1.2 LED芯片制作的工艺流程 LED芯片制作的工艺流程 属LED上游工业 靠设备 导言 l l l l LED是二极管，是半导体。 本节评论的LED的制作=LED的芯片制作。 LED的制作工艺和其它半导体器材的制作工艺 有许多相同之处。 除个别设备外，大都半导体设备经过改进能够 用于LED的制作。 导言 l l l LED芯片制作工艺分三大部分 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，通明导电层。 电极——对LED外延片做电极（P极，N极） 。 芯片——用激光机切开LED外延片成。 内容 l l l l l l 一、LED芯片制作设备 二、LED芯片衬底资料的选用 三、LED外延片的制作 四、LED对外延片的技能要求 五、LED芯片电极P极和N极的制作 六、LED外延片的切开成芯片 1、LED芯片制作用设备 l l l 外延片的制备： l MOCVD：是制作LED芯片的最重要技能。 l MOCVD外延炉：是制作LED最重要的设备。一台 外延炉要100多万美元，出资最大的环节。 电极制作设备：光刻机、刻蚀机、离子注入机等。 衬底加工设备：减薄机、划片机、检测设备等。 2、MOCVD设备 l MOCVD——金属有机物化学气相淀积（MetalOrganic Chemical Vapor Deposition） 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 同一功用有不同类型设备挑选 8、芯片分选机 9、LED芯片的制作 l l l 从以上的的仪器设备能够看出，LED芯片的制 造依托很多的设备，并且有些设备价格昂贵。 LED芯片质量依赖于这些设备和操作这些设备 的人员。 设备自身的制作也是LED出产的上游工业，一 定程度上反映国家的光电子的开展水平。 二、LED芯片衬底资料的选用 l LED芯片首要考虑的问题：衬底资料的选用。 挑选衬底依据：依据设备和LED器材的要求进 行挑选。 l 三种衬底资料 l l l 现在市面上一般有三种资料可作为衬底 蓝宝石（Al2O3） 硅 (Si) 碳化硅（SiC） 除了以上三种常用的衬底资料之外，还有 GaAs、AlN、ZnO等资料。 下面别离介绍三种资料的特色 1、蓝宝石衬底 l l l 蓝宝石衬底的长处： 出产技能老练、器材质量好； 安稳性很好，能够运用在高温成长进程； 机械强度高，易于处理和清洗。 1、蓝宝石衬底 l l 蓝宝石衬底运用 GaN基资料和器材的外延层。 对应LED：蓝光（资料决议波长） 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 l （1）晶格失配和热应力失配，这会在外延层 中发生很多缺点，一起给后续的器材加工工艺 形成困难。 （2）无法制作笔直结构的器材，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）本钱添加： l l l 一般只能在外延层上外表制作n型和p型电极。在上 外表制作两个电极，形成了有用发光面积削减，一起 添加了器材制作中的光刻和刻蚀工艺进程，效果使材 料利用率下降。 GaN基资料的化学功用安稳、机械强度较高，不容 易对其进行刻蚀，因而在刻蚀进程中需求较好的设备。 蓝宝石的硬度十分高，在天然资猜中其硬度仅次于金 刚石，可是在LED器材的制作进程中却需求对它进行 减薄和切开（从400nm减到100nm左右）。 1、蓝宝石作为衬底存的一些问题 l （4）导热功用不是很好（在100℃约为25W/ （m·K））。 为了战胜以上困难，许多人企图将GaN光电器 件直接成长在硅衬底上，然后改进导热和导电 功用。 2、硅衬底 l l 硅是热的良导体，所以器材的导热功用能够明 显改进，然后延长了器材的寿数。 电极制作：硅衬底的芯片电极可选用两种触摸 办法，别离是L触摸（Laterial-contact ,水平 触摸）和V触摸（Vertical-contact，笔直接 触），以下简称为L型电极和V型电极。经过 这两种触摸办法，LED芯片内部的电流能够是 横向活动的，也能够是纵向活动的。因为电流 能够纵向活动，因而增大了LED的发光面积， 然后提高了LED的出光功率。 