半导体LED芯片制造基本理论以及生产技术

1、2022/7/26第二讲半导体LED芯片制造基本理论以及生产技术 2022/7/26一二三主要内容LED的半导体基本理论LED芯片的外延LED芯片的制备四大功率白光LED技术2022/7/26一、 LED的半导体基本理论2022/7/261、发光二极管的工作原理 LED发射的是自发辐射光（非相干光）。大多采用双异质结结构，把有源层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值。LED分为正面发光型和侧面发光型，侧面发光型LED的驱动电流较大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入纤光功率比正面发光型LED高。LED发光原理 半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里

2、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”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，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。2022/7/262、发光二极管的基本结构球透镜环氧树脂P层有源层N层发光区(a)正面发光型微透镜P型限制层有源层波导层N型限制层(b)侧面发光型2022/7/26 发光二极管发射的是自发辐射光，没有光学谐振腔对波长的选择，谱线宽，短波长LED谱线宽度为3050nm。长波长LED的谱线宽度为6120nm。 1300 波长/nm相 对光强=70nm3、发光二极管的工作特性

3、-光谱特性2022/7/26发光二极管的工作特性-输出光功率特性正面发光侧面发光电流I/mA 发射光功率 P/mw0 100 200 300 400 500 LED的一般外量子效率小于10%，驱动电流较小时，P-I特性呈线性，I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I特性曲线斜率减小。通常LED的工作电流为50100mA，输出光功率为几mW ，由于发光光束辐射角大，入纤光功率只有几百W。2022/7/26LED 的频率响应为：式中， 为调制频率， 是对应于调制频率的输出光功率， 为少数载流子（电子）的寿命，定义 为发光二极管的截止频率，当 时， 最高调制频率应低于截止频率。发光二极管的工作

4、特性-频率特性2022/7/264、LED的频率响应曲线e = 1.1se = 2.1se = 6.4s调制频率f/MHz频 率响应10 100 100010P(f)2022/7/26LD和LED的一般性能比较 LD LED工作波长/m1.3 1.55 1.3 1.55谱线宽度/nm12 13 50100 60120阈值电流Ith/mA2030 3060工作电流I/mA 50150 100150输出功率P/mW 510 510 15 13入纤功率P/mW 13 130.10.3 0.10.2 调制带宽B/MHz5002000 5001000 50150 30100辐射角/（） 2030 205

5、0 30120 30120寿命t/h106107 105106108 107工作温度 / -2050 -2050 -2050 -20502022/7/26外延工艺：衬底 结构设计 缓冲层生长 N型层生长 发光层生长 P型层生长 退火 检测 外延片芯片工艺：外延片 设计、加工掩模版 光 刻 离子刻蚀 N型电极 P型电极 划片 分检 包装芯片生产的两个最主要的程序2022/7/26二、LED芯片的外延2022/7/26磊晶设备MOCVD机简介(MOCVD System Introduction)MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 金属有机

6、化学气相沉积2022/7/2630 x2 Systemgloveboxvacuum pump (at rear, insidereactor + heatergas mixing systemelectronic control rack2022/7/26生产外延片的技术要求极高、难度极大。目前多数企业生产LED外延片都采用MOCVD这一专业设备。MOCVD（Meltal-Organic Chemical Vapor Deposition），1968年由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。该设备集机密机械、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

7、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业设备，主要用于GaN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业设备之一。2022/7/26MOCVD2022/7/26外延片的制程外延片的生成制作过程非常复杂。首先是将Al2O3衬底放入昂贵的金属有机化学气相沉积炉（简MOCVD，又称外延炉），再通入，族金属元素的烷基化合物（甲基或乙基化物）蒸汽与非金属（或族金属元素）的氢化物（或烷基物）气体，在高温下，发生热解发应，生成-或-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，长完外

