LED晶片芯片制程与教程

,*,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,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,LED,的晶片制程,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,LED,的主要制程可以分为三个阶段,:,前段、中段、后段（也称：,上游、中游、下游,。专业术语为：材料生长、芯片制作、器件封装）,原料开始,多晶半导体,单晶成长,晶圆,(,基板,),磊晶生长,晶片制作,晶粒制作,封装,上游,中游,下游,Ga/As,原料合成,蒸馏还原，形成,GaAs,多晶,以各种长晶法,(,如柴氏长晶法,),成长,GaAs,单晶棒,(ingot),固晶、焊线、封胶、分光、,TYPING,等,将单晶棒锯切成片状晶圆,并加以抛光处理,将磊晶晶圆减薄到期望厚度,(,一般基板减至,220250,m,蓝宝石基板为,80,m),并切成晶粒,.,以各种磊晶技术,(,如,MOCVD),将,LED,结构成长在晶圆上,利用金属化制程,蚀刻制程和微影制程,制作电极图案,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,基座,基座,基座,晶粒,固晶,焊線,封裝,基座,(Diffusion),张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,半导体的特性,1.,晶格,(lattice),原子在晶体中周期性的排列称为,晶格,而晶格所含之排列周期性的的空间称为,单胞,(unit cell),也叫晶胞,.,晶格决定了晶体的材料性质,也决定光电特性,.,固体材料依其结晶性,可分为三种,:,非晶,(amophous),多晶,(poly-crystalline),单晶,(single crystal).,非晶,多晶,单晶,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,2.,晶体结构,闪锌矿结构为立方晶系,如砷化镓,(GaAs),纤维锌矿结构为立方晶系,有二个晶格常数,(a,b),如氮化镓,(GaN),张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,4.,光电导体的二个重要参数,a.,能隙,eV,能隙,导电能力,b.,晶格常数,晶格共价半径,导电能力,3.,能隙,(Energy Gap,或,Band Gap),导电带与价电带之间的差量,称为,能隙,.,5.,晶格匹配,a.,光电导体,由二层以上半导体材料堆叠在半导体基板而形成,堆叠在基板上的半导体材料为,磊晶层,.,b.,磊晶层与基板晶格常数相同或接近称谓为晶格匹配,反之为,晶格差配,.,价电带,Eg 1-3eV,导电带,磊晶层,基板,磊晶层,基板,a.,晶格匹配,b.,晶格差配,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,半导体材料,1.,半导体材料的分类,;,依构成的元素可分为,:,元素半导体 如,:,硅,(Si),化合物半导体,化合物半导体又可分成,:,四,-,四族化合物 如,:,碳化硅,(SiC),三,-,五族化合物 如,:,砷化镓,(GaAs),二,-,六族化合物 如,:,硒化锌,(ZnSe),四,-,六族化合物 如,:,硫化铅,(PbS),若依构成元素的数量分,化合物半导体也可分成为,:,二元化合物半导体 如,:,砷化镓,(GaAs),三元化合物半导体 如,:,砷化铝镓,(AlGaAs),四元化合物半导体 如,:,磷砷化铟镓,(InGaAsP),周期,II,III,IV,V,VI,2,硼,B,碳,C,氮,N,氧,O,3,镁,Mg,铝,A1,矽,Si,磷,P,硫,S,4,锌,Zn,镓,Ga,锗,Ge,砷,As,硒,Se,5,镉,Cd,铟,IN,锡,Sn,锑,Sb,碲,Te,6,汞,Hg,铅,Pb,鈊,Bi,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,单晶成长,柴可拉斯基液封式长晶法,(LEC),张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,布吉曼水平式长晶法,(HB),张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,垂直梯度冷却式长晶法,(VGF),张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,好,差,好,尺寸可增加性,劣,差,好,均匀性,高,中等,低,应用,高,少,非常少,晶片缺陷,LEC,HB,VGF,三种长晶法的对比,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,磊晶,磊晶,在半导体的应用,指在某一晶格上成长另一完整排列的晶格,其系统主要包含,4,部份。,材料供应系统,加热系统,真空系统,气体供应系统和成长反应腔,目前常见的磊晶技术：,a:,液相磊晶法,LPE,b:,气相磊晶法,VPE,c:,有机金属化学气相沉渍法,MOCVD,d:,分子束磊晶法,MBE,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,LPE,VPE,MOCVD,MBE,真空,(TORR),760,760,102,109,成长,低,贵,昂贵,昂贵,成长速率,快,快,慢,很慢,磊晶品质,很好,好,很好,很好,表面形成,佳,佳,佳,佳,实用性,差,差,佳,佳,生产品,GaP,GaAs,INGaP,Gap.GaN,厚膜,10m,AIGaInPINGaAsP,GaN,AIGaAs,INGaAs,AIGaSb,制程,倾斜冷却成长法,三氯化物气相磊晶法,热分解反应磊晶技术,超高真空下,以蒸馏用分子束形式磊晶,氢化物气相磊晶法,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,材料,颜色,波长,发光效率,1M/W,量子效率,%,磊晶法,元件形成,备注,AlGaInP,红,636,35,24,MOCVD,DH,AlGaAs,红,650,8,16,LPE,DH,AlGaInP,琥珀,590,40,10,MOCVD,DH,InGaN,兰色,470,10,11,MOCVD,MQW,InGaN,绿色,520,34,10,