产业极为重要。第二节 LED上游LED上游产品分为单晶片和磊晶片，其中单晶片是作为材料的基板（衬底），磊晶片（外延片）长相大概是一个直径六到八公分宽的圆形，厚度相当薄，就像是一个平面金属一样。上游磊晶制程顺序为：单芯片(III-V族基板)、结构设计、结晶成长、材料特性/厚度测量。一、LED外延片生长LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。LED主要的外延生长技术包括LPE液相外延、VPE气相外延和MOCVD金属气相外延三种。前两者主要用来生产传统LED，后者用于生产高亮度LED。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法（MOCVD）。金属有机物化学气相沉积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称 MOCVD）， 如: MOCVD外延图示蓝宝石缓冲层N-GaNP-GaNMQW1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、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光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。二MOCVD机台之介绍 目前国际上MOCVD设备厂商为德国,美国,英国,日本等少数国家中数量非常有限的企业可以生产,一台24片机器的价格高达数千万元(当前价格约300万美圆) 以往欧美厂商主要包括德国Aixtron,美国Emcore和英国ThomasSwan.1992年德国Aixtron根据Philips授权专利生产出第一台多片式行星式反应室的MOCVD机.此后, Emcore被美国Veeco收购, ThomasSwan被德国Aixtron收购. 而行业内最领先的日本企业对技术严格封锁,其中GaN材料研究最成功的日本 日亚化学和丰田合成(ToyodaGosei)的MOCVD设备则根本不对外销售,另一家技术比较成熟的日本 酸素(Sanso)公司的设备只限于日本境内出售.1. 美国维易科（Veeco）精密仪器公司(Veeco Instruments): 上海办事处：新金桥路1888号7号楼505室 电话: (86) 21-5531-8005 传真: (86) 21-3872-0056新型设备TurboDisc K465 GaN （量产型） 金属有机化学汽相沉积系统:TurboDisc K465 GaN MOCVD 外延生长系统与K300 外延生长系统共享同一系统平台，拥有目前业界批量生产GaN-基蓝、绿光LEDs 和蓝光激光器的最大产能。K465采用了Veeco最先进的TurboDisc反应室技术，其产能优于其他同类系统约50%. 技术指标： 高真空反应沉积室，极限真空度优于：6.710-5Pa（经烘烤除气）反应沉积室：尺寸：200240mm样品加热器：样品尺寸为：50mm沉积温度：8001200温度精度：1 真空室漏率：小于510-8Pa.l/s工作气体为五路，其中3路为有机源，气态源为2路，由进口质量流量控制器控制工艺压强范围： 13.3266Pa2. 德国AIXTRON ，MOCVD作为AIXTRON最主要的设备，其全球市场占有率达到了63%。 2010年为配合LED一般照明市场需求， Aixtron将斥资4,000万欧元在德国Herzogenrath-Kohlscheid兴建LED研发中心，预计在未来23年内完工。 AIXTRON与SemiLEDs在2009年5月就合作开发出6寸蓝光LED芯片，在6x6寸AIX 2800G4 HT MOCVD反应炉的结构上，产量增加约30%（相较于传统42x2-inch的架构），不但均匀性较好，也减少了边缘效应(edge effect)。不过就现阶段而言，大多数的困难仍然在于6寸的基板价格偏高与外延片切割技术的挑战。 3. MOCVD机台产品利用率比对情况：153%119%100%变化7,7%11,4%22,2%边缘浪费率(%)1010790662晶圆每反应堆可用总面积(cm)129%105%100%变化1094892851晶圆占反应堆总面积 (cm)81,11111 x 4”#批次/年/反应器（1批= 5 - 10小时）每片晶圆表面面积 (cm)# 晶圆数量/批MOCVD反应器规格差的: 876 好的:1752 (批次 /年/反应器)182,420,36426 x 6”42 x 