回顾复习(二)-2016

材料与新光源技术11•白光LED光源器件根据制作过程可分为前段材料生长，中段芯片制备和后段器件封装。•芯片的设计和制造包括了蒸镀、光刻、研磨切割等过程，其工艺的发展直接决定了白光LED的性能。在芯片的工艺中，主要包括常规芯片，倒装芯片，垂直薄膜和薄膜倒装芯片。半导体照明光源制作流程回顾：21.LED芯片工艺流程2.芯片结构与实现3.芯片的设计与光提取主要内容四、LED芯片材料与结构3•在LED外延片上对p-n结的两个电极的加工，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、研磨等程序，详细流程如图所示。LED芯片工艺流程4LED芯片制造•LED芯片的制造从MOCVD方法制备的外延片成品开始，属于半导体LED制造的中段工艺。外延片成品首先需要进行表面清洗处理，然后进入如下的流程。•（1）IPO透明电极层生长：氧化铟锡是金属铟的氧化物（In2O3）和金属锡的氧化物（SnO2）的混合物，通常质量比为90%的In2O3和10%的SnO2。其特性是具有优异的导电性和光学透明性，可以切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线。•应用：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。氧化铟锡薄膜一般采用电子束蒸发、物理气相沉积或一些溅射沉积技术的方法沉积到表面。5LED芯片制造•（2）图形光刻IPO透明电极层：光刻过程一般在黄光区进行，所以也称为黄光作业，主要包括：甩胶、前烘、曝光、显影、坚膜和腐蚀等过程。•甩胶：将少量光刻胶滴在外延片上（p-GaN层表面），用匀胶台在高速旋转后形成均匀的胶膜。•光刻胶的技术复杂，按照其化学反应机理和显影原理，可分为负性胶和正性胶两类。光照后形成不可溶物质的为负性胶；反之，对某些溶剂是不可溶的，经过光照后变成可溶物质的是正性胶。6LED芯片制造•（2）图形光刻IPO透明电极层：•前烘：将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。前烘是光刻的一道关键工序，前烘条件的选择，对光刻胶溶剂的挥发量和光刻胶的粘附特性、曝光特性、显影特性等都有较大的影响。•曝光：将掩膜板（光刻板）置于ITO透明电极上方，用紫外光进行曝光，曝光的区域发生化学变化。下图所示是掩膜板图形示意图，灰色图形区域为胶膜遮挡保护部分。7LED芯片制造•（2）图形光刻IPO透明电极层：•显影：显影是用溶剂去除未曝光部分（负胶）或曝光部分（正胶）的光刻胶，在外延片表面形成所需的图形。•在GaN基LED芯片制造中，用显影液除去应刻蚀掉部分的光刻胶（正胶），以获得腐蚀时由胶膜保护的图形（下图白色图形区域）。8LED芯片制造•（2）图形光刻IPO透明电极层：•坚膜（后烘）：由于显影时胶膜发生软化、膨胀，坚膜的目的是去除显影后胶层内残留的溶剂，使胶膜更坚固，提高光刻胶的粘附力和抗腐蚀性。•腐蚀：用36%-38%的盐酸腐蚀ITO透明电极层以获得相应的图形•（3）ICP刻蚀：ICP刻蚀即感应耦合等离子体刻蚀，是利用气体辉光放电产生的高密度等离子体轰击材料表面进行刻蚀的技术。9LED芯片制造•（3）ICP刻蚀：•利用ICP技术，以光刻胶为掩膜刻蚀GaN外延片，获得裸露的n-GaN层，下图白色图形区域为p-GaN层，其余区域为裸露出的n-GaN层。ICP刻蚀后的外延片表面图形10LED芯片制造•（4）图形光刻电极：•金属电极的图形光刻过程与光刻ITO过程相同，不同的是在这一过程采用光刻负胶，曝光过程所使用的掩膜板图形见左图，灰色区域显示为光刻胶去除部分，其余为光刻胶保护部分。显影后的图形如右图所示，圆形部分和扇形部分为裸露区域，其余部分受光刻胶保护。电极掩膜板图形（左图）和显影后的外延片表面（右图）11LED芯片制造•（5）蒸镀：•在显影后的外延片表面镀上一层或多层金属（如Au、Ni、Al等），一般将芯片置于高温真空下，将熔化的金属蒸着在芯片上。