LED制造技术与应用(四)

1、LED制造技术与应用(四) LED芯片的分类和制造工艺介绍芯片的分类和制造工艺介绍2012-3-15一.一. 认识认识LED二.二. 相关基础知识介绍相关基础知识介绍 (光学与照明，半导体光学与照明，半导体)三三. LED的结构，发光原理和特性的结构，发光原理和特性四.四.LED芯片的分类和制造工艺介绍芯片的分类和制造工艺介绍五.五. LED的封装介绍的封装介绍六.六. 白光白光LED的制作的制作七.七. LED的其他技术指标和测量方法的其他技术指标和测量方法八.八. 与与LED应用有关的技术问题应用有关的技术问题(散热，二次光学设计，散热，二次光学设计，ESD)介绍介绍九.九. LED的相关

2、应用的相关应用一.一. 大功率大功率LED的介绍的介绍一一.一一.国内外国内外LED技术与产业现状及发展趋势技术与产业现状及发展趋势十二十二. OLED的介绍的介绍课程主要内容2012年3月7日iPad2iPad3iPhone4S分 辨 率1024 X 7682048x1536 960 x640尺 寸9.79.73.5像素密度132 ppi264 ppi326 ppi厚 度8.8 mm9.4 mm/视网膜屏视网膜屏，是指人眼在正常观察距离 (iPhone, iPad分别定义为10和15英寸) 下，视网膜已经无法分辨单个像素，不再出现像素颗粒感，仅能观察到如丝般细腻的画面。 iPad3iPad3

3、厚度增加的原因厚度增加的原因 iPad3的解析度相较iPad 2整整高出一倍，虽然像素密度没有iPhone 4S的高，但是由于平板电脑在使用上距离较手机远，因此仍无碍整体视觉表现。此外，iPad3在色彩饱和度与演色性方面都比iPad 2提高44%，为使用者带来更佳的视觉体验。 由于iPad3为维持高解析度的萤幕表现，必须增加背光模组以维持一定的亮度，苹果此次采用了左右双列LED背光矩阵(72颗LED)，如此一来将更加耗电，故须加大电池容量，让装置可维持长时间运作，由于电池消耗和LED散热等问题因而造成厚度增加。背光模组主供应商：瑞仪光电背光模组主供应商：瑞仪光电 1. LED芯片的分类 2.

4、LED芯片的制造工艺介绍 a. 衬底材料的制备 b. 外延片的生长 c. 芯片的加工 1. LED芯片的分类 2. LED芯片的制造工艺介绍 a. 衬底材料的制备 b. 外延片的生长 c. 芯片的加工a. a. 按组成成分分：按组成成分分：二元（GaP、GaAS）、三元（GaAlP、GaAsP）、 四元（InGaAlP）和氮化物芯片。b. b. 按发光颜色（波长）分：按发光颜色（波长）分：红外线红外线、红、橙、黄、绿、蓝、紫紫全波段芯片。c. c. 按尺寸大小分：按尺寸大小分：6mil、8mil、9mil、10mil、12mil、13mil、14mil、15mil、 20mil、28mil、4

5、0mil、6X8mil、10X12mil等芯片。d. d. 按输入功率大小分：按输入功率大小分：小功率(几十mW)，功率(几百mW)，大功率(=1W)芯片1mil=0.0254mm1. LED芯片的分类验钞验钞1.2 常见常见LED分类分类（1）按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管不适合做指示灯用。 （2）按发光管出光面特征分按发光管出光面特征分为

6、圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。 （3）从发光强度角分布图来分有三类： 高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 标准型。通常作指示灯用，其半值角为2045 散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为4590或更大，散射剂的量较大。 （4） 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 （5）按发

7、光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度小于10mcd）；超高亮度的LED（发光强度大于100mcd）；把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 1. LED芯片的分类 2. LED芯片的制造工艺介绍 a. 衬底材料的制备 b. 外延片的生长 c. 芯片的加工 LED制造流程图2. LED芯片的制造工艺介绍单晶硅棒 (直拉法)a. 衬底材料的制备衬底材料的制备Intel 45ns处理器晶圆 晶圆晶圆是指硅半导体集成电路制作所用的硅晶片，由于其形状为圆形

8、，故称为晶圆；LED芯片三种衬底衬底材料： 蓝宝石（Al2O3） 硅 （Si） 碳化硅（SiC）衬底材料制备工艺流程衬底材料制备工艺流程 衬底(晶圆)制备是指生长单晶棒及之后的切片、磨片、抛光等完成芯片所需基底的一系列工艺过程。定向定向整型整型切片切片磨片，倒角磨片，倒角化学刻蚀化学刻蚀抛光抛光清洗清洗检查检查氧化，外延氧化，外延包装包装晶体生长晶体生长第一步：晶体生长多晶和单晶结构多晶和单晶结构Polycrystalline structureMonocrystalline structureSiAl2O3 人工晶体制备就是把组成晶体的基元解离后又重新使它们组合的过程。按照解离手段的不同，可

