LED发光原理与芯片制造

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,LED,的發光原理與芯片製造,Name:,Merlin,转,Department:,TD/PTD/BICMOS1,Date:,01/12/2010,Key Word,:,LED; PN Junction,LED,的发展，特别是芯片的发展,LED,芯片的结构与发光原理,LED,芯片的制造过程,LED,的封装与应用,未来的展望,报告的主要内容：,发光二极管,L,ight-,E,mitting,D,iode,是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，,n,区电子获得能量越过,PN,结的禁带与,p,区的空穴复合以光的形式释放出能量,。,发光效率,lm/w,12.5,55,发光二极管的发展,年代,发光颜色,材料,发光效率,lm/w,1965,红,Ge,0.1,1968,橙、黄,GaAsP,1,1971,绿,GaP,1,80,年代,红,AlGaAs,10,90,年代,初,红、黄,GaAlInP,100,90,年代,蓝、绿,GaInN,50,90,年代,蓝,GaN,200,LED,的发展，芯片的发展,可见光,LED,的发展史,发光效率高，节省能源,耗电量为同等亮度白炽灯的,10%-20%,，荧光灯的,1/2,。,绿色环保,冷光源，不易破碎，没有电磁干扰，产生废物少,寿命长,寿命可达,10,万小时,固体光源、体积小、重量轻、方向性好,单个单元尺寸只有,35mm,响应速度快，并可以耐各种恶劣条件,低电压、小电流,LED,的优点,發光二極體產業結構,相關廠商,Substrate,LPE,VPE,MOVPE,單晶材料,-GaAs, GaP,磊晶片,-GaAs, AlGaAs,GaAsP, AlGaInP,製造設備,-LPE, VPE,MOVPE,日本,: Nichia, Toyota Gosei,（丰田合成）,美国,: Lumileds, Cree,欧洲,: Osram,台湾,:,晶元,元砷,廣鎵,華上,大陆,:,三安,聯創,路明,.,上游材料,Diffusion,Photolithography,Metallization,Dicing,*發光二極體晶粒,*光二極體晶粒,*光電晶體晶粒,中游製程,晶 粒,Die-Mount,Wire-Bond,Encap,Final Test,下游封裝,LED Lamp,SMD LED,Chip LED,IRLED,Back Light,Light Source,Cluster Lamp,Clock Display,Dot Matrix,7-Segment,Numeric Display,Photocoupler,產 品,光寶 億光 興華 今台 佰鴻,先益 光鼎 李洲 立基 琭旦,华郎 伊莱 三永,茂纶,日本,: Nichia, Toyota Gosei,美国,: Lumileds, Cree,欧洲,: Osram,台湾,:,晶元,光磊,元砷,廣鎵,華上,燦圓,大陆,:,三安,聯創,路明,.,能源问题已成为当今人类社会的热门话题，节约能源与环保问,题日趋提上议程。节能应成为各国的城市照明建设需要考虑的重,要问题之一，目前约有,21%,的电源用于照明，如果能在固体照明,领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。,20,世纪中叶出现在市场上的第一批,LED,产品，经过,50,多年的发,展历程，在技术上已经取得了长足的进步。现在，,LED,的平均发,光效率已达到了,70lm/W,（流明,/,瓦特），其光强已达到了烛光级，,辐射光的颜色形成了包含白光的多元化色彩，并且寿命可达到数,万小时。特别是在最近几年，,LED,的产品质量提高了近,10,倍，而,制造成本已下降到早期的十分之一。这种趋势还在进一步的发展,之中，从而使,LED,成为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产,品。世界各个,国家均积极参与研发工作。,光子与电子基本上具有三种交互方式：吸收，自发放射及激发放射。,原子的两能级,E1,和,E2,，,E1,代表基态，,E2,代表第一激发态。,在,E1,基态的原子吸收光子后跃迁至激发态,E2,，此能态的改变为吸收；,激发态原子非常不稳定，经过很短的时间，不需任何外力下会跳回基态而释放,出光子，此程序为自发放射；,当光子照射在激发态原子上，该原子被激发跃回基态而放出与照射原子同相释,放光子，此程序称为激发放射。,LED,芯片的发光原理,LED,在内部结构上有和半导体二极管相似的,P,区和,N,区，相交界面形成,PN,结。,LED,的电流大小是由加在二极管两端的电压大小来控制的。,LED,是利用正向偏置,PN,结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，,发射的是非相干光。,P-AI,x,Ga,1-x,As,N-AI,y,Ga,1-y,As,P- GaAs,光输出,双异质结半导体发光二极管的结构示意图,反型异质结,同型异质结,理论和实践证明，光的峰值波长,与发光区域的半导体材料禁带宽 度,g,有关，,即,1240/Eg,（,mm,）,式中,Eg,的单位为电子伏特（,eV,）。若能产生可见光（波长在,380nm,紫光,780nm,红光），半导体材料的,Eg,应在,3.26,1.63eV,之间。