LED晶片(芯片)制程与教程.ppt

LED的晶片制程 张鹏志13751126416QQ 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220 250 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13751126416QQ 7161150 张鹏志13751126416QQ 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 unitcell 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 singlecrystal 非晶 多晶 单晶 张鹏志13751126416QQ 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13751126416QQ 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 EnergyGap或BandGap 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 磊晶层 基板 磊晶层 基板 a 晶格匹配 b 晶格差配 张鹏志13751126416QQ 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 张鹏志13751126416QQ 7161150 单晶成长 柴可拉斯基液封式长晶法 LEC 张鹏志13751126416QQ 7161150 布吉曼水平式长晶法 HB 张鹏志13751126416QQ 7161150 垂直梯度冷却式长晶法 VGF 张鹏志13751126416QQ 7161150 三种长晶法的对比 张鹏志13751126416QQ 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LPEb 气相磊晶法VPEc 有机金属化学气相沉渍法MOCVDd 分子束磊晶法MBE 张鹏志13751126416QQ 7161150 张鹏志13751126416QQ 7161150 张鹏志13751126416QQ 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13751126416QQ 7161150 微影制程 光罩 蚀刻 投影曝光法 光罩 光阻 正 负光阻法 张鹏志13751126416QQ 7161150 研磨制程 半导体基板或晶圆厚度为350 430UM 为方便切割及减少串联电阻 需磨到220 250UM 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 b 鑽石式切割法 张鹏志13751126416QQ 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 FRESNLLOSS 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13751126416QQ 7161150 目前常见之LED大约可归纳为4种 GaP GaAsP系LED Gap 红680nm 黄绿575nmGaAsP 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13751126416QQ 7161150 GaP GaAsP系LED GaP680nm红光 液相磊晶LPE磊晶 GaP570nm黄绿光 液相磊晶LPE磊晶 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13751126416QQ 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 a 单异质结构SH b 双异质结构DH C 双行双异质结构DDH 备注 晶片亮度DDH DH SH 张鹏志13751126416QQ 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 布拉格反射镜 DistributedBragReflector DBR 多重量子井 Multiple QuantumWell MQW 备注 改变活性层中 AlXIn1 X 0 5Ga0 5P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0 X 1 而且当X值 0 65时 就变成了间接半导体 张鹏志13751126416QQ 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 AuTCL InGaN GaNMQW GaN成核层 P N 备注 改变活性层InXGa1 XN的值 就可以改变LED的发光波长 X值越大 发光波长越大 0 X 1 张鹏志13751126416QQ 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 张鹏志13751126416QQ 7161150 白光LED未来研发动向 张鹏志13751126416QQ 7161150 各种白光技术三优缺点比较 兰色LED配合黄色荧光粉 钇铝石榴石结构 目前一般使用此方法 兰色LED配合红 绿色荧光粉 主要以含硫在荧光粉 OSRAM Luminleds专利 沿未商品化 UV LED配合红 绿 兰三色荧光粉 产生光显似日光灯 是未来主力 张鹏志13751126416QQ 7161150 TheENDTKS