8、延片，接下来就在外延片做测试，符合要求的就是良品，其余为不良品（电压偏差很大，波长偏短或偏长等）。这样就完成了LED产业链条的上游部分。2022/7/26LED芯片工艺流程图2022/7/262022/7/26MOCVD的产能一台MOCVD月产外延片2000片；公司现有五台MOCVD，其月产能可达10000片；公司计划将引进30台MOCVD，届时一个月生产60000片外延片！2022/7/26MOCVD制备外延膜过程(i)反应气体或反应元素因热裂解由边界层(boundary layer)向基板表面输送气相扩散，入射原子冲击基板，一部分被反射，其他吸附于基板上。(ii)基板表面吸附表面扩散，吸附

9、原子于基板表面上扩散，产生原子间的二次冲撞而形成团簇(cluster,原子集合体)，或只在表面上停留某段时间后，再度蒸发解析脱离。(iii)表面反应，核形成团簇反覆与表面扩散原子冲撞或以单原子再释放出来，而当原子数超过某一临界值后开始成长，与邻近的团簇聚合而形成连续膜，大多为三位团簇，但以二维团簇的方式生长形式也有。2022/7/26邊界層供給排氣原料(i)輸送(氣相擴散)(ii)吸附表面擴散(iii)反應，核形成horizontal gas flow(iv) 解析脫附(v) 向外擴散(iv)反应生成物的蒸发解析脱离。(v) 脱离的反应生成物向外扩散（out diffusion)(气相扩散)。

10、2022/7/26MOCVD内部反应过程 族的(CH3)3Ga TMGa (三甲基镓) 、(CH3)3In TMIn (三甲基铟)等，与族特殊气体如：AsH3 (arsine) 砷化氢、PH3 (phosphine)磷化氢、NH3等，通过特殊载体气流送到高温的GaAs晶片、人造蓝宝石等晶片上，在Reactor反应器內的高温下，這些材料发生化学反应，並使反应物沉积在晶片上，而得到磊晶片上形成一层半导体结晶膜，这样就能做成半导体发光材料，如发光二极管等 基本化学反应式： 四元TMGa(g) + AsH3(g) GaAs(s) +CH4(g) 蓝光TMGa(g) + NH3(g) GaN(s)+CH

11、4(g)+N2(g)+H2(g)MOCVD反應原理2022/7/26MOCVD技术与设备的设计与应用,其延伸问题包含多学科及其原理： 物理、化学、数学、流体力学、热力学、机械力学、材料学及电磁学等等 Recipe（处方） x MOCVD设备 = 磊晶結果2022/7/26MOCVD设备及其系統反应腔Reactor气体传输系統gas mixing system电控系統 E -Control unitCooling unitHeater unitTemp. control unitPressure control unitGlovebox后端管路抽气系統Exhaust systemFilterBu

12、tterfly valveVacuum Pumpgas supplypowerControl computerPLC SLCSafety control system Cooling supply气体探测器2022/7/26MOCVD Reactors_the market2022/7/26Principle of MOCVDH , N P=10-200 mbar22TMGa, AsH3TMGa, NH3TMIn , PH3gas blendingreactorhigh purity, precise mixingsafetyGaAs, InP substrate, T 400 - 1200C

13、D100 rpmproduction orientedlow cost of ownershipGa(CH ) + AsH GaAs + 3CH3334 TMAl, TMGa,sapphire5 -Ga(CH ) + NH GaN + 3CH3334scrubbing systemH2filter unitvacuum pumpthrottle valvecrystal quality, thicknessuniformity, reproducibility2022/7/26MOCVD growthboundary layersurface diffusionand reactioninco

14、rporationand growthCH4 =CH3 + HN*+N*=N2wafer surfacemass transferby diffusionHHHNCH3GaCH3CH3precursordecomposition-radicaladsorptionCH3CH3-radicalHHHNGaCH3CH3CH3H2H2H2H2gas phase2022/7/26MOCVD Growth CriteriaThickness uniformityComposition uniformityDoping concentration uniformityClean wafer surface

