2-LED芯片

12019年8月16日LED芯片及其制备22019年8月16日四、LED芯片的制备及应用主要内容一、半导体材料二、LED芯片组成与分类三、LED芯片用衬底材料32019年8月16日一、半导体材料半导体材料（semiconductormaterial）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。20世纪初元素半导体硅（Si）锗（Ge）20世纪50年代化合物半导体砷化镓（GaAs）铟磷（InP）20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）氧化锌（ZnO）42019年8月16日不是所有的半导体材料都能发光，半导体材料分为直接带隙材料和间接带隙材料，只有直接带隙材料才能发光。直接带隙材料电子可在导带带底垂直跃迁到价带带顶，它在导带和价带中具有相同的动量，发光率高。用于发光的直接带隙材料有GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP等。52019年8月16日间接带隙材料电子不能在导带带底垂直跃迁到价带带顶，它在导带和价带中的动量不相等，这种间接带隙材料很难发光，即便能发光，效率也很低。因此必须有另一粒子参与后使动量相等，这个粒子的能量为Ep，动量为kp。GaP62019年8月16日LED芯片又称LED芯片，英文叫做CHIP，它是制作LED器件的主要材料，由磷化鎵（GaP），鎵铝砷（GaAlAs），或砷化鎵（GaAs），氮化鎵（GaN）等材质组成，其内部结构为一个PN结，具有单向导电性。二、LED芯片组成与分类72019年8月16日82019年8月16日芯片按发光亮度分类可分为：☆一般亮度：R(红色GAaAsP655nm)、H(高红GaP697nm)、G(绿色GaP565nm)、Y(黄色GaAsP/GaP585nm)、E(桔色GaAsP/GaP635nm)等；☆高亮度：VG(较亮绿色GaP565nm)、VY(较亮黄色GaAsP/GaP585nm)、SR(较亮红色GaA/AS660nm)；☆超高亮度：UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE等。AS芯片﹕Absorbablestructure(吸收衬底）芯片92019年8月16日各单色纯芯片发光的LED102019年8月16日芯片按组成元素可分为：☆二元晶片(磷﹑镓)：H﹑G等；☆三元晶片(磷﹑镓﹑砷)：SR(较亮红色GaA/AS660nm)、HR(超亮红色GaAlAs660nm)、UR(最亮红色GaAlAs660nm)等；☆四元晶片(磷﹑铝﹑镓﹑铟)：SRF(较亮红色AlGalnP)、HRF(超亮红色AlGalnP)、URF(最亮红色AlGalnP630nm)、VY(较亮黄色GaAsP/GaP585nm)、HY(超亮黄色AlGalnP595nm)、UY(最亮黄色AlGalnP595nm)、UYS(最亮黄色AlGalnP587nm)、UE(最亮桔色AlGalnP620nm)、HE(超亮桔色AlGalnP620nm)、UG(最亮绿色AIGalnP574nm)LED等。112019年8月16日借此可以控制LED所发出的光的波长，也就是光谱或颜色。目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。LED工作电压低(仅1.5~3V)，能主动发光且有一定亮度，亮度又能用电压(或电流)调节。LED的发光颜色、发光效率与制作LED的材料和制程有关122019年8月16日132019年8月16日1.LPE：液相磊晶法GaP/GaP；2.VPE：气相磊晶法GaAsP/GaAs；3.MOVPE：有机金属气相磊晶法)AlGaInP、GaN；芯片按磊晶种类：142019年8月16日三、LED芯片用衬底材料152019年8月16日优点：生产技术成熟，器件质量较好，稳定性很好；机械强度高，易于处理和清洗。存在的问题：晶格失配和热应力失配，会在外延层中产生大量缺陷；蓝塞石是一种绝缘体，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少；增加了工艺过程，制作成本高。①蓝宝石衬底162019年8月16日电流可以纵向流动（V接触），因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。②硅衬底目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触(Laterial-contact，水平接触)和V接触(Vertical-contact，垂直接触)。172019年8月16日V型电极芯片结构通常为单电极结构；L型电极的芯片结构通常为双电极结构。182019年8月16日碳化硅衬底(CREE公司专门采用SiC材料作为衬底)的LED芯片，电极是V型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。碳化硅的热导率为490W/(m·K)，要比蓝宝石衬底高出10倍以上。