MOCVD,MQW,InGaN,UB,372,0,7.5,MOCVD,DH,InGaN,琥珀,590,14,3.5,MOCVD,MQW,ZnSO,兰色,512,17,5.3,MBE,DH,GaP:Zn.0,红色,650,4,5,LPE,SH,GAP:N,黄绿,565,1.8,0.3,LPE,SH,GaAsP:N,黄,590,1,0.3,VPE,SH,SiC,兰色,470,0.02,0.02,CVD,SH,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,金属化制程,热阻式蒸镀,用于取低溶点的金属,如铝,(AL),、金,(AU),、镍（,NI,）,电子枪蒸镀,(,右图,),目前,LED,制程最普遍使用,电浆溅镀,(PLasma),广泛应用于半导体制程,晶片电极制作,电子束产生器,金属蒸气,金属,晶圆,电子束,坩锅,大电流,抽真空,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,微影制程,(,光罩,蚀刻,),投影曝光法,光罩,光阻,(,正,负光阻法,),基板,光源,(,汞弧光灯,),光阻,镀着在玻璃上的金属膜图案,光罩,基板,基板,负光阻法,正光阻法,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,研磨制程,半导体基板或晶圆厚度为,350430UM,，为方便切割及减少串联电阻，,需磨到,220250UM,（一般）或,85UM,（艺宝石），有二种方式,1.,研磨法,2.,切割法,切割制程,a.,轮刀式切割法,电极,冷却水,轮刀,电极,钻石上视图,b.,鑽石式切割法,电极,c.,雷射式切割法,雷射光束,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,影响,LED,发光效率因素很多，其中包括材料品质、元件结构和制程等，其定义为量子效率。,内部量子效率,要优化条件，方可得到最大内部量子效率,外部量子效率,影响外部量子效率的因素有三种；,a,：费莱斯涅乐损失（,FRESNL LOSS,）,LED,所发身的光子必需由半导体进入空气，因此光子必须传输穿越二者,之间的界面，其中一部分光会透射进入空气，一部份光被反射回半导体。,b,：临界角损失,考虑光子傾斜入射界面情形，即折射。,c,：内部吸收,当,LED,内部电子和电洞复合而放射光子，待一部分进入空气，一部分被半导体材,料吸收。,发光效率,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,目前常见之,LED,大约可归纳为,4,种,GaP/GaAsP,系,LED,(Gap:,红,680nm,、黄绿,575nm,GaAsP:,黄光,585nm,、,630,橘光、,650,红光,),ALGaAs,系,LED,(,红,660nm),ALINGaP,系,LED,(,绿光,560nm,、琥珀光,590nm,、橘红光,625nm),GaN,系,LED,(,紫光,400nm,、蓝光,470nm,、绿光,525nm),可见发光二极管,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,GaP/GaAsP,系,LED,P-Gap:Zn,0,N-GaP:Te,N-GaP,:S,基板,P,N,GaP 680nm,红光,(,液相磊晶,LPE,磊晶,),GaP 570nm,黄绿光,(,液相磊晶,LPE,磊晶,),P-Gap:Zn.N,N-GaP:S.N,N-GaP,：,S,基板,P,N,n-GaAsP,n-GaAsp,GaAs P,组成想渐变层,GaP,基板,P,N,GaAsP,系,LED,以气相磊晶技术,VPE,磊晶,585nm,黄光,630nm,橘光,650nm,红光,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,AlGaAs,系,LED,按结构分为,(a),单异质结构,SH,、,(b),双异质结构,DH,和,(c),双行双异质结构,DDH,n-ALGaAs,p-AlGaAs,p-GaAs,基板,N,P,(a),单异质结构,SH,n-AlGaAs,局限层,n-GaAsp,AlGaAs,活性层,p-AlGaAs,局限层,p-GaAs,基板,N,P,(b),双异质结构,DH,AlGaAs,活性层,n-GaAsp,n-AlGaAs,局限层,n-AlAs,蚀刻层,n-GaAs,基板,p-AlGaAs,局限层,AlGaAs,活性层,n-GaAsp,n-AlGaAs,局限层,n-AlAs,蚀刻层,n-GaAs,基板,p-AlGaAs,局限层,HF,溶液,n-AlGaAs,局限层,n-GaAsp,AlGaAs,活性层,p-AlGaAs,局限层,永久性基板,N,P,(C),双行双异质结构,DDH,备注,:,晶片亮度,DDHDHSH,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,ALInGaP,系,LED,此系列包括,560nm,绿光,590nm,琥珀光,625nm,橘红光,以,MOCVD,磊晶技术成长,P-GaP,：,Mg,n-AlInGaP:Si,AlGaAs/GaAs DBR,GaAs,基板,AlInGaP/InGaP,MQW,P-AlInGaP:Mg,布拉格反射镜,(Distributed Brag Reflector,DBR),多重量子井,(Multiple-Quantum Well,MQW),备注,:,改变活性层中,(Al,X,In,1-X,),0.5,Ga,0.5,P,的,X,值,就可以改变,LED,的发光波长,当,X,值愈大时发光波长愈短,其中,0X 1,而且当,X,值,0.65,时,就变成了间接半导体,.,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,GaN,系,LED,包括,400nm,紫光,470nm,兰光，,525nm,绿光，以,MOCVD,磊晶技术成长。,蓝宝石基板,P-GaN,N-GaN,Ti/Al/Ti/Au,焊接垫,Ni/Au TCL,InGaN/GaN MQW,GaN,成核层,P,N,备注,:,改变活性层,In,X,Ga,1-X,N,的值,就可以改变,LED,的发光波长,X,值越大,发光波长越大,0X 1,张鹏志,13751126416,QQ,：,7161150,白光发光,LED,寿命长,由电较换为光的效率高、耗量少,体积小,兼具省电和环保概念,白炽