LED芯片制程简介

芯片制程简介LED厂工程部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220~250μm,蓝宝石基板为80μm),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,制作电极图案基座基座基座晶粒固晶焊線封裝基座(Diffusion)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:①非晶(amophous)②多晶(poly-crystalline)③单晶(singlecrystal).①非晶②多晶③单晶2.晶体结构①闪锌矿结构为立方晶系,如砷化镓(GaAs)②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)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Ǻ晶格共价半径Ǻ,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.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.晶格差配半导体材料1.半导体材料的分类;依构成的元素可分为:①元素半导体如:硅(Si)②化合物半导体化合物半导体又可分成:①四-四族化合物如:碳化硅(SiC)②三-五族化合物如:砷化镓(GaAs)③二-六族化合物如:硒化锌(ZnSe)④四-六族化合物如: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:①二元化合物半导体如:砷化镓(GaAs)②三元化合物半导体如:砷化铝镓(AlGaAs)③四元化合物半导体如:磷砷化铟镓(InGaAsP)周期IIIIIIVVVI2硼B碳C氮N氧O3镁Mg铝A1矽Si磷P硫S4锌Zn镓Ga锗Ge砷As硒Se5镉Cd铟IN锡Sn锑Sb碲Te6汞Hg铅Pb鈊Bi单晶成长①柴可拉斯基液封式长晶法(LEC)②布吉曼水平式长晶法(HB)③垂直梯度冷却式长晶法(VGF)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LECHBVGF三种长晶法的对比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。①材料供应系统②加热系统③真空系统④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MBELPEVPEMOCVDMBE真空(TORR)76076010ˉ2≤10ˉ9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GaPGaAsINGaPGap.GaN厚膜10μmAIGaInPINGaAsPGaNAIGaAsINGaAsAIGaSb制程倾斜冷却成长法①三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②氢化物气相磊晶法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6363524MOCVDDHAlGaAs红650816LPEDHAlGaInP琥珀5904010MOCVDDHInGaN兰色4701011MOCVDMQWInGaN绿色5203410MOCVDMQWInGaNUB37207.5MOCVDDHInGaN琥珀590143.5MOCVDMQWZnSO兰色512175.3MBEDHGaP:Zn.0红色65045LPESHGAP:N黄绿5651.80.3LPESHGaAsP:N黄59010.3VPESHSiC兰色4700.020.02CVDSH金属化制程①热阻式蒸镀用于取低溶点的金属,如铝(AL)、金(AU)、镍（NI）②电子枪蒸镀(右图)目前LED制程最普遍使用③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微影制程(光罩,蚀刻)㈠投影曝光法㈡光罩㈢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。㈠内部量子效率要优化条件，方可得到最大内部量子效率㈡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。发光效率目前常见之LED大约可归纳为4种①GaP/GaAsP系LED(Gap:红680nm、黄绿575nmGaAsP:黄光585nm、630橘光、650红光)②ALGaAs系LED(红660nm)③ALINGaP系LED(绿光560nm、琥珀光590nm、橘红光625nm)④GaN系LED(紫光400nm、蓝光470nm、绿光525nm)可见发光二极管GaP/GaAsP系LEDP-Gap:Zn,0N-GaP:TeN-GaP:S基板PN•GaP680nm红光(液相磊晶LPE磊晶)GaP570nm黄绿光(液相磊晶LPE磊晶)P-Gap:Zn.NN-GaP:S.NN-GaP：S基板PNn-GaAsPn-GaAspGaAsP组成想渐变层GaP基板PN•GaAsP系LED,以气相磊晶技术VPE磊晶①585nm黄光②630nm橘光③650nm红光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DDHn-ALGaAsp-AlGaAsp-GaAs基板NP(a)单异质结构SHn-AlGaAs局限层n-GaAspAlGaAs活性层p-AlGaAs局限层p-GaAs基板NP(b)双异质结构DHAlGaAs活性层n-GaAspn-AlGaAs局限层n-AlAs蚀刻层n-GaAs基板p-AlGaAs局限层AlGaAs活性层n-GaAspn-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-GaAspAlGaAs活性层p-AlGaAs局限层永久性基板NP(C)双行双异质结构DDH备注:晶片亮度DDHDHSHALInGaP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：Mgn-AlInGaP:SiAlGaAs/GaAsDBRGaAs基板AlInGaP/InGaPMQWP-AlInGaP:Mg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.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-GaNN-GaNTi/Al/Ti/Au焊接垫Ni/AuTCLInGaN/GaNMQWGaN成核层PN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白光发光LED①寿命长②由电较换为光的效率高、耗量少③体积小④兼具省电和环保概念白炽灯泡白光灯白光LED色温（K）2500~30003000~100003000~10000以UV为激发源回应时间＜120MS＜60MS＜0.001MS发光现象热发光气体发光冷发光寿命约1000HR约6000HR约10万HR耗用量1省电50%省电约90%缺点高耗电、命短、易碎易碎、汞污染价格高,技术未成熟耐振动及低中高白光LED未来研发动向发展方向目前未来发光效率提升60LM/W120LM/WGaN短波长发光源460nm380nm高外部能量转换效率10%40%高荧光材料能量转换60%90%成本降低LED品粒成本降低高操作功率技术If:20MAIf:350MA散热0.1mm²1mm²各种白光技术三优缺点比较产生方式优点缺点多晶型红、绿、兰三色LED高发光效率,光色可调须三种晶片,各晶片需有个别电路,衰减及寿命不同,成本高单晶型兰色LED配合黄色荧光粉单一晶片即可发白光,成本低,制作简单发光效率低,演色性差,不同输出电流使光色改变,容易有光色不均匀之月晕现象兰色LED配合红色及绿色荧光粉光谱为三波长分布,演色性较高,光色及色温可调光色随电流而改变可能有月晕现象,但较不明显UV-LED配合红、绿、兰三色荧光粉高演色性,光色及色温可调,使用高效率荧光粉提先发光效率,光色不均不随电流变化粉体混合数为因难，高效率粉体不易寻找①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。②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。③UV-LED配合红、绿、兰三色荧光粉，产生光显似日光灯，是未来主力。TheENDTKS!