蒸发镀膜属于真空镀膜技术，是在真空室内，通过加热蒸发出金属蒸汽并使其沉积在材料表面。•（6）剥离：剥离光刻胶保护部分被蒸镀的金属，分别在p-GaN和n-GaN表面形成在p极和n极金属触片，下图所示。12LED芯片制造•（7）合金：使蒸镀过程中蒸镀的多层金属分子间更紧密结合，减少接触电阻；•（8）减薄：减小蓝宝石衬底厚度，利于切割、散热；•（9）切割：切割过程前需要进行贴膜（白膜，宽度为16cm，粘性随温度的升高增加），划片（激光打在蓝宝石衬底上，所用激光为紫外光，波长为355nm，激光划痕在25-35μm），倒膜（蓝膜，宽度为22cm，倒膜时衬底朝上，有电极的一面朝下），裂片（裂片前需在芯片上贴一层玻璃纸，防止裂片时刀对芯片的破坏），扩膜（把裂片后直径为2英寸的芯片扩充3英寸，便于后续的分拣）等过程。1314LED芯片制作流程•LED芯片是半导体发光器件的核心部件，其不同的结构设计与实现对半导体器件的发光效率和使用寿命有极大的影响。•目前GaN基LED芯片的结构主要有正装结构、倒装结构和垂直结构三种。•包括常规芯片、倒装芯片、垂直薄膜和薄膜倒装芯片等。LED芯片的结构与实现15•（1）常规芯片（CC）结构LED芯片的结构一种在具有蓝宝石衬底外延片上最容易实现的LED芯片结构（正装结构，芯片正面朝上正面出光），也是目前普遍采用的一种结构形式。由于蓝宝石衬底不导电，无法直接连接外电路负极，所以需要将n型GaN材料暴露出来，通常是在p型GaN材料表面通过向下刻蚀，并沉积金属触片的工艺来实现。16•（2）倒装结构芯片（FC:FlipChip）LED芯片的结构倒装结构芯片（FC:FlipChip）与正装芯片的区别是由芯片背面朝上出光，即蓝宝石衬底表面出光（上图所示），而p型GaN层则变成了光反射面，其底部常装有反光的p极触片。特点是外延层直接与新衬底（硅）接触，新衬底具有导电性和更高的热导率（149Wm-1K-1）可以为芯片提高电流驱动电路、保护电路和散热通道等。17•（3）垂直薄膜（VTF）芯片LED芯片的结构垂直薄膜（VTF:VerticalThinFilm）属于垂直结构芯片，它的p电极和n电极分别在芯片的上下两个表面，支撑衬底为导热导电的衬底，如：Si、Ge和Cu等。垂直结构LED芯片的p、n电极分别在芯片的两侧，使得电流几乎全部垂直通过外延层，横向流动的电流很少，电流分布均匀，产生的热量也很少。18•（4）薄膜倒装芯片（TFFC）LED芯片的结构薄膜倒装芯片（TFFC:ThinFilmFlipChip）结合了垂直薄膜和倒装芯片的结构特点，首先利用激光剥离技术去除蓝宝石衬底，然后将其倒装焊接在高热传导的衬底上，结构如图所示。TFFC具有更高的亮度和更大的光输出效率，其表面的向上光输出能达到~100%。19•光萃取（光提取）技术基本原理•如何实现有效的光提取从LED芯片诞生之初就一直是芯片技术的挑战！•光提取问题的基本原理来自于Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物较高的光折射系数，如AlGaInP的折射系数为~3.5，InGaN的折射系数为~2.4。•如果光线入射角大于临界角（24.5°），则会产生全内反射，因此大部分有源层发射的光线会被全内反射而限制于半导体内部，最终被GaN材料完全吸收。芯片的设计与光提取半导体LED芯片临界角示意图20•光提取技术基本原理•从本质上讲，LED芯片的发光效率的提高基于其外量子效率的增加。外量子效率（ηext）可由如下公式表达：ηext=ηint·Cext•ηint为内量子效率，Cext为出光效率（lightextractionefficiency）又称为光提取效率或光萃取效率。•内量子效率是微观过程中复合载流子产生的光子数与复合载流子总数之比，其大小主要取决于半导体材料本身及形成pn结的结构和工艺。芯片的设计与光提取21•光提取技术基本原理•对于给定内量子效率的外延片，比如GaN基外延片，提升光提取效率是提高LED芯片外量子效率的根本途径，这在很大程度上要求设计新的芯片结构以改善出光。•由GaN基材料高的折射率导致芯片出光面的全反射，光提取效率通常不到10%。