比红光波长长的光为红外光。,现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管。,LED PN,结的电性质,一般,短波長紅外光,高亮度,長波長紅外光,可見光,不可見光,LED,波長,450780nm,光波長,8501550nm,850950nm,发光材料,由图可知，这些材料的发光范围由红光到紫外线。,照明领域使用的,LED,有两大类，一类是磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金（,AlGaInP,或,AlInGaP,），可以做成红色、橙色和黄色的,LED,；另一类是氮化铟和氮化镓的合金,（,InGaN,）,可以做成绿色、蓝色和白色的,LED,。,发光材料大部分是,-,族。,-,族及,-,族元素的带隙与晶格常数的关系,图（,a,）是直接带隙材料，包括,GaN-InN-AlN,、,GaAs,、,InP,、,InAs,及,GaAs,等,图（,b,）是间接带隙材料，包括,Si,、,Ge,、,AlAs,及,AlSb,等,目前发光二极管用的都是直接带隙的材料。,(a),直接带隙,(b),间接带隙,Blue,Green,Yellow,Orange,White,Red,Amber,W = White (GaN) (x=0.32/y=0.31),B = Blue (InGaN) 470nm,V= Verde-Green (InGaN) 505nm,T= True Green (InGaN) 525nm,P = Pure Green (GaP) 560nm,G = Green (GaP:N) 570nm,Y = Yellow (InGaAlP) 587nm,O = Orange (InGaAlP) 605nm,A = Amber (InGaAlP) 615nm,S = Super-Red (InGaAlP) 630nm,H = Hyper-Red (GaAlAs) 645nm,s,0,0,1,0,2,0,3,0,4,0,5,0,6,0,7,0,8,0,9,0,0,1,0,2,0,3,0,4,0,5,0,6,0,7,0,8,blue,green,red,yellow,white,B = Blue (GaN) 466nm,W = White (InGaN) (x=0.32/y=0.31),Colour triangle,CIE,色度图,芯片的结构与发光效率,芯片的内部结构,：,采用量子阱活性层就可以增加发光效率,用光子循环的方法增加内部量子效率,电流扩散层：,降低串联电阻，使加于,LED,上的电流扩散开,电流局限层 ：,使电流流不到在电接触区下的量子阱区，防止只在电极附近发光。,透明衬低或反射镜 ：,分布式布拉格反射镜（,DBR,）,芯片的外部结构,：,半圆形球面 ：,一般的平面,LED,光因临界角被限制不易射出，所以采用半圆形球,面，使光不受临界角的限制射出。,表面织状结构或粗糙面：,增加光输出,几何形状改变的结构：,增加光输出,衬低上有高反射镜 ：,全方向高反射率反光镜,LED,（,ODR: Omnidirectional,Reflector,）。在同一窗口层厚度时，,ODR LED,的光取出效率比,DBR LED,要高很,多。,MQW LED,结构图,当,LED,的发光区厚度,d,小于电子或者空穴之物质波长,l,时，能带开,始不再是连续，而形成量化的能级，可提高电子和空穴结合机会，,提高量子效率。而且能级量化，能隙变大，发光波长往短波长移,动，发光时接近间接能隙而降低量子效率的困扰。,台湾工研院光电所用,ITO,层制作的微电流散布层,厚的窗口层可以增加电流的均匀分布，但厚的窗口层不易制作而且价格,昂贵。增加一层电流扩散层，可降低串联电阻，使加于,LED,上的电流扩散开，,提高发光效率。以前很多采用,Ni /Au,层的，现在主要使用,ITO,层。,东芝公司用,N,局限层在,P,电接触区减少不发光区电流的分布以增加效率,一般电流局限层（,CBL,）都是间接做在,P,极下，,CBL,层很多用,SiO2,做成，其目的是使电流流不到在电接触区下的量子阱区，防,止只在电极附近发光。,半圆形球面封装,LED,多方向高反射率反射镜,LED,结构,多方向高反射率反射镜的结构,全方向高反射率反光镜,LED,（,ODR: Omnidirectional Reflector,）。,同一窗口层厚度时，,ODR LED,的光,取出效率比,DBR LED,要高很多。,在金属与半导体之间有,SiO2,加上,许多小杆壮电接触，全部约占,1%,截顶金字塔结构,LED,LED,不同结构不同的光取出,日亚公司,1993,年首创的,蓝光,LED,芯片结构,HB LED Chip,Structure of HB LED,Substrate: GaAs, GaP, Sapphire, SiC, Metal,Active Layer: QW or DH(AlGaInP or InGaN),DBR(AS only):AlAs/AlGaAs, AlGaInP/AlInP,Cladding: AlGaInP, AlInP, AlGaN,Window Layer: In,x,GaP, GaP, AlGaAs, ITO, TCL,LED,芯片的制造技术,首先在衬低上制作各種相關基底的外延片，这个过程主要是在金属有机,化学气相沉积外延炉中完成的。准备好制作基底外延片所需的材料源和各种,高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。