LED芯片及其制备应用

1、12022年3月4日LED芯片及其制备芯片及其制备22022年3月4日四、四、LED芯片的制备及应用芯片的制备及应用主要内容主要内容一、一、 半导体材料半导体材料二、二、LED芯片组成与分类芯片组成与分类三、三、LED芯片用衬底材料芯片用衬底材料32022年3月4日一、一、 半导体材料半导体材料半导体材料（半导体材料（semiconductor material）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mcm1Gcm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。20世纪初世纪初元素半导体元素半导体硅（硅（Si）锗（锗（Ge）20世纪世纪50年代年代化合物半导体化合

2、物半导体砷化镓（砷化镓（GaAs）铟磷（铟磷（InP）20世纪世纪90年代年代宽禁带化合物半导体宽禁带化合物半导体氮化镓（氮化镓（GaN）碳化硅（碳化硅（SiC）氧化锌（氧化锌（ZnO）42022年3月4日不是所有的半导体材料都能发光，半导体材料分为直接带隙材料和间接带隙材料，只有直接带隙材料才能发光。直接带隙材料直接带隙材料 电子可在导带带底垂直跃迁到价带带顶，它在导带和价带中具有相同的动具有相同的动量量，发光率高。用于发光的直接带隙材料有GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP等。52022年3月4日间接带隙材料间接带隙材料 电子不能在导带带底垂直跃迁到价带带顶，它在导带和价带中的动

3、量不相等，这种间接带隙材料很难发光，即便能发光，效率也很低。因此必须有另一粒子参与后使动量相等，这个粒子的能量为Ep，动量为kp。GaP62022年3月4日LED芯片又称LED芯片，英文叫做CHIP，它是制作LED器件的主要材料，由磷化鎵（GaP），鎵铝砷（GaAlAs），或砷化鎵（GaAs），氮化鎵（GaN）等材质组成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。二、二、LED芯片组成与分类芯片组成与分类72022年3月4日82022年3月4日芯片按发光亮度分类可分为：芯片按发光亮度分类可分为： 一般亮度一般亮度：R(红色红色GAaAsP 655nm)、H ( 高红高红GaP 697nm )、G

4、 ( 绿色绿色GaP 565nm )、Y ( 黄色黄色GaAsP/GaP 585nm )、E(桔色桔色GaAsP/GaP 635nm )等；等； 高亮度高亮度：VG (较亮绿色较亮绿色GaP 565nm )、VY(较亮黄色较亮黄色 GaAsP/ GaP 585nm )、SR( 较亮红色较亮红色GaA/AS 660nm )； 超高亮度超高亮度：UGUYURUYSURFUE等。等。AS 芯片Absorbable structure (吸收衬底）芯片92022年3月4日各单色纯芯片发光的各单色纯芯片发光的LED102022年3月4日芯片按组成元素可分为：芯片按组成元素可分为： 二元晶片二元晶片(磷磷

5、镓镓)：HG等；等； 三元晶片三元晶片(磷磷镓镓 砷砷)：SR(较亮红色较亮红色GaA/AS 660nm)、 HR (超亮红色超亮红色GaAlAs 660nm)、UR(最亮红色最亮红色GaAlAs 660nm)等；等； 四元晶片四元晶片(磷磷铝铝镓镓铟铟)：SRF( 较亮红色较亮红色 AlGalnP )、HRF(超亮红色超亮红色 AlGalnP)、URF(最亮红色最亮红色 AlGalnP 630nm)、VY(较亮黄色较亮黄色GaAsP/GaP 585nm)、HY(超亮黄色超亮黄色 AlGalnP 595nm)、UY(最亮黄色最亮黄色 AlGalnP 595nm)、UYS(最亮黄色最亮黄色 Al

6、GalnP 587nm)、UE(最亮桔色最亮桔色 AlGalnP 620nm)、HE(超亮桔色超亮桔色 AlGalnP 620nm)、UG (最亮绿色最亮绿色 AIGalnP 574nm) LED等。等。112022年3月4日借此可以控制LED所发出的光的波长，也就是光谱或颜色。目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。LED工作电压低(仅1.53V)，能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压(或电流)调节。LED的发光颜色、发光效率与制作LED的材料材料和制程有关122022年3月4日132022年3月4日1. LPE： 液相磊晶法液相磊晶法 GaP/GaP；VPE： 气相磊晶法气相磊晶法 GaAsP/

7、GaAs；2. MOVPE：有机金属气相磊晶法有机金属气相磊晶法) AlGaInP、GaN；芯片芯片按按磊晶种类磊晶种类：142022年3月4日三、三、LED芯片用衬底材料芯片用衬底材料152022年3月4日优点：生产技术成熟，器件质量较好，稳定性很好；机械强度高，易于处理和清洗。存在的问题：晶格失配和热应力失配，会在外延层中产生大量缺陷；蓝塞石是一种绝缘体，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少；增加了工艺过程，制作成本高。 蓝宝石衬底蓝宝石衬底 162022年3月4日电流可以纵向流动（V接触），因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热

8、性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。 硅衬底硅衬底 目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触接触(Laterial-contact，水平接触)和V接触接触(Vertical-contact，垂直接触)。172022年3月4日V型电极型电极芯片结构通常为单电极结构；L型电极型电极的芯片结构通常为双电极结构。182022年3月4日碳化硅衬底(CREE公司专门采用SiC材料作为衬底)的LED芯片，电极是V型电极，电流是纵向流动的。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。碳化硅的热导率为490 W/(mK)，要比蓝宝石

