半导体照明技术(第十章)课件.ppt

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1、第十章 LED芯片制造技术,本章主要介绍LED芯片制造工艺流程和制造技术。,国内外芯片公司介绍,国内(部分)LED Chip Company,蓝光LED芯片基本结构,衬底层：一般为蓝宝石或SiC，目前研究最热的是Si衬底。n型氮化镓层：GaN的n型掺杂比较简单，掺杂源为IV族元素Si、Ge、Se等 发光层：为p型或者n型含铟的氮化镓，或非掺杂的氮化铟镓，可通过改变发光杂质的种类来改变禁带宽度，从而改变发出光的波长。p型氮化镓层：多数采用p型AlGaN，掺杂主要是Mg 等II族元素p型接触层：一般采用p型GaN，使之与正电极材料达到良好的欧姆接触。透明导电层：为了将电流有效地分散以达到均匀发光，

2、避免所发的光被p型金属电极衰减。,LED芯片结构特征 之 单电极,芯片基本结构:金属衬底、垂直结构,芯片基本结构:SiC 垂直结构,LED芯片结构特征 之 单电极,GaN-LED芯片的基本结构,InGaN MQW active layer,Sapphire substrate,p-electrode(Ni/Au),p-electrode(Ni/Au),p-GaN layer,n-GaN layer,GaN buffer layer,LED芯片结构特征 之 双电极,芯片基本结构:Flip-chip,LED芯片结构特征 之 倒装结构,半导体技术与工艺链,第一节 制造LED芯片的工艺流程,1、半导体

3、单晶生长及衬底片加工,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,元素半导体的代表为硅（Si）和锗（Ge）；也称为第一代半导体；化合物半导体被称为第二、三代半导体材料，代表材料：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）等。,所谓“外延生长”就是在高真空条件下，采用分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD)等方法，在晶体衬底上，按照某一特定晶面生长的单晶薄膜的制备过程。半导体外延生长主要采用MBE和MOCVD工艺。,2、外延生长,3、芯片制作,在

4、外延片的基础上采用光刻、刻蚀、蒸发、镀膜、电极制备、划片等半导体工艺制作具有一定功能的结构单元。主要采用光刻机、RIE、PECVD、离子注入、化学气相沉积、磨片抛光、镀膜机、划片机等半导体工艺设备。,基本工艺流程,MOCVD外延,清洗,有机物,金属离子,n区光刻,刻蚀,去胶,p电极蒸发,P电极光刻,P电极腐蚀,KI+I2,去胶,丙酮+酒精,P电极合金,O2,N电极光刻,N电极蒸发,N剥离,N退火,N2,P压焊点光刻,P压焊点蒸发,P压焊点剥离,钝化层沉积,气体，功率,钝化层光刻,钝化层刻蚀,钝化层去胶,丙酮,中道终测检验,减薄,划片,裂片,扩膜,划片,裂片工作流程图,划片前晶片背面,划片后背面

5、,划片后,侧视图,裂片后,侧视图,扩膜后,正视图,测试分检,总的来说，LED制作流程分为两大部分：1、首先在衬低上制作氮化鎵（GaN）基的外延片，这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉(MOCVD)中完成的。准备好制作GaN基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。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是利用气相反应物及族的有机金属和族的NH3在衬底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面。通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，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

6、设备。,2、然后是对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。如果芯片清洗不够干净，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芯片，因此会产生夹痕。黄光作业内容包括烘烤、上光阻、照相曝光、显影等，若显影不完全及光罩有破洞会有发光区残多出金属。芯片在前段工艺中，各项工艺如清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必须使用镊子及花篮、载具等，因此会有芯片电极刮伤情形发生。,2、

7、掩模 在薄膜、塑料或玻璃基体材料上制作各种功能图形并精确定位，以便用于光致抗蚀剂涂层选择性曝光的一种结构。3、光刻胶 包含有光敏材料，涂覆在衬底上，通过掩模曝光产生与掩模相同的图案。分为正胶和负胶。,一、光刻技术1、定义：在半导体制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。,4、光刻工艺流程,二、扩散 发光的PN结通常是将锌热扩散到N型外延材料中而形成的。扩散是一种由浓度梯度造成的，以热运动方式进行的杂质原子是输运过程，扩散方程为,通常的扩散过程中片子表面的杂质浓度不变，称恒定表面浓度扩散，上式方程的解为：,三、欧姆接