芯片的设计与光提取22•提高光提取效率常用方法•为提高光提取效率，使得GaN基器件内产生的光子更多地发射到体外，目前常用的方法包括：蓝宝石图形衬底技术；光子晶体技术；表面粗化技术等。•另外，蓝宝石衬底的光折射系数为1.78，相应的临界角为45°，因此以蓝宝石衬底为出光面的倒装芯片结构具有比正装结构更高的光提取效率。芯片的设计与光提取23•（二）光子晶体技术（PhotonicCrystals）•从光提取技术的角度来说，蓝宝石衬底图形化的制备正在往纳米级别发展。•纳米量级的图形化衬底除了具有改变光出射方向的作用外，还具有微米量级图形化衬底所没有的特点，即光子晶体的禁带效应。概念：光子晶体是由具有不同介电常数的介质材料在空间呈周期性排布的微结构材料。光子晶体被认为是控制光子传播的有效工具，光子晶体的典型特征是具有光子带隙。利用光子晶体所特有的禁带效应可以实现对光子的控制，从而提高光输出效率。芯片的设计与光提取24•（二）光子晶体技术（PhotonicCrystals）•要求：因为光子晶体的晶格尺度和光的波长具有相同的数量级，因此一般光子晶体的晶格要求至少在500nm左右，这为其制备带来了一定的难度。•普通光刻技术中的掩膜工艺分辨率比较低，难以制作精度较高的纳米尺度周期图形。•此外，一块光刻掩膜板只能对应一个周期性的图形结构，不利于不同周期衬底结构的制作。•因此，在光子晶体的制备中，常用其它工艺代替光刻工艺中的掩膜板，包括：电子束光刻、纳米压印、自组装纳米层和激光全息等。芯片的设计与光提取25•（二）光子晶体技术（PhotonicCrystals）•激光全息技术•纳米压印技术和自装纳米层技术工艺都较为复杂，不利于大规模的工业化生产。•激光全息技术是利用全息光栅取代光刻技术中的掩膜，根据三个全息光栅的一级衍射光相互干涉，在光刻胶上表面形成相应的周期性图形形成二维光子晶体，其光学系统示意图如下图所示。26•（二）光子晶体技术（PhotonicCrystals）•激光全息技术•具体工艺为：首先在蓝宝石衬底表面用甩胶机涂覆一层光刻胶，采用全息光学系统在光刻胶上曝光，制作光子晶体图形。全息光学元件由三个两两夹角为120°具有相同周期的光栅组成，其衍射光相互干涉形成二维六角图形。通过控制全息光栅上的周期可以获得所需晶格常数的二维六角晶格图形。•利用激光全息技术可以非常方便地在蓝宝石衬底表面制备不同周期的二维图形，且全息光栅的面积决定了一次曝光所制作的二维结构图形的面积，十分有利于实现工业化的低成本、大批量制作。2728I.引言封装技术所谓“封装技术”是一种将集成电路用绝缘的塑料或陶瓷材料打包的技术。封装也可以说是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强导热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁——芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其它器件建立连接。LED芯片封装：输出可见光29I.引言芯片与荧光粉的有机结合芯粉合一技术2930I.引言LED封装要求电参数和光参数的设计及技术要求；封装必须具高绝缘性、高反射性、高传导性和高强度；LED封装主要作用：1、物理保护。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降，保护芯片表面以及连接引线等，使相当柔嫩的芯片在电气或热物理等方面免受外力损害及外部环境的影响当芯片功耗大于2W时，在封装上需要增加散热片或热沉片，以增强其散热冷却功能；5～10W时必须采取强制冷却手段。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。3031I.引言LED主要作用：2、电气连接。封装的尺寸调整（间距变换）功能可由芯片的极细引线间距，调整到实装基板的尺寸间距，从而便于实装操作。例如从以亚微米（目前已达到0.13μm以下）为特征尺寸的芯片，到以10μm为单位的芯片焊点，再到以100μm为单位的外部引脚，最后