9、衬底高出10倍以上。 碳化硅衬底碳化硅衬底192022年3月4日衬底与外延膜的结构匹配衬底与外延膜的结构匹配衬底与外延膜的热膨胀系数匹配衬底与外延膜的热膨胀系数匹配衬底与外延膜的化学稳定性匹配衬底与外延膜的化学稳定性匹配材料制备的难易程度及成本的高低材料制备的难易程度及成本的高低202022年3月4日半导体单晶生长及衬底片加工半导体单晶生长及衬底片加工 清洗(Cleaning) 拋光(Polishing) 檢查(Inspection) 晶棒成長 切片(Slicing) 研磨(Lapping) 212022年3月4日原料原料长晶长晶定向定向掏棒掏棒滚磨滚磨晶棒晶棒定向定向切片切片研磨研磨倒角倒角

10、抛光抛光清洗清洗基片基片222022年3月4日232022年3月4日242022年3月4日252022年3月4日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 、晶体切割机等高纯原料高纯原料化合物单晶化合物单晶外延用衬底片外延用衬底片262022年3月4日基本工艺流程基本工艺流程光刻光刻刻蚀刻蚀蒸发蒸发溅射溅射退火处理退火处理解理解理MOCVDMOCVD材料外延生材料外延生长长镀介质膜镀介质膜镀镀 膜膜解理解理/ /划片划片真空包装真空包装272022年3月4日四、四、LED芯片的制备及应用芯片的制备及应用

11、蓝宝石蓝宝石缓冲层缓冲层N-GaNp-GaNMQW在半导体基片上形成一个与基片结晶轴同晶向的半导体薄层，称为半导体外延生长技术，所形成的薄层称为外延层282022年3月4日P、N极的分离表现为元素掺杂度的不同极的分离表现为元素掺杂度的不同292022年3月4日依制程的不同，可分为LPE(液相磊晶)、MOCVD(有机金属气相磊晶)及MBE(分子束磊晶)。LPE的技术较低，主要用于一般的发光二极管MBE的技术层次较高，容易成长极薄的磊晶，且纯度高，平整性好，但量产能力低，磊晶成长速度慢。MOCVD除了纯度高，平整性好外，量产能力及磊晶成长速度亦较MBE为快，所以现在大都以MOCVD来生产。3020

12、22年3月4日MOCVD其过程首先是将GaN衬底放入昂贵的有机化学气相沉积炉（简MOCVD，又称外延炉），再通入III、II族金属元素的烷基化合物（甲基或乙基化物）蒸气与非金属(V或VI族元素）的氢化物（或烷基物）气体。在高温下，发生热解反应，生成III-V或II-VI族化合物沉积在衬底上，生长出一层厚度仅几微米的化合物半导体外延层。长有外延层的GaN片也就是常称的外延片。312022年3月4日322022年3月4日双气流MOCVD生长GaN装置332022年3月4日MOCVD英国Thomas Swan公司制造，具有世界先进水平的商用金属有机源汽相外延(MOCVD)材料生长系统，可用于制备以G

13、aN为代表的第三代半导体材料342022年3月4日外延片352022年3月4日为什么为什么有个缺有个缺口呢？口呢？倒角倒角：晶片经过切割后边缘表面有稜角毛刺崩边甚至有裂缝或其它缺陷，边缘表面比较粗糙。为了增加切片边缘表面机械强度、减少颗粒污染，就要将其边缘磨削呈圆弧状或梯形。362022年3月4日372022年3月4日光刻ITO剥离、合金光刻胶ITOP-GaN金电极衬底缓冲层N-GaNMQW光刻电极蒸镀电极ICP刻蚀382022年3月4日外延片ITO光刻ITO甩 胶前 烘曝 光显 影坚 膜腐 蚀ITO氧化铟锡是Indium Tin Oxides的缩写。 作为纳米铟锡金属氧化物，具有很好的导电性

14、和透明性具有很好的导电性和透明性，可以切断对人体有害的电子辐射，紫外线及远红外线。因此，喷涂在玻璃，塑料及电子显示屏上后，在增强导电性和透明性的同时切断对人体有害的电子辐射及紫外线、红外线。392022年3月4日掩膜板光刻光刻ITO甩胶甩胶：将少许光刻胶滴在外延片上，用匀胶台在高速旋转 后形成均匀的胶膜。前烘前烘：使光刻胶的溶剂挥发，用于改善光刻胶与样品表面的 粘附性。曝光曝光：用紫外光通过光刻板曝光，曝光的区域发生化学变化。402022年3月4日曝光原理图412022年3月4日手动曝光机422022年3月4日显影后的图形腐蚀：用36%-38%的盐酸腐蚀ITO显影：用显影液除去应去掉部分的光刻

15、胶，已获得腐蚀时由 胶膜保护的图形。后烘：使光刻胶更坚固，避免被保护的地方发生腐蚀432022年3月4日掩膜板掩膜板光刻电极光刻电极442022年3月4日显影后的图形蒸发剥离合金减薄减薄减薄：减小衬底厚度，利于切割、散热激光划片452022年3月4日蒸发原理图蒸发原理图462022年3月4日贴膜贴膜白膜：宽度为16cm,粘性随温度的升高增加;472022年3月4日划片划片激光打在蓝宝石衬底上，所用激光为紫外光，波长为355nm。482022年3月4日为了更好的把圆片裂开，需要让激光打在管芯轨道的中央位置，调节激光的焦距，使激光聚焦在片子上表面，激光的划痕深度尽量在25-30um。492022年3月4日倒膜倒膜蓝膜：宽度22cm倒膜时衬底朝上，有电极的一面朝下。从分选机上卸下来的蓝膜比较小，不便于包装、运输。必须把芯片放在比较大的、美观的东西上面。倒膜要倒两次，