9、以分为溶液法，熔体法和气相法。单晶制备方法单晶制备方法 超过75%的单晶硅晶圆片都是通过Czochralski(CZ)直拉法生长的。直拉法能够生成几百毫米长，直径可达到几十毫米的晶体。例如，200毫米长的晶圆的晶体将会重达200kg，需要花费三天时间来生长。CZ提拉法单晶生长提拉法单晶生长CZ法法工艺流程工艺流程生长部分的步骤：生长部分的步骤：u引引晶晶 将籽晶与熔体很好的接触。 u缩晶缩晶 在籽晶与生长的单晶棒之间缩颈，晶体 最细部分直径只有2-3mm，获得完好单晶。 u放肩放肩 将晶体直径放大至需要的尺寸。u等径生长等径生长 拉杆与坩埚反向匀速转动拉制出等径单晶。 直径大小由拉升速度、转速

10、，以及温度控制。 u收尾收尾 结束单晶生长。CZ法法特点特点:优点：工艺成熟，能较好地拉制低位错、大直径的硅单晶，大晶体生长容易。缺点：是难以避免来自石英坩埚和加热装置的杂质污染。Si单晶制备设备图籽晶晶体砷化镓熔化物氧化硼层液体掩盖提拉法单晶生长液体掩盖提拉法单晶生长GaAs (闪锌矿结构) 此方法主要用来生长砷化镓砷化镓晶体，和标准的直拉法一样，只是做了一些改进。由于熔融物里砷的挥发性通常采用一层氧化硼氧化硼漂浮在熔融物上来抑制砷的挥发。故得其名，如图所示通入惰性气体惰性气体（氩气）上卡盘多晶硅棒下卡盘熔融区籽晶滑动射频线圈行进方向区熔法单晶生长区熔法单晶生长 该方法可以获得最高纯度的硅，

11、主要用来生长低氧主要用来生长低氧含量的晶体含量的晶体，但不能生长大直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度。生长系统如图所示。Float Zone Crystal GrowthRFGas inlet (inert)Molten zoneTraveling RF coilPolycrystalline rod (silicon)Seed crystalInert gas outChuckChuck 建立坐标系x,y,z，晶体的方向由密勒指数确定ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)MOS器件双极器件第二步：晶体定向蓝宝石结晶面示意图 最常用来做GaN磊晶的是C面(0001)这个不具极性的面

12、。 (a)图从C轴俯看 (b)图从C轴侧看蓝宝石衬底应用蓝宝石衬底应用种类种类 广大外延片厂家使用的蓝宝石衬底分为三种:1:C-Plane1:C-Plane蓝宝石基板蓝宝石基板 这是广大厂家普遍使用的供GaN生长的蓝宝石基板面.这主要是因为蓝宝石晶体沿C轴生长的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在C面进行磊晶的技术成熟稳定.2:R-Plane2:R-Plane或或M-PlaneM-Plane蓝宝石基板蓝宝石基板 主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜,以提高发光效率.通常在蓝宝石基板上制备的GaN外延膜是沿c轴生长的，而c轴是GaN的极性轴，导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建

13、电场，发光效率会因此降低，发展非极性面GaN外延，克服这一物理现象，使发光效率提高。3: 3:图案化蓝宝石基板图案化蓝宝石基板(Pattern Sapphire Substrate(Pattern Sapphire Substrate简称简称PSS)PSS) 以成长(Growth)或蚀刻(Etching)的方式,在蓝宝石基板上设计制作出纳米级特定规则的微结构图案藉以控制LED之输出光形式，并可同时减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。 纳米图案化蓝宝石衬底示意图高阶劳埃衍射劳埃衍射花样实例 去掉两端（种子端和非种子端） 径向研磨 定

14、位边研磨 主定位标明了晶体结构的晶向 次定位标明了硅片的晶向和导电类型Diameter grindPreparing crystal ingot for grindingFlat grind第三步：整形 切片就是用有金刚石涂层的内园刀片把晶片从晶体上切下来。Internal diameter wafer saw第四步：切片磨片磨片 是一个传统的磨料研磨工艺。因为用机械方法加工的晶片是 非常粗造 的， 如图所示，它不可能直接使用，所以必须去除切片工艺残留的表面损伤。倒角倒角 将边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷，减少制造中的边缘崩边和损伤。第五步：磨片，倒角 利用化学

15、刻蚀选择性的去除晶圆表面玷污和损伤。 一般约去除20微米的硅它可以用来去除切、磨过程所产生的机械损它可以用来去除切、磨过程所产生的机械损伤和清洗过程中折优腐蚀所造成的表面缺陷伤和清洗过程中折优腐蚀所造成的表面缺陷及结构损伤层，能简便而快速地减薄硅片，及结构损伤层，能简便而快速地减薄硅片，并对硅片进行可控的边缘整圆，以减少从边并对硅片进行可控的边缘整圆，以减少从边缘损伤产生二次缺陷或碎片，从而减少抛光缘损伤产生二次缺陷或碎片，从而减少抛光的难度和提高抛光的效果。的难度和提高抛光的效果。第五步：化学刻蚀 普通的磨片完成过后硅片表面还有一个薄层的表面缺陷。现在的抛光是机械加化学，经过抛光工艺后使硅片表面真正达到高度平整、光洁如镜的理想表面。Upper polishing padLower polishing padWaferSlurry第六步：抛光第七步：清洗，检查，氧化，外延，包装LED外延片外延片所需所需衬底材料选取的原则衬底材料选取的原则衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面： 1结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶 性能好、缺陷密度小;2界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强;3化学稳定性好，在外延生长的温度