2”510710915149719570123456708092010111213142015161718192020年4176207841043139218132296285934934152482962682653415540瑞士证券研究报告美国银行美林证券研究报告24102570274029503200Conaccord Adams - Base (Apr. 2010)上表为：全球LED厂家安装MOCVD的增长情况（单位： 千/反应器）最好的情况 最差的情况2010: 568 亿. (2”eq. substrates)2012: 1347亿 (2”eq. substrates)2010: 243 亿. (2”eq. substrates)2012: 479 亿. (2”eq. substrates)1234562015: 1778 亿. (2”eq. substrates)2020: 3340 亿 (2”eq. substrates)562020: 1670亿(2”eq. substrates)2015: 889亿. (2”eq. substrates)MOCVD反应器使用率（）506070809010008092010111213142015161718192020年4.按目前MOCVD外延生长的技术，2英寸外延片的成本在2000元人民币左右，国际市场价格在3000元人民币左右。5而LED或是LD亮度及特性的好坏主要是在于其发光层品质及材料的好坏,发光层主要的组成不外乎是单层的In GaN/ GaN量子井（Single Quantum Well）或是多层的量子井（Multiple Quantum Well）,而尽管制造LED的技术一直在进步但其发光层MQW的品质并没有成正比成长,其原因是发光层中铟（Indium）的高挥发性和氨NH3的热裂解效率低是MOCVD机台所难于克服的难题,氨气NH3与铟的裂解须要很高的裂解温度和极佳的方向性才能顺利的沉积在In GaN的表面。但要如何来设计适当的MOCVD机台为一首要的问题而解决此问题须要考虑下列因素：1. 要能克服GaN 成长所须的高温2. 要能避免MO Gas金属有机蒸发源与NH3在预热区就先进行反应3. 进料流速与薄膜长成厚度均。一般来说GaN的成长须要很高的温度来打断NH3之N-H的键解,另外一方面由动力学仿真也得知NH3和MO Gas会进行反应产生没有挥发性的副产物。了解这些问题之后要设计适当的MOCVD外延机台的最主要前题是要先了解GaN的成长机构,且又能降低生产成本为一重要发展趋势。MOCVD反应为一非平衡状态下成长机制,其原理为利用有机金属化学气相沉积法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)MOCVD是一种利用气相反应物,或是前驱物（precursor）和族的有机金属和族的NH3,在基材）（substrate）表面进行反应,传到基材衬底表面固态沉积物的制程。MOCVD利用气相反应物间之化学反应将所需产物沉积在基材衬底表面的过程,蒸镀层的成长速率和性质成分、晶相会受到温度、压力、反应物种类、反应物浓度、反应时间、基材衬底种类、基材衬底表面性质等主观因素影响。 反应物扩散至基材衬底表面、表面化学反应、固态生成物沉积与气态产物的扩散脱离等微观的动力学过程对制程亦有不可忽视的影响。6.MOCVD化学反应机构有： 反应气体在基材衬底表面膜的扩散传输、反应气体与基材衬底的吸附、表面扩散、化学反应、固态生成物之成核与成长、气态生成物的脱附过程等,其中速率最慢者即为反应速率控制步骤,亦是决定沉积膜组织型态与各种性质的关键所在。MOCVD对镀膜成分、晶相等品质容易控制:可在形状复杂的基材衬底上形成均匀镀膜,结构密致,附着力良好之优点,因此MOCVD已经成为工业界主要的镀膜技术。MOCVD制程依用途不同,制程设备也有相异的构造和型态。整套系统可分为：a.进料区进料区可控制反应物浓度。气体反应物可用高压气体钢瓶经MFC精密控制流量,而固态或液态原料则需使用蒸发器使进料蒸发或升华,再以H2、Ar等惰性气体作为carrier而将原反应物带入反应室中。b.反应室反应室控制化学反应的温度与压力。在此反应物吸收系统供给的能量,突破反应活化能的障碍开始进行反应。7.依照操作压力不同,MOCVD制程可分为:I 常压MOCVD APCVDII低压MOCVD LPCWD III超低压MOCVDSLCVD。依能量来源区分为热墙式和冷墙式,如分如下:(I)热墙式由反应室外围直接加热,以高温为能量来源(II)等离子辅助MOCVD(III)电子回旋共振是电浆辅助(IV)高周波MOCVD(V) PhotoMOCVD(VI)others其中(II)至(VI)皆为冷墙式8.废气处理系统通常以淋洗塔、酸性、碱性、毒性气体收集装置、集尘装置和排气淡化装置组合成为废气处理系统,以吸收制程废气,排放工安要求,对人体无害的气体。