15、On wafer uniformityWafer to wafer uniformityRun to run stability (reproducibility)Less maintenance (high through-put)2022/7/26三、LED芯片的制备2022/7/26芯片制程一：芯片前段制程1.化学区清洗和湿法刻蚀制程：用化学药品对晶片进行有机 物和其它颗粒的去除，以及有些膜层的化学腐蚀2.蒸镀和干法蚀刻制程：在晶片上制作可以导入电流的引线电极。3.黄光室制程：利用光刻胶的特性把图形转移到晶片上。二：芯片后段制程点测：将每个LED器件的特性进行量测(Vf Iv d Ir)

16、研磨切割：2”外延片约切割成20,000个至50,000个LED器件分类：将特性一样的LED器件分成同一类目检：将外观异常的LED器件挑除2022/7/26丽得晶片厂2022/7/26LED完整产业链条分为LED外延片、LED芯片、LED封装、LED应用。晶片厂成立于2008年，环境优美，交通便利，公司所有技术人员120人(比例1/3)。公司拥有千级无尘室500平方米，万级无尘室3500平方米，配备有世界先进的生产设备。如：MOCVD、X-ray、PL、可见光光谱仪、ICP、PECVD、激光切割机、进口金相显微镜等等。 2022/7/26主要设备MOCVD（有机气相外延设备） 五套ICP-RI

17、E（电感偶合等离子刻蚀机） 两套PECVD （等离子薄膜沉积设备） 两套高精度曝光机 两套等离子薄膜蒸發台 四套高精度激光划片机 两套 研磨机2022/7/26 ICP-RIE（电感耦合反应等离子刻蚀机）2022/7/26 PECVD2022/7/26高精度曝光机2022/7/26等离子薄膜蒸发台2022/7/26各种大宗气体设备 除MOCVD等设备外，我们还配备有生产所需的各种大宗气体设备，如氮气、氨气、氢气等等。2022/7/26等离子薄膜車間PECVD研磨切割車間2022/7/26 固体发光过程 激 发 吸 收 发 光能量转换能量输运能量传递2022/7/26LED分类1、 按发光管发光

18、颜色分 按发光管发光颜色分，可分成红色、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。2 按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。 3 按发光二极管的结构分 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。 4 按发光强度和工作电流分 、普通亮度的LED（发光强度100mcd）； 、高亮度发光二极管。 （发光强度10100mcd ）； 、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。2022/7/26LED封装

19、1 产品封装结构类型 2 引脚式封装 3 表面贴装封装 4 功率型封装 led光谱 2022/7/26从磊晶看LED发光效率LED照明未来预估与市场规模 高功率磊晶技术发展解析LED发光效率演进动向2022/7/26Market Demand$20X75/1000=$1.5 (3W)2022/7/26March 2006Luminaire Efficiency 20062022/7/26March 2007Luminaire Efficiency 20062022/7/26Nichias achieves 150 lm/W white LED (Dec. 2006)Epistars blue

20、LED EQE(50%, in production, 58% R&D best performance)Nichias white LED EQE(68%)2022/7/26Luminaire EfficiencySource: Multi-year program plan FY08-FY13 (DOE) 2022/7/26Lighting MarketSource: Nov. 2007 亞洲電子科技雜誌2022/7/262022/7/26四、大功率白光LED技术2022/7/26两大主类LED High Efficiency Low Current Application Flexibl

21、e Module Design Higher Chip Process Yield Simply Package Structure High Lumens/Package High Current Application Lower Chip Process Yield Complex Package Structure for Heat DissipationSmall LEDPower LED2022/7/26Better Performance for Small LED?2022/7/26Application2022/7/26White LED Performance Improv

22、ement20002005201020152020200150100500Efficacy (lm/W)Japan 21OIDA / US DOEOIDA / US DOEProduction levelLab. levelIncandescent / HalogenCompact fluorescentTube fluorescentHIDSource: Nichia/CreeYearWhite LED 20 mAWhite LED 300 mA2022/7/26Optical EfficiencyHID:100 lm/W40% Utilization EfficiencyLighting

