LED芯片制造的工艺流程

1.2LED芯片制造的工艺流程LED芯片制造的工艺流程属LED上游产业靠设备引言lLED是二极管，是半导体。l本节讨论的LED的制造=LED的芯片制造。lLED的制造工艺和其它半导体器件的制造工艺有很多相同之处。l除个别设备外，多数半导体设备经过改进可以用于LED的制造。引言LED芯片制造工艺分三大部分l外延片——按1.1节的LED芯片的结构：选衬底，MOCVD在衬底上制作外延层（也叫镀膜），n区，发光区，p区，透明导电层。l电极——对LED外延片做电极（P极，N极）。l芯片——用激光机切割LED外延片成。内容l一、LED芯片制造设备l二、LED芯片衬底材料的选用l三、LED外延片的制作l四、LED对外延片的技术要求l五、LED芯片电极P极和N极的制作l六、LED外延片的切割成芯片1、LED芯片制造用设备l外延片的制备：lMOCVD：是制作LED芯片的最重要技术。lMOCVD外延炉：是制造LED最重要的设备。一台外延炉要100多万美元，投资最大的环节。l电极制作设备：光刻机、刻蚀机、离子注入机等。l衬底加工设备：减薄机、划片机、检测设备等。2、MOCVD设备lMOCVD——金属有机物化学气相淀积（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition）3、光刻机3、光刻机4、刻蚀机5、离子注入机6、清洗机7、划片机7、划片机同一功能有不同型号设备选择8、芯片分选机9、LED芯片的制造l从以上的的仪器设备可以看出，LED芯片的制造依靠大量的设备，而且有些设备价格昂贵。lLED芯片质量依赖于这些设备和操作这些设备的人员。l设备本身的制造也是LED生产的上游产业，一定程度上反映国家的光电子的发展水平。二、LED芯片衬底材料的选用lLED芯片首要考虑的问题：衬底材料的选用。l选择衬底依据：根据设备和LED器件的要求进行选择。三种衬底材料目前市面上一般有三种材料可作为衬底l　蓝宝石（Al2O3）l　硅(Si)l　碳化硅（SiC）除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAs、AlN、ZnO等材料。下面分别介绍三种材料的特点1、蓝宝石衬底蓝宝石衬底的优点：l生产技术成熟、器件质量好；l稳定性很好，能够运用在高温生长过程；l机械强度高，易于处理和清洗。1、蓝宝石衬底蓝宝石衬底应用lGaN基材料和器件的外延层。l对应LED：蓝光（材料决定波长）1、蓝宝石作为衬底的LED芯片芯片也叫晶粒1、蓝宝石作为衬底存的一些问题l（1）晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。l（2）无法制作垂直结构的器件，因为蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm。1、蓝宝石作为衬底存的一些问题l（3）成本增加：l通常只能在外延层上表面制作n型和p型电极。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低。lGaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备。l蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。1、蓝宝石作为衬底存的一些问题l（4）导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。2、硅衬底l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。l电极制作：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），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。2、硅衬底l应用：目前有部分LED芯片采用硅衬底，如上面提到的GaN材料的蓝光LED3、碳化硅衬底l美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底3、碳化硅衬底特点l电极：L型电极设计，电流是纵向流动的，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。l导热：碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数为490W/(m·K)）要比蓝宝石衬底高出10倍以上。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。l成本：但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。4、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片4、三种衬底的性能比较三、LED外延片的制作外延片制作技术分类l1、液相外延：红色、绿色LED外延片。l2、气相外延：黄色、橙色LED外延片。l3、分子束外延l4、金属有机化学气相沉积外延MOCVD2、MOCVD设备工作原理载流气体金属有机反应源反应腔反应通气装置真空泵阻断装置压力控制2、MOCVD设备工作原理说明MOCVD成长外延片过程l载流气体通过金属有机反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的基板上面发生化学反应促成薄膜的成长。因此是一种镀膜技术，是镀膜过程。MOCVD方法l影响蒸镀层的生长速率和性质的因素：l温度l压力l反应物种类l反应物浓度l反应时间l衬底种类l衬底表面性质等l参数由MOCVD软件计算，自动控制完成，同时要实验修正摸索。MOCVD方法外延片生长中不可忽视的微观动力学问题l反应物扩散到衬底表面l衬底表面的化学反应l固态生长物的沉积l气态产物的扩散脱离MOCVD方法l反应气体在衬底的吸附l表面扩散l化学反应l固态生成物的成核和生长l气态生成物的脱附过程等注意：反应速率最慢的过程是控制反应速率的步骤，也是决定沉积膜组织形态与各种性质的关键。