2、硅衬底 l 运用：现在有部分LED芯片选用硅衬底 ，如 上面说到的GaN资料的蓝光LED 3、碳化硅衬底 l 美国的CREE公司专门选用SiC资料作为衬底 3、碳化硅衬底特色 l l l 电极：L型电极规划，电流是纵向活动的，两个电极 散布在器材的外表和底部，所发生的热量能够经过电 极直接导出；一起这种衬底不需求电流分散层，因而 光不会被电流分散层的资料吸收，这样又提高了出光 功率。 导热：碳化硅衬底的导热功用（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。选用 这种衬底制作的器材的导电和导热功用都十分好，有 利于做成面积较大的大功率器材。 本钱：可是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制作本钱 较高，完结其商业化还需求下降相应的本钱。 4、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片 4、三种衬底的功用比较 三、LED外延片的制作 l l l l 外延片制作技能分类 1、液相外延：赤色、绿色LED外延片。 2、气相外延：黄色、橙色LED外延片。 3、分子束外延 4、金属有机化学气相堆积外延MOCVD 2、MOCVD设备作业原理 反响通气设备 反响腔 载流气体 金属有机反响源 阻断设备 压力操控 线、MOCVD设备作业原理阐明 MOCVD成长外延片进程 l 载流气体经过金属有机反响源的容器时， 将反响源的饱满蒸气带至反响腔中与其 它反响气体混合，然后在被加热的基板 上面发生化学反响促进薄膜的成长。 因 此是一种镀膜技能，是镀膜进程。 MOCVD办法 l 影响蒸镀层的成长速率和性质的要素： l l l l l l l 温度 压力 反响物品种 反响物浓度 反响时间 衬底品种 衬底外表性质等 l 参数由MOCVD软件核算，自动操控完结，同 时要试验批改探索。 MOCVD办法 l l l l 外延片成长中不行忽视的微观动力学问题 反响物分散到衬底外表 衬底外表的化学反响 固态成长物的堆积 气态产品的分散脱离 MOCVD办法 l l l l l 反响气体在衬底的吸附 外表分散 化学反响 固态生成物的成核和成长 气态生成物的脱附进程等 留意：反响速率最慢的进程是操控反响速率的 进程，也是决议堆积膜安排形状与各种性质的 要害。 MOCVD反响体系结构 l l l 进料区 反响室 废气处理体系 MOCVD反响体系的技能要求 l l l l 供给洁静的环境。 反响物抵达衬底之前应充沛混合，以保证外延 层的成分均匀。 反响物气流需在衬底的上方坚持安稳的活动， 以保证外延层厚度均匀。 反响物供给体系应切换敏捷，以长出上基层接 口清楚的多层结构。 MOCVD参数实例 南京大学省光电信息功用资料要点试验室运用 MOCVD参数实例 体系简介 本体系为英国Thomas Swan公司制作，具 有世界先进水平的商用金属有机源气相外延 (MOCVD)资料成长体系，可用于制备以GaN 为代表的第三代半导体资料。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、高功率太阳能电池、高频大功率电 子器材领域中具有广泛的运用。 MOCVD参数实例 该设备承当并完结国家“863”、国防 “973”方案项目和江苏省天然科学基金等多 项研讨使命。初次用MOCVD办法在LiAlO2衬 底上完结非极化GaN/InGaN量子阱成长和 LED器材制备，效果到达同期世界水平；研发 的新式半导体InN资料其相关技能到达世界先 进水平；制备高质量的用于紫外探测器结构材 料功用目标到达世界先水平。 MOCVD参数实例 l l l l l l l 设备参数和装备： 外延片3×2 英寸/炉 反响腔温度操控：1200℃ 压力操控：0～800Torr（1 Torr≈133.32Pa ） 激光干与在位成长监测体系 反响气体：氨气，硅烷（纯度： 6N=99.9999% ） 载气：氢气，氮气；（纯度：6N） MOCVD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 我国电子科技集团公司第四十八研讨所 l 上游工业 2、国产MOCVD设备目标 l 产品描述：GaN-MOCVD设备是集精密机械、 电子、物理、光学、核算机多学科为一体，是 一种自动化程度高、价格昂贵、技能集成度高 的顶级电子专用设备，用于GaN系半导体资料 的外延成长和蓝色、绿色或紫色LED芯片的制 造，是国家半导体照明（白光LED）工程施行 中最为要害的芯片制作设备，也是光电子职业 最有开展前景的专用设备。 