8、触电极1、欧姆接触 是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区而不在接触面。,2、欲形成好的欧姆接触，有两个先决条件（1）金属与半导体间有低的界面能障。（2）半导体有高浓度的杂质掺入。,3、发光二极管有效和可靠工作的基本条件之一是应用低阻欧姆接触电极，该接触要足够厚，以提供合适的引线健合压点和接触材料之间最小的压降。4、欧姆接触电极的制作 先在晶片表面上用真空蒸发、溅射、电镀等方法淀积一层选好的欧姆接触材料，然后在一定温度下合金化。真空蒸发是最常用的方法，在高真空下用电阻加热或电子束轰击加热的方法，使被蒸发材料熔化。在低气压下，熔化

9、了的蒸发材料表面的原子获得足够的能量得以脱离蒸发源，在半导体表面淀积一层接触材料。,四、ITO透明电极1、应用ITO透明电极的原因 传统的NiAu合金电极具有非常好的电流扩展功能，但对可见光的透过率仅为60%-70%，因此利用氧化铟锡(Indinm-Tin-Oxide,ITO)透明电极的高可见光透过率和低电阻率是提高LED取光效率的有效途径之一。2、ITO电极的制备 ITO膜的制备方法有磁控溅射法、蒸发法、喷涂法、气相反应法和溶液-凝胶法。3、效果 能提高芯片的发光功率，提升幅度达51.8%。,五、表面粗化1、粗化的原因 GaN和空气的折射率分别为2.5和1.0，相差较大，结果在多量子阱内产生

10、的光，能够出射到空气中的临界角大约是22度，因此取光效率很低。通过对GaN表面进行粗化处理，形成不规则的凹凸，从而减少或者破坏GaN材料与空气界面处的全反射，可以提高LED的取光效率。2、效果 对GaN表面粗化，目前的光输出功率能增加20%-50%。,六、激光剥离（Laser Lift-off，LLO）1、定义 激光剥离技术是利用激光器的激光能量分解GaN/蓝宝石界面处的GaN缓冲层，从而实现LED外延片与蓝宝石衬底的分离。2、原因 可带来的好处是可将外延片转移到高热导率的热沉上，做成铜衬底上的垂直结构，可减少因蓝宝石衬底带来的磨片、划片麻烦，而且蓝宝石衬底可重复使用。3、该技术的发展过程 1

11、996年美国HP公司创建了GaN基材料的激光剥离技术。2003年德国的Osram公司建立了第一条激光剥离技术的LED生产线。4、效果：发光效率可提升四倍。,七、倒装芯片技术1、为什么要倒装芯片？AlGaInN二极管外延片通常都生长在绝缘的蓝宝石衬底上，欧姆接触的p电极和n电极只能制备在外延层的同一侧，正面射出的光相当一部分将被电极和键合引线所遮挡。另外，半透明NiAu层吸收光，使发光效率受损。倒装芯片技术将蓝宝石一面作为出光面，避免了上述2个因素的光吸收，而且使PN结靠近热沉、降低热阻，还提高了可靠性。2、效果 有报道该技术能使发光效率比正装增加1.6倍。,八、垂直结构芯片技术 垂直结构LED具有均匀的电流分布、铜或硅具有比蓝宝石好得多的热导率、低的工作电压等优点，是高功率LED的首选。九、芯片的切割 切割发光二极管材料的两种最广泛应用的方法是金刚刀划片和金刚砂轮磨片。划片机是现今用得最普遍的，它的划痕截面图是三角形，划的深度一般小于0.003cm。但对于蓝宝石为衬底的材料，由于蓝宝石硬度较高，基本上采用激光划片技术。,第三节 LED芯片结构的发展,LED芯片结构的发展过程如下：,