MOCVD反应系统结构l进料区l反应室l废气处理系统MOCVD反应系统的技术要求l提供洁静的环境。l反应物抵达衬底之前应充分混合，以确保外延层的成分均匀。l反应物气流需在衬底的上方保持稳定的流动，以确保外延层厚度均匀。l反应物提供系统应切换迅速，以长出上下层接口分明的多层结构。MOCVD参数实例南京大学省光电信息功能材料重点实验室使用MOCVD参数实例系统简介本系统为英国ThomasSwan公司制造，具有世界先进水平的商用金属有机源气相外延(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。在高亮度的蓝光发光二极管(LED)、激光器(LD)、日盲紫外光电探测器、高效率太阳能电池、高频大功率电子器件领域中具有广泛的应用。MOCVD参数实例该设备承担并完成国家“863”、国防“973”计划项目和江苏省自然科学基金等多项研究任务。首次用MOCVD方法在LiAlO2衬底上实现非极化GaN/InGaN量子阱生长和LED器件制备，成果达到同期国际水平；研制的新型半导体InN材料其相关技术达到国际先进水平；制备高质量的用于紫外探测器结构材料性能指标达到国际先水平。MOCVD参数实例l设备参数和配置：外延片3×2英寸/炉l反应腔温度控制：1200℃l压力控制：0～800Torr（1Torr≈133.32Pa）l激光干涉在位生长监测系统l反应气体：氨气，硅烷（纯度：6N=99.9999%）l载气：氢气，氮气；（纯度：6N）lMOCVD源：三甲基镓(TMGa)，三甲基铟(TMIn),三甲基铝(TMAl)，二茂基镁(Cp2Mg)国产MOCVD设备l中国电子科技集团公司第四十八研究所l上游产业2、国产MOCVD设备指标l产品描述：GaN-MOCVD设备是集精密机械、电子、物理、光学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端电子专用设备，用于GaN系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫色LED芯片的制造，是国家半导体照明（白光LED）工程实施中最为关键的芯片制造设备，也是光电子行业最有发展前景的专用设备。2、国产MOCVD设备指标l生产能力：2’’（1英寸=25.4mm）基片，6片/批；l基片温度及精度：300~1200±1℃；l升温速度：10℃/s；l载片台转速：10~200rpm（转数/分）；l反应室压控范围：0.01~0.13Mpa；l界面友好，操作简单。2、MOCVD设备操作培训与就业2008年7月24日，中国（深圳）国际半导体照明展览会期间，“MOCVD技术国际短期培训班”。最新的MOCVD技术。l“GaN基发光二极管结构表征方法”l“基于MOCVD生产的高功率光电子器”l“MOCVD硬件及维护”l“用于产品监测的光学在位测量技术发展近况”设备的操作与维护及其重要3、重要的MOCVDlMOCVD已经成为工业界主要使用的镀膜技术。l使用MOCVD这种镀膜技术制作LED的外延片，即在衬底上镀多层膜。l外延片是LED生产的上游产业，在光电产业中扮演重要的角色。l有些专家经常用一个国家或地区拥有MOCVD外延炉的数量来衡量这个国家或地区的光电行业的发展规模。四、LED对外延片的技术要求l1、外延材料具有适合的禁带宽度l2、外延材料的发光复合几率大l3、p型n型两种外延材料的电导率要高l4、外延层的完整性1、外延材料具有适合的禁带宽度l禁带宽度决定发射波长：λ=1240/Egλ——LED的峰值发射波长（nm）Eg——外延材料的禁带宽度（eV）lEg由材料性质决定，可以通过调节外延材料的组分调整Eg。2、外延材料的发光复合几率大lLED的发光原理：pn结处的空穴和电子的复合发光，同时伴有热产生，复合几率大，则发光效率高。lInGaAlP材料，调整Ga-Al组分，改变Eg，得到黄绿到深红的LED波长。但改变组分的同时使得直接跃迁半导体材料变为间接跃迁，影响发光效率。3、p型n型两种外延材料的电导率要高l影响电导率的因素：掺杂浓度、温度、均匀性。l掺杂浓度：不应小于1×1017/cm3l参杂温度：MOCVD反应腔温度及材料特性l参杂均匀型：MOCVD气流平稳、气压4、外延层的完整性l外延层的完整性：晶体的错位和空位缺陷，氧气等杂质。l影响完整性的因素：不同的外延技术、同一外延技术不同的设备，同一设备不同的操作人员。5、外延片检测l表面平整度l厚度的均匀性l径向电阻分布5、外延片检测外延片（晶圆）抽取九个点做参数测试5、SSP3112-WLED外延片光色电参数测试仪l杭州星谱光电科技有限公司5、SSP3112-WLED外延片光色电参数测试仪五、LED芯片电极P极和N极制作l1.1引脚封装结构中，看到LED结构有内部电极和外部电极。l更一般的情况，任何半导体器件最终都要通过电极引线与外部电路相连接。1、欧姆接触电阻l定义：电极金属与半导体接触部分——电极，电流-电压（I-V）呈现线性关系，线性关系比值R=U/I，因此相当于一个阻值很小的电阻，称为欧姆接触电阻。l欧姆电阻对LED器件的影响：欧姆电阻与内部pn结串联→如果欧姆电阻大，则LED正向工作电压大，注入效率低→器件发热、亮度下降，寿命缩短。l结论：LED芯片的pn结电极直接影响LED器件的质量。2、pn结电极的制作工艺l光刻l真空电子束蒸发l湿法腐蚀l剥离3、pn结电极材料lp型电极：镍/铜（Ni/Au）——良好的透光性和电学特性。ln型电极：进行合金化——目的减小电极之间的影响。但进行进行合金化的过程也会对p型电极产生影响，保持p型电极在对n型电极进行合金化的过程中保持不变非常重要。4、pn结电极lV型电极：芯片上要两个电极lL型电极：相对V型电极，芯片上只要一个电极，导热性能好，光输出功率高，大电流LED工作的I-P特性好5、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片不同的电极激光切割外延片成芯片六、LED外延片的切割成芯片芯片分选机小结lMOCVD外延片的制作：包括衬底的选择、MOCVD镀膜技术简介、成品外延片的检测。lLED芯片电极的制造。lLED芯片的切割、分选。