23、efficacy 40 lm/W80% Utilization Efficiency2005 LED:50 lm/WLighting efficacy 40 lm/W2022/7/26Light Extraction Efficiency2022/7/26Geometry Effect1456322022/7/26Efficiency Droop Problem (IQE)Lm/$ Lm/Package2022/7/26Recombination Mechanisms2022/7/26Schubert et al. Appl. Phys. Lett. 91, 231114 2007Defect

24、 Density2022/7/26without piezoelectric fieldwith piezoelectric fieldI. V. Rozhansky and D. A. Zakheim: phys. stat. sol. (a) 204, No. 1 (2007)Piezoeletric Field Effect2022/7/26I. V. Rozhansky and D. A. Zakheim: phys. stat. sol. (a) 204, No. 1 (2007)nnppp-MQW LED2022/7/26I. V. Rozhansky and D. A. Zakh

25、eim: phys. stat. sol. (a) 204, No. 1 (2007)n-p-n LED2022/7/26Kim et al. Appl. Phys. Lett. 91, 183507 2007Polarization Effect2022/7/26Polarization EffectKim et al. Appl. Phys. Lett. 91, 183507 20072022/7/26LED发光效率发展动向Market pulllm/W lm/packaged lm/$200 mA/mm2 350 mA/mm2 700 mA/mm2 2000 mA/mm2 What wi

26、ll happen 2 A/mm2?Current densityHeat dispersionPackage issue2022/7/26Current Uniformity 1NichiaLumiLeds Lighting2022/7/26Current Uniformity 2Current Uniformity2022/7/26Thermal EfficiencySource: OIDA / US DOELm/$ Lm/Package2022/7/26Chip Level ImprovementTj = Ta + I * V * RthFlip ChipThin GaN2022/7/2

27、6Thermal Resistance Model2022/7/26Heat SpreadingLm/$ Lm/Package2022/7/26Dreams Come True100W LED400W Mercury100W LED Road Test on NTU Campus (3,600lm37.5lm/W)2022/7/26各国及地区半导体照明研发计划表 （单位：lm/w） 国家/地区 2002年 2005年 2007年 2008年 2010年 2012年 2020年 美国 2070150200日本 150欧盟 中国台湾地区 40韩国 80中国 100150-200欧盟 2022/7/

28、262003年以来，大功率LED的应用逐步推开，价格也随之大幅降低。以功率为1W的白光LED来对比，2003年单颗价格为5-6美元，到2007年则降到2-3美元，而光效则由30lm/W提升到2007年的70-80lm/W。但对比2007年到现在的1W白光LED单颗价格，目前仍然维持在2-3美元，不同的是光效提升到了80-90lm/W。目前有能力大批量供应白光LED功率芯片及LED器件厂商仍局限在Lumileds、Cree、Osram、Nichia以及台湾的晶电等为数不多的厂商，伴随着功率白光LED应用的高速增长及其光效的不断提升，预计其单颗LED价格不会有过大的降幅。LED照明市场一角(掠影)

29、2022/7/26全球LED市场规模与增长率 单位：百万美元 020004000600080001000012000140001600020012002200320042005200620072008200920102011-10%-5%0%5%10%15%20%25%30%规模增长率手机背光带动增长手机背光增长放缓新应用推动新一波增长在2008年，NB背光源、汽车照明市场、LED路灯等新应用将持续带动LED产业成长。预期在2010年以后，将由半导体照明应用为LED带来另一波成长的契机。2022/7/26 全球白炽灯禁用时间表国家和地区预计禁用时间情况介绍预估替代形式澳大利亚2009年停止生产

