LED晶片芯片制程与教程.ppt

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1、,LED 的晶片制程,张鹏志 QQ：7161150,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220250m,蓝宝石基板为80m),并切成晶粒.,以各种磊晶技术(如MOCVD),将LED结构

2、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,张鹏志 QQ：7161150,张鹏志 QQ：7161150,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(unit cell)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:非晶(amophous)多晶(poly-crystalline)单晶(single crystal).,非晶 多晶 单晶,张鹏志 QQ：7161150,2.晶体结构 闪锌矿结构为立方晶系,如砷化镓(GaAs)纤维锌矿结构为立方晶系,有二个晶格常数(a,b),

3、如氮化镓(GaN),张鹏志 QQ：7161150,4.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 晶格共价半径,导电能力,3.能隙(Energy Gap 或 Band Gap)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.,磊晶层,基板,磊晶层,基板,a.晶格匹配,b.晶格差配,张鹏志 QQ：7161150,半导体材料,1.半导体材料的分类;依构成的元素可分为:元素半导体 如:硅(Si)化合物半导体 化合物

4、半导体又可分成:四-四族化合物 如:碳化硅(SiC)三-五族化合物 如:砷化镓(GaAs)二-六族化合物 如:硒化锌(ZnSe)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:二元化合物半导体 如:砷化镓(GaAs)三元化合物半导体 如:砷化铝镓(AlGaAs)四元化合物半导体 如:磷砷化铟镓(InGaAsP),张鹏志 QQ：7161150,单晶成长,柴可拉斯基液封式长晶法(LEC),张鹏志 QQ：7161150,布吉曼水平式长晶法(HB),张鹏志 QQ：7161150,垂直梯度冷却式长晶法(VGF),张鹏志 QQ：7161150,三种长晶法的对比,张鹏志 Q

5、Q：7161150,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。材料供应系统加热系统真空系统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 LPE b:气相磊晶法 VPE c:有机金属化学气相沉渍法 MOCVD d:分子束磊晶法 MBE,张鹏志 QQ：7161150,张鹏志 QQ：7161150,张鹏志 QQ：7161150,金属化制程热阻式蒸镀 用于取低溶点的金属,如铝(AL)、金(AU)、镍（NI）电子枪蒸镀(右图)目前LED制程最普遍使用电浆溅镀(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

6、子束,坩锅,大电流,抽真空,张鹏志 QQ：7161150,微影制程(光罩,蚀刻),投影曝光法光罩 光阻(正,负光阻法),张鹏志 QQ：7161150,研磨制程,半导体基板或晶圆厚度为350430UM，为方便切割及减少串联电阻，需磨到220250UM（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,b.鑽石式切割法,张鹏志 QQ：7161150,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。内部量子效率要优化条件，方可得到最大内部量子效率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（FRESNL LOS

7、S）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,张鹏志 QQ：7161150,目前常见之LED大约可归纳为4种GaP/GaAsP系LED(Gap:红680nm、黄绿575nm GaAsP:黄光585nm、630橘光、650红光)ALGaAs系LED(红660nm)ALINGaP系LED(绿光560nm、琥珀光590nm、橘红光625nm)GaN系LED(

8、紫光400nm、蓝光470nm、绿光525nm),可见发光二极管,张鹏志 QQ：7161150,GaP/GaAsP系LED,GaP 680nm 红光(液相磊晶 LPE磊晶),GaP 570nm 黄绿光(液相磊晶 LPE磊晶),GaAsP系LED,以气相磊晶技术VPE磊晶,585nm黄光 630nm橘光 650nm红光,张鹏志 QQ：7161150,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DDH,(a)单异质结构SH,(b)双异质结构DH,(C)双行双异质结构DDH,备注:晶片亮度DDHDHSH,张鹏志 QQ：7161150,ALInGaP

9、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,布拉格反射镜(Distributed Brag Reflector,DBR),多重量子井(Multiple-Quantum Well,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0X 1,而且当X值 0.65时,就变成了间接半导体.,张鹏志 QQ：7161150,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-GaN,N-GaN,Ti/Al/Ti/A

10、u 焊接垫,Ni/Au TCL,InGaN/GaN MQW,GaN 成核层,P,N,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,0X 1,张鹏志 QQ：7161150,白光发光LED,寿命长由电较换为光的效率高、耗量少体积小兼具省电和环保概念,张鹏志 QQ：7161150,白光LED未来研发动向,张鹏志 QQ：7161150,各种白光技术三优缺点比较,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。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。UV-LED配合红、绿、兰三色荧光粉，产生光显似日光灯，是未来主力。,张鹏志 QQ：7161150,The ENDTKS!,