2、国产MOCVD设备目标 l l l l l l 出产能力：2’’（1英寸=25.4mm）基片， 6片/批； 基片温度及精度：300~1200±1℃； 升温速度：10 ℃/s； 载片台转速：10~200rpm（转数/分）； 反响室压控规划：0.01~0.13Mpa； 界面友爱，操作简略。 2、MOCVD设备操作训练与作业 2008年7月24日，我国（深圳）世界半导体照 明博览会期间， “MOCVD技能世界短期训练 班”。最新的MOCVD技能。 “GaN基发光二极管结构表征办法” “根据MOCVD出产的高功率光电子器” “MOCVD硬件及保护” “用于产品监测的光学在位丈量技能开展近况” 设备的操作与保护及其重要 l l l l 3、重要的MOCVD l l l l MOCVD已经成为工业界首要运用的镀膜技能。 运用MOCVD这种镀膜技能制作LED的外延片， 即在衬底上镀多层膜。 外延片是LED出产的上游工业，在光电工业中 扮演重要的人物。 有些专家经常用一个国家或区域具有MOCVD 外延炉的数量来衡量这个国家或区域的光电行 业的开展规划。 四、LED对外延片的技能要求 l l l l 1、外延资料具有合适的禁带宽度 2、外延资料的发光复合几率大 3、 p型n型两种外延资料的电导率要高 4、外延层的完整性 1、外延资料具有合适的禁带宽度 l l 禁带宽度决议发射波长： λ=1240/Eg λ——LED的峰值发射波长（nm） Eg——外延资料的禁带宽度（eV） Eg由资料性质决议，能够经过调理外延资料 的组分调整Eg。 2、外延资料的发光复合几率大 l l LED的发光原理：pn结处的空穴和电子的复 合发光，一起伴有热发生，复合几率大，则发 光功率高。 InGaAlP资料，调整Ga-Al组分，改动Eg，得 到黄绿到深红的LED波长。但改动组分的一起 使得直接跃迁半导体资料变为直接跃迁，影响 发光功率。 3、 p型n型两种外延资料的电导率要高 l 影响电导率的要素：掺杂浓度、温度、均匀性。 l l l 掺杂浓度：不该小于1×1017/cm3 参杂温度：MOCVD反响腔温度及资料特性 参杂均匀型： MOCVD气流平稳、气压 4、外延层的完整性 l l 外延层的完整性：晶体的错位和空位缺点，氧 气等杂质。 影响完整性的要素：不同的外延技能、同一外 延技能不同的设备，同一设备不同的操作人员。 5、外延片检测 l l l 外表平整度 厚度的均匀性 径向电阻散布 5、外延片检测 外延片（晶圆） 抽取九个点做参数测验 5、SSP3112-W LED外延片光色电参数测验仪 l 杭州星谱光电科技有限公司 5、SSP3112-W LED外延片光色电参数测验仪 五、LED芯片电极P极和N极制作 l l 1.1引脚封装结构中，看到LED结构有内部电 极和外部电极。 更一般的状况，任何半导体器材终究都要经过 电极引线与外部电路相连接。 1、欧姆触摸电阻 l l l 界说：电极金属与半导体触摸部分——电极，电 流-电压（I-V）出现线性关系，线性关系比值 R=U/I，因而相当于一个阻值很小的电阻，称为 欧姆触摸电阻。 欧姆电阻对LED器材的影响：欧姆电阻与内部pn 结串联→假如欧姆电阻大，则LED正向作业电压 大，注入功率低→器材发热、亮度下降，寿数缩 短。 定论：LED芯片的pn结电极直接影响LED器材的 质量。 2、pn结电极的制作工艺 光刻 l 真空电子束蒸发 l 湿法腐蚀 l 剥离 l 3、pn结电极资料 l l p型电极：镍/铜（Ni/Au）——杰出的透光性 和电学特性。 n型电极：进行合金化——意图减小电极之间 的影响。 但进行进行合金化的进程也会对p型电极发生 影响，坚持p型电极在对n型电极进行合金化 的进程中坚持不变十分重要。 4、pn结电极 l l V型电极：芯片上要两个电极 L型电极：相对V型电极，芯片上只需一个电 极，导热功用好，光输出功率高，大电流LED 作业的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 六、LED外延片的切开成芯片 激光切开外延片成芯片 芯片分选机 小 结 l l l MOCVD外延片的制作：包含衬底的挑选、MOCVD 镀膜技能简介、制品外延片的检测。 LED芯片电极的制作。 LED芯片的切开、分选。