30、，最晚在2010年逐步禁止使用传统的白炽灯。澳洲于2007年2月20日宣布一项计划，澳洲在2009年开始停止生产这类耗电灯具。最晚在2010年开始逐步禁止使用传统的白炽灯，将制定相关鼓励政策技术规定。灯泡状荧光灯、省电日光灯（CFL）、LED照明灯具、T5荧光灯管、OLED照明等台湾规划2010年开始执行白炽灯禁产政策，2012年全面禁产。经济部能源局在行政院产业科技策略会议中宣布，将在2009年第一季全面淘汰白炽灯泡，改用LED照明，预计2010年起陆续停产白炽灯，2012年底将全面停止使用白炽灯泡。日本到2012年止，停止制造并销售高能耗白炽灯。政府决定到2012年为止，停止制造并销售高能

31、耗白炽灯泡，东芝照明技术决定，在2010年之前停产普通白炽灯泡，关闭全部生产线。今后将以灯泡状荧光灯和LED照明灯节能产品取代白炽灯。美国2012年1月到2014年1月。大多数白炽灯泡将于2014年在美国市场上禁止销售。2007能源独立和安全法案（Energy Independence and Security ActH.R.6).该法案规定，从2012年到2014年间，美国要逐步淘汰40W、60W、75W及100W白炽灯泡，以节能灯泡取代替换。2022/7/26中国发改委预计10年内禁用（禁售）白炽灯中国的国家发展改革委员会已与联合国开发计划书、全球环境基金合作共同开展“中国逐步淘汰白炽灯、

32、加快推广节能灯专案，支持研究编制中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯行动计划。目前，青岛市发改委于日前下发通知，要求各区、市政府、各部门，市直各单位各大宾馆饭店、商场、写字楼、学校、医院、大型工厂企业等大力推广使用节能灯，到2010年以前停用白炽灯。欧盟各国 （英国） 欧洲联盟9月起禁止销售100瓦传统灯泡，2012起禁用所有瓦数的传统灯泡。欧盟零售商2008年开始停卖150瓦灯泡，2009年将停卖60瓦灯泡。如：英国零售卖场2009年一开张，就停止100瓦灯泡补货，自愿停售期到2012年结束，之后政府会颁罚则，改用省电日光灯（CFL）或LED照明灯具。韩国2013年底前禁止使用白炽灯。南韩第4

33、次能源利用合理化基本计划决定，将阶段性地提高光能源仅占5%，而热散发量高达95%的白炽灯的最低能耗效率标准，并在2013年底前予以淘汰。加拿大2012年前禁用白炽灯加拿大自然资源部长加里伦恩2007年4月25日宣布，加拿大定于2012年开始禁止销售白炽灯。是继澳洲后第二个宣布将禁用白炽灯的国家。预估替代形式灯泡状荧光灯、省电日光灯（CFL）、LED照明灯具、T5荧光灯管、OLED照明等2022/7/26近2-3年半导体照明的重点 2007年LED照明产值达48亿元，2010年预计98亿元。2009年LED照明渗透率可望有1.5%，比2008年倍增，总产值预计可达13亿美元。室内外照明2008年

34、中国路灯市场规模大约1,500万盏左右，其中LED路灯的装置数量大约在50万盏。2009年中国LED路灯市场的装置数量预计将高达250万盏左右。 广东省2年内在10个城市实现“千里十万工程”瓦房店市7万盏LED路灯，年节约电费500多万元潍坊 2万盏LED路灯天津工业大学实现5000盏LED路灯来源LEDinside2022/7/26LED路灯照明2022/7/26公司主走廊采用LED照明 3个LED组成的的功率即相当于50 W卤素灯水平。寿命为5万小时2022/7/26LED情调灯2颗红色、1颗蓝色及1颗绿色LED所组成，可变化出1,677种不同顏色。2022/7/26芯片可靠性对制备技术的