③碳化硅衬底192019年8月16日衬底与外延膜的结构匹配衬底与外延膜的热膨胀系数匹配衬底与外延膜的化学稳定性匹配材料制备的难易程度及成本的高低202019年8月16日半导体单晶生长及衬底片加工清洗(Cleaning)拋光(Polishing)檢查(Inspection)晶棒成長切片(Slicing)研磨(Lapping)212019年8月16日原料—长晶—定向—掏棒—滚磨—晶棒—定向—切片—研磨—倒角—抛光—清洗—基片222019年8月16日232019年8月16日242019年8月16日252019年8月16日通过对高纯原料熔融、化合物单晶生长、切割、磨片、抛光、真空包装等工艺，制成外延生长用衬底片。包括单晶生长炉、抛光机、变频行星式球磨机、晶体切割机等高纯原料化合物单晶外延用衬底片262019年8月16日基本工艺流程光刻刻蚀蒸发溅射退火处理解理LED外延与芯片制作MOCVD材料外延生长镀介质膜镀膜解理/划片真空包装272019年8月16日四、LED芯片的制备及应用蓝宝石缓冲层N-GaNp-GaNMQW在半导体基片上形成一个与基片结晶轴同晶向的半导体薄层，称为半导体外延生长技术，所形成的薄层称为外延层282019年8月16日P、N极的分离表现为元素掺杂度的不同292019年8月16日•依制程的不同，可分为LPE(液相磊晶)、MOCVD(有机金属气相磊晶)及MBE(分子束磊晶)。•LPE的技术较低，主要用于一般的发光二极管•MBE的技术层次较高，容易成长极薄的磊晶，且纯度高，平整性好，但量产能力低，磊晶成长速度慢。•MOCVD除了纯度高，平整性好外，量产能力及磊晶成长速度亦较MBE为快，所以现在大都以MOCVD来生产。302019年8月16日MOCVD其过程首先是将GaN衬底放入昂贵的有机化学气相沉积炉（简MOCVD，又称外延炉），再通入III、II族金属元素的烷基化合物（甲基或乙基化物）蒸气与非金属(V或VI族元素）的氢化物（或烷基物）气体。在高温下，发生热解反应，生成III-V或II-VI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。312019年8月16日322019年8月16日双气流MOCVD生长GaN装置332019年8月16日MOCVD英国ThomasSwan公司制造，具有世界先进水平的商用金属有机源汽相外延(MOCVD)材料生长系统，可用于制备以GaN为代表的第三代半导体材料342019年8月16日外延片352019年8月16日为什么有个缺口呢？倒角：晶片经过切割后边缘表面有稜角毛刺崩边甚至有裂缝或其它缺陷，边缘表面比较粗糙。为了增加切片边缘表面机械强度、减少颗粒污染，就要将其边缘磨削呈圆弧状或梯形。362019年8月16日372019年8月16日光刻ITO剥离、合金光刻胶ITOP-GaN金电极衬底缓冲层N-GaNMQW光刻电极蒸镀电极ICP刻蚀382019年8月16日外延片ITO光刻ITO甩胶前烘曝光显影坚膜腐蚀ITO氧化铟锡是IndiumTinOxides的缩写。作为纳米铟锡金属氧化物，具有很好的导电性和透明性，可以切断对人体有害的电子辐射，紫外线及远红外线。因此，喷涂在玻璃，塑料及电子显示屏上后，在增强导电性和透明性的同时切断对人体有害的电子辐射及紫外线、红外线。392019年8月16日掩膜板光刻ITO甩胶：将少许光刻胶滴在外延片上，用匀胶台在高速旋转后形成均匀的胶膜。前烘：使光刻胶的溶剂挥发，用于改善光刻胶与样品表面的粘附性。曝光：用紫外光通过光刻板曝光，曝光的区域发生化学变化。402019年8月16日曝光原理图412019年8月16日手动曝光机422019年8月16日显影后的图形腐蚀：用36%-38%的盐酸腐蚀ITO显影：用显影液除去应去掉部分的光刻胶，已获得腐蚀时由胶膜保护的图形。后烘：使光刻胶更坚固，避免被保护的地方发生腐蚀432019年8月16日掩膜板光刻电极442019年8月16日显影后的图形蒸发剥离合金减薄减薄：减小衬底厚度，利于切割、散热激光划片452019年8月16日蒸发原理图462019年8月16日贴膜白膜：宽度为16cm,粘性随温度的升高增加;472019年8月16日划片激光打在蓝宝石衬底上，所用激光为紫外光，波长为355nm。482019年8月16日为了更好的把圆片裂开，需要让激光打在管芯轨道的中央位置，调节激光的焦距，使激光聚焦在片子上表面，激光的划痕深度尽量在25-30um。492019年8月16日倒膜蓝膜：宽度22cm倒膜时衬底朝上，有电极的一面朝下。从分选机上卸下来的蓝膜比较小，不便于包装、运输。必须把芯片放在比较大的、美观的东西上面。倒膜要倒两次，因为芯片工作是在正面，所以正面不应该接触附着物，否则会影响光电特性。502019年8月16日裂片设备裂片裂片前我们在片子上贴一层玻璃纸，防止裂片时刀对管芯的破坏。512019年8月16日扩膜由于LED芯片在划片后依然排列紧密，间距很小（约0.1mm），不利于后工序的操作。采用扩膜机对芯片的膜进行扩张，使LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。522019年8月16日测试分拣测试分拣VF（正向电压）IR（反向漏电流）WLD（波长）LOP（光输出）532019年8月16日