,接下来是对,LED PN,结的两个电极进行加工，电极加工也是制作,LED,芯片的,关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对,LED,毛片,进行划片、测试和分选，就可以得到所需的,LED,芯片。,LED,制作流程分为两大部分：,制作,LED,外延片的主要方法,：,气相外延（,VPE,）：材料在气相状况下沉积在单晶基片上，这种生长单晶薄,膜的方法叫气相外延法，气相外延有开管和闭管两种方式 。,液相外延（,LPE,）：将用于外延的材料溶解在溶液中，使达到饱和，然后将,单晶基片浸泡在这溶液中，再使溶液达到过饱和，这就导致材料不断地在基片,上析出结晶。控制结晶层的厚度得到新的单晶薄膜。,分子束外延（,MBE,）：在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热,而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的,单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层,层地“长”在基片上形成薄膜。,等离子体增强化学气相淀积,(,PECVD,),：是利用高频在两平板电极之间激发气,体放电形成等离子体，高化学活性的反应物可使成膜反应在较低温度下进行。,金属有机化合物气相外延（,MOCVD,）：在气相外延生长（,VPE,）的基础上发,展起来的一种新型汽相外延生长技术。它采用,族、,族元素的有机化合物,和,族元素的氢化物等作为晶体生长原料，以热分解反应方式在衬底上进行,汽相外延，生长各种,-,族、,-,族化合物半导体以及它们的多元固溶体的,薄膜层单晶材料。,常用的衬底主要有蓝宝石、,碳化硅和硅衬底，还有,GaAs,、,AlN,、,ZnO,等材料。,MOCVD,通过控制温度、,压力、反应物浓度、,族,的有机金属和,族比例，,从而控制镀膜成分、晶相,等品质。,MOCVD,外延炉,是制作,LED,外延片最常用,的设备。,利用熔合设备将蚀刻好的晶片,放入该项设备，一段时间，使,蒸镀金属层之间或蒸镀金属与,磊晶片表层原子相互熔合，目,的形成,ohmic.contact.,利用化学药水，通常是酸性药,水，将发光区裸露的金属层蚀,刻掉。,依晶片的晶粒晶格大小图案，,作第一次切割，目的是为方,便往后的晶粒点测。,如果晶片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，会导致,蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观变色，金泡等异常。蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定晶片，因此会产生夹痕。黄光作业中若显影不完全及光罩有破洞会在发光区产生残金残铝。化学作用中,牵涉到浓度、时间、数量及反应速率等参数，因此对晶粒电极外观会有一致性的问题产生。例如有些电极脚会变细或消失。,晶片在制程中，必须使用镊子及花篮、载具等，因此会有晶粒电极刮伤情形发生。经过测试后还进行二刀切割，,可能会造成背面崩裂。,LED,的测量参数：,评价,LED,要涉及到很多技术指标（参数），,其主要的技术指标包括：,输入参数为电量的各项指标，即电学指标；,主要有：正向电压,VF,，正向电流,VI,，反向漏电流,IR,，工作时的耗,散功率,PD,。在高频电路中，还要考虑：结电容,Cj,和响应时间。,输出参数为光学的指标，也含光的强弱和波长等各项指标；,代表输入与输出之间电,光转换效率的指标；主要有：光功率效,率,，流明效率。,与,LED,器件性能有关的热学指标。主要有：热阻,Rth,储存环境温,度与工作温度。,还有其他的如：防静电指标，失效率和寿命等。,LED,的封装与应用,芯片制成以后，除了要对,LED,芯片的两个电极进行焊接，从而引出正负电,极外，同时还要对,LED,芯片和两个电极进行保护，这就要求封装工艺。,对,LED,的封装要实现输入电信号、保护芯片正常工作、保证可见光的输出，,其中既有电参数又有光参数的设计及技术要求。,常见的封装方式，包括引脚式封装、平面式封装。比较有名的有：,表面贴片二极管（,SMD,）和食人鱼封装技术。对大功率,LED,芯片封装，要求更,复杂。,在各种新兴的应用领域不断涌现的带动下，近些年,LED,市场规模得到了快,速提升。,LED,的应用领域已经从最初简单的电器指示灯、,LED,显示屏，发展到,LED,背光源、景观照明、室内装饰灯、汽车照明等其他领域。由于,LED,具有寿,命长、无污染、功耗低的特点，未来,LED,还将逐步取代荧光灯、白炽灯，成为,下一代绿色照明光源。,未来展望,随着市场需求的增多，,LED,芯片产业升级步伐逐渐加快，,LED,芯,片产品整体走向高端。另一方面，随着,LED,封装产业的快速发展，,也为,LED,芯片提供了广阔的市场需求。不断扩展的市场需求为,LED,产业的发展提供了良好的环境。 现在各国都对,LED,产业的发展也给,予了大力支持。随着相关技术的发展，,LED,芯片的制造技术也越来,越重要。,有专家预称，在,2010,年以后,LED,将代替现有的照明灯泡，,LED,照,明的取代又称做“爱迪生时代的结束”，,LED,將是,21,世紀的明星产业。,我们大家一起努力。,加油，,Go Go!,Thank You,