35、要求 结温的测试 结温的测试采用动态电学参数法, 即利用小电流下LED的正向压降与温度成线性关系: Vf=nKT/q*ln(If/Io) + Rs*If式中: Vf为正向电压，If为正向电流; Io为反向饱和电流，q为电子电荷; K是玻尔兹曼常数，Rs是LED内阻; n是表征P/N结完美性的一个参量, 在1-2之间; 由Tj=Rj*k*I*V+T环境 可以得到结温式中: Tj 为结温, Rj为热阻, K为光电转换效率, I, V 为电流和电压2022/7/26 室温下的结温和电流的关系芯片可靠性对制备技术的要求2022/7/26*激活能的计算实验条件：电流： 30mA温度： 室温， 55，80

36、芯片大小： 12mil*12mil芯片波长： 460nm芯片可靠性对制备技术的要求2022/7/26由加速老化的阿雷尼乌斯模型：AF=(IFac/IFop)2*exp(Ea/kb *(1/Tjop-1/Tjac)） (*)其中AF为加速因子，IFac, IFop为加速和正常工作时的电流， Ea为活化能， kb 为玻尔兹曼常数， Tjop Tjac 为正常工作和加速时的结温。(*)可以变化为：ln(AF)=Ea/kb* (1/Tjop-1/Tjac)+2ln(IFac/IFop)将相应数据代入可以得到： *激活能的计算芯片可靠性对制备技术的要求2022/7/26*专利保护的树枝电极结构-减小电流

37、拥堵-使得注入电流扩展均匀-正负极的树枝交错排列，电流密度分布均匀-正向电压有效降低，提高了出光效率提高白光功率芯片光效的方法2022/7/26*专利保护的树枝电极结构提高白光功率芯片光效的方法大功率芯片图形2022/7/26 提高白光功率芯片光效的方法从图中可以看出，其树枝部分是呈现出粗细变化的，宽大部分为开始的大电流提供了更多的面积来扩散电流，避免造成电流拥堵。当电流流向树枝状窄端时，电流不断的由侧枝扩散出去，所以传输下去的电流越来越少，因此我们的树枝状电极相应的也做的越来越窄。因为电极引线采用锥形工艺，导线的电阻增加电流减小。因此与点状电极相比，沿着电极方向，各处由电极流入导电层的电流更

38、均匀。这再一次促进了沿着p型和n型电极引线方向各处电流的均匀扩散。另外在电极的整体设计上，理论上已经证明了正负极距离较短的设计有利于电流能够更加均匀的扩展，而我们的大功率芯片图形结构中正负极的树枝交错排列，这使得正负极距离得到有效的减小，也就使得电流能够得以更加均匀的分布。再加上其电极呈树枝状分布，正向电压可达以下。美国专利高功率高亮度发光二极管及其制法（授权号：USP6，650，018）。2022/7/26 提高白光芯片光效的方法*专利保护的背反射镜的优化，提高光效-背镀反射镜，提高出光效率60%-100%通过制作布拉格反射镜提高出光效率，即在芯片的背面或者窗口处蒸镀反射金属，使有源层向上下

39、两个方向发出的光都能够得到利用，提高出光效率50%-100%2022/7/26氮化镓基发光二极管包括透明衬底和用于透射LED产生光的窗口。理论上来讲，在有源层发出的光等几率地分别从窗口和蓝宝石衬底方向出射，如果利用的是通过窗口发出的光，那么从有源层发射向透明衬底的光大部分会损失；同样地，如果利用的是通过衬底发出的光，那么从有源层发射向窗口的光大部分会损失。所以我们需要一个分布布拉格反射镜，如果利用由窗口发出的光，反射镜直接形成于衬底背面；而如果利用透过衬底的光，反射镜直接形成于窗口的发光部分。即分布布拉格反射镜可以形成于衬底背面或窗口表面，光提取率可增加50-100%。5、2022/7/26分布布拉格反射镜也可以采用反射率比较好的银或铝等金属。另外，这些反射层也可以使用那些可以提供更多散热优点的材料，以提高其散热的能力