一般来说,一组理想的MOCVD 反应系统必需符合下列条件提供洁净环境。. 反应物于抵达基板衬底之前以充分混合,确保膜成分均匀。反应物气流需在基板衬底上方保持稳定流动,以确保膜厚均匀。反应物提供系统切换迅速能长出上下层接口分明之多层结构。MOCVD近来也有触媒制备及改质和其它方面的应用,如制造超细晶体和控制触媒得有效深度等。在可预见的未来里, MOCVD制程的应用与前景是十分光明的。三. MOCVD System Epitaxy Process （外延片工艺流程）1.Load substrate 基板2.Loading3.Epitaxy4.Unloading卸载5 PL测量6.X-ray射线测量 7.Quick Test 测试EMCOREAIXTRONSapphirep-GaNMQWn-GaNP-GaN(EMCORE)(EMCORE)(AIXTRON)InGaN buffer第三节 LED下游下游包括LED芯片的封装测试和应用。LED封装是指将外引线连接到LED芯片的电极上，形成LED器件，封装起着保护LED芯片和提高光取出效率的作用。下游厂商封装处理顺序为：芯片、固晶、粘着、打线、树脂封装、长烤、镀锡、剪脚、测试。一、LED芯片封装形式LED芯片的封装形式很多，针对不同使用要求和不同的光电特性要求，有各种不同的封装形式，归纳起来有如下几种常见的形式：1、软封装芯片直接粘结在特定的PCB印制板上，通过焊接线连接成特定的字符或陈列形式，并将LED芯片和焊线用透明树脂保护，组装在特定的外壳中。这种钦封装常用于数码显示、字符显示或点陈显示的产品中。2、引脚式封装常见的有将LED芯片固定在2000系列引线框架上，焊好电极引线后，用环氧树脂包封成一定的透明形状，成为单个LED器件。这种引脚或封装按外型尺寸的不同可以分成3、5直径的封装。这类封装的特点是控制芯片到出光面的距离，可获得各种不同的出光角度：15、30、45、60、90、120等，也可以获得侧发光的要求，比较易于自动化生产。3、微型封装即贴片封装将LED芯片粘结在微小型的引线框架上，焊好电极引线后，经注塑成型，出光面一般用环氧树脂包封。4、双列直插式封装用类似IC封装的铜质引线框架固定芯片，并焊接电极引线后用透明环氧包封，常见的有各种不同底腔的“食人鱼”式封装和超级食人鱼式封装，这种封装芯片热散失较好，热阻低，LED的输入功率可达0.1W0.5W大于引脚式器件，但成本较高。5、功率型封装功率LED的封装形式也很多，它的特点是粘结芯片的底腔较大，且具有镜面反射能力，导热系数要高，并且有足够低的热阻，以使芯片中的热量被快速地引到器件外，使芯片与环境温度保持较低的温差。第四章 LED的应用LED 最初用于仪表仪器的指示性照明，随后扩展到交通信号灯，再到景观照明、车用照明和手机键盘及背光源。由于LED 芯片的细微可控性，LED 在小尺寸照明上和CCFL 有明显的成本和技术优势，但在大尺寸上成本仍然较高。随着LED 技术的不断进步，发光效率不断提高，大尺寸LED价格逐步下降，未来发展空间非常广阔。目前笔记本液晶面板背光已经开始启动，渗透率有望在近几年内获得极大提高。之后是更大尺寸的液晶显示器和液晶电视，最后是普通照明。不同的LED 技术应用于不同的产品。从大类上来看，按照发光波长可以分为不可见光（8501550mm）和可见光（450780mm）两类，可见光中又分为一般亮度LED 和高亮度LED，目前发展的重点是高亮度LED。其中红橙黄光芯片使用四元的AlGaInP 做为材料，蓝绿光芯片则用三元的InGaN。在蓝光技术成熟后，更具通用性的白光LED 也可以通过不同技术生成，为LED进入各类照明领域铺平了道路。LED分类材料应用可见光LED(450780mm)一般亮度LEDGaP、GaAs、A1GaAs3C家电消费电子高亮度LEDA1GaInP(红、橙、黄)户外全彩看板交通信号灯背光源车用照明InGaN(蓝、绿)白光LED背光源车用照明不可见光LED(8501550mm)短波长红外光(850950mm)GaAs、A1GaAsIRDA 模组遥控器长波长红外光(13001550mm)A1GaAs光通讯光源第五章. 市场分析第一节 客户概况一台湾封装厂商:（1）亿光电子 1983年创立于台北县土城市。主要生产 LED 光电半导体产品，亿光电子工业股份有限公司是台湾第一家取得专利授权合法生产和封装LED产品龙头厂商在产品布局和生产规模上，仍处于领先的地位.二国内的主要封装厂商分析:佛山市国星光电科技有限公司 是专业生产半导体光电器件及其应用系统产品的高新技术企业，是全国最大的光电器件生产和出口基地。公司下设器件一厂、器件二厂、器件三厂、电子制造厂、调谐器厂、电源管理器厂、陶瓷线路板厂、照明事业部以及15个职能部门。公司产品主要包括各类发光二极管（Lam