制作LED外延片的主要方法课件.ppt

1、LED的發光原理與芯片製造的發光原理與芯片製造報告者：報告者：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：发光二极管发光二极管Light-Emitting Diode 是由数层很薄的掺杂半导体是由数层很薄的掺杂半导体材料制成。当通过正向电流时，材料制成。当通过正向电流时，n区电子获得能量越过区电子获得能量越过PN结的结的禁带与禁带与p区的空穴复合以光的形式释放出能量区的空穴复合以光的形式释放出能量。 发光效率发光效率 lm/w12.555发光二极管的发展发光二极管的发展LED的发展，芯片的发展可见光LED的发展史LED

2、的优点的优点發光二極體產業結構發光二極體產業結構相關廠商相關廠商SubstrateLPEVPEMOVPE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DiffusionPhotolithographyMetallizationDicing *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-MountWire-Bon

3、dEncapFinal Test下游封裝LED LampSMD LEDChip LEDIRLEDBack LightLight SourceCluster LampClock DisplayDot Matrix7-SegmentNumeric DisplayPhotocoupler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

4、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

5、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

6、发光，发射的是非相干光。 P-AIxGa1-xAsN-AIyGa1-yAsP- 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3.261.63eV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结的电性质一般一般短波長紅外光短波長紅外光 高亮度高亮度長波長紅外光長波長紅外光可見光可見光不可見光不可見光LED波長450780nm光波

7、長8501550nm850950nm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BlueGreenYell

8、owOrangeWhiteRedAmberW = White (GaN) (x=0.32/y=0.31)B = Blue (InGaN) 470nmV= Verde-Green (InGaN) 505nmT= True Green (InGaN) 525nmP = Pure Green (GaP) 560nmG = Green (GaP:N) 570nmY = Yellow (InGaAlP) 587nmO = Orange (InGaAlP) 605nmA = Amber (InGaAlP) 615nmS = Super-Red (InGaAlP) 630nmH = Hyper-Red (G

9、aAlAs) 645nms00,10,20,30,40,50,60,70,80,900,10,20,30,40,50,60,70,8bluegreenredyellowwhiteB = Blue (GaN) 466nmW = White (InGaN) (x=0.32/y=0.31)Colour triangle CIE色度图色度图芯片的结构与发光效率芯片的结构与发光效率芯片的内部结构芯片的内部结构：u采用量子阱活性层就可以增加发光效率 u用光子循环的方法增加内部量子效率u电流扩散层：降低串联电阻，使加于LED上的电流扩散开 u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

10、发光。u透明衬低或反射镜 ：分布式布拉格反射镜（DBR ）芯片的外部结构芯片的外部结构：u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。 u表面织状结构或粗糙面：增加光输出 u几何形状改变的结构：增加光输出 u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

11、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

12、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LEDLED不同结构不同的光取出不同结构不同的光取出日亚公司日亚公司1993年首创的年首创的蓝光蓝光 LED芯片结构芯片结构HB LED ChipP-type GaN LayerTransparent Contact layerTransparent SubstrateBuffer layerGaN layer(N-cladding)Li

13、ght Emitting LayersN-contactP-contactStructure of HB LEDSubstrate: GaAs, GaP, Sapphire, SiC, MetalActive Layer: QW or DH(AlGaInP or InGaN)DBR(AS only):AlAs/AlGaAs, AlGaInP/AlInPCladding: AlGaInP, AlInP, AlGaNWindow Layer: InxGaP, GaP, AlGaAs, ITO, TCLLED芯片的制造技术u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

14、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。 u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：制作制作LED外延片的主要方法外延片的主要方法：l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 。l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

15、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。 l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。 l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。l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

16、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

17、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：u输入参数为电量的各项指

18、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。u输出参数为光学的指标，也含光的强弱和波长等各项指标；u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。u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

19、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，加油，Go Go!