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1、*系列讲座-LED 第二讲 半导体LED芯片制造的基本理论和生产技术 五邑大学 应用物理与材料学院 王忆 *系列讲座-LED 一 二 三 主要内容 LED的半导体基本理论 LED芯片的外延 LED芯片的制备 四大功率白光LED技术 *系列讲座-LED 一、 LED的半导体基本理论 *系列讲座-LED 1、发光二极管的工作原理 LED发射的是自发辐射光（非相干光）。大多采用双异质结结构 ，把有源层夹在P型和N型限制层间，但没有光学谐振腔，故无阈值 。LED分为正面发光型和侧面发光型，侧面发光型LED的驱动电流较 大，输出光功率小，但光束发射角小，与光纤的耦合效率高，故入 纤光功率比正面发光型LE
2、D高。 LED发发光原理 半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主 导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连 接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用 于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合， 然后就会以光子的形式发出能量。 *系列讲座-LED 2、发光二极管的基本结构 球透镜 环氧树脂 P层 有源层 N层 发光区 (a)正面发光型 微透镜 P型限制层 有源层 波导层 N型限制层 (b)侧面发光型 *系列讲座-LED 发光二极管发射的是自发辐射光，没有光学谐振腔对波 长的选择，谱线宽，短波长LED谱线宽度为
3、3050nm。 长波长LED的谱线宽度为6120nm。 1300 波长/nm 相 对 光 强 =70nm 3、发光二极管的工作特性-光谱特性 *系列讲座-LED 发光二极管的工作特性-输出光功率特性 正面发光 侧面发光 电流I/mA 发射 光功率 P/mw 0 100 200 300 400 500 LED的一般外量子效率小于10%，驱动电流较小时，P-I特性呈线性，I过大时，由于 PN结发热产生饱和现象，使P-I特性曲线斜率减小。通常LED的工作电流为50100mA ，输出光功率为几mW ，由于发光光束辐射角大，入纤光功率只有几百W。 *系列讲座-LED LED 的频率响应为： 式中， 为调
4、制频率， 是对应于调制频率 的输出光功率， 为少数载流子（电子）的寿命， 定义 为发光二极管的截止频率，当 时， 最高调制频率应低于截止频率。 发光二极管的工作特性-频率特性 *系列讲座-LED 4、LED的频率响应曲线 e = 1.1s e = 2.1s e = 6.4s 调制频率f/MHz 频 率 响 应 10 100 1000 10 0.1 P(f ) *系列讲座-LED LD和LED的一般性能比较 LD LED 工作波长/m 1.3 1.55 1.3 1.55 谱线宽度/nm 12 13 50100 60120 阈值电流Ith/mA 2030 3060 工作电流I/mA 50150 1
5、00150 输出功率P/mW 510 510 15 13 入纤功率P/mW 13 130.10.3 0.10.2 调制带宽B/MHz 5002000 5001000 50150 30100 辐射角/（） 2030 2050 30120 30120 寿命t/h 106107 105106108 107 工作温度 / -2050 -2050 -2050 -2050 *系列讲座-LED 外延工艺：衬底 结构设计 缓冲层生长 N型层生长 发光层生长 P型层生长 退火 检测 外延片 芯片工艺：外延片 设计、加工掩模版 光 刻 离子刻蚀 N型电极 P型电极 划片 分检 包装 芯片生产产的两个最主要的程 序
6、 *系列讲座-LED 二、LED芯片的外延 *系列讲座-LED 磊晶设备MOCVDMOCVD机简介机简介 (MOCVD System Introduction)(MOCVD System Introduction) MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 金属有机化学气相沉积 *系列讲座-LED 30x2 System glovebox vacuum pump (at rear, inside reactor + heater gas mixing system electronic control rack *系列讲座-LED 生产外延
7、片的技术要求极高、难度极大。目前多数 企业生产LED外延片都采用MOCVD这一专业设备。 MOCVD（Meltal-Organic Chemical Vapor Deposition），1968年由洛克威尔公司提出来的一 项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。 该设备集机密机械、半导体材料、真空电子、流体 力学、光学、化学、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光 电子专业设备，主要用于GaN系半导体材料的外延生 长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也 是光电子行业最有发展前途的专业设备之一。 *系列讲座-LED MOCVD *系列讲座-LED 外延片的制程
8、 外延片的生成制作过程非常复杂。首先是将Al2O3衬底放入 昂贵的金属有机化学气相沉积炉（简MOCVD，又称外延炉 ），再通入，族金属元素的烷基化合物（甲基或乙基 化物）蒸汽与非金属（或族金属元素）的氢化物（或 烷基物）气体，在高温下，发生热解发应，生成-或 -族化合物沉积在衬底上，生长出一层厚度仅几微米 的化合物半导体外延层。 长有外延层的GaN片也就是常称的外延片，长完外延片， 接下来就在外延片做测试，符合要求的就是良品，其余为 不良品（电压偏差很大，波长偏短或偏长等）。这样就完 成了LED产业链条的上游部分。 *系列讲座-LED LED 芯 片 工 艺 流 程 图 *系列讲座-LED *
9、系列讲座-LED MOCVD的产能 一台MOCVD月产外延片2000片； 公司现有五台MOCVD，其月产能可达 10000片； 公司计划将引进30台MOCVD，届时一个月 生产60000片外延片！ *系列讲座-LED MOCVD制备外延膜过程 (i)反应气体或反应元素因热裂解由边界层(boundary layer)向 基板表面输送气相扩散，入射原子冲击基板，一部分被反 射，其他吸附于基板上。 (ii)基板表面吸附表面扩散，吸附原子于基板表面上扩散，产 生原子间的二次冲撞而形成团簇(cluster,原子集合体)，或 只在表面上停留某段时间后，再度蒸发解析脱离。 (iii)表面反应，核形成团簇反覆
10、与表面扩散原子冲撞或以单原 子再释放出来，而当原子数超过某一临界值后开始成长， 与邻近的团簇聚合而形成连续膜，大多为三位团簇，但以 二维团簇的方式生长形式也有。 *系列讲座-LED 邊界層 供給排氣 原料 (i)輸送 (氣相擴散) (ii)吸附 表面擴散 (iii)反應，核形成 horizontal gas flow (iv) 解析脫附 (v) 向外擴散 (iv)反应生成物的蒸发解析脱离。 (v) 脱离的反应生成物向外扩散（out diffusion)(气相扩散)。 *系列讲座-LED MOCVD内部反应过程 族的(CH3)3Ga TMGa (三甲基镓) 、(CH3)3In TMIn (三 甲
11、基铟)等，与族特殊气体如：AsH3 (arsine) 砷化氢、 PH3 (phosphine)磷化氢、NH3等，通过特殊载体气流送到 高温的GaAs晶片、人造蓝宝石等晶片上，在Reactor反应 器內的高温下，這些材料发生化学反应，並使反应物沉积 在晶片上，而得到磊晶片上形成一层半导体结晶膜，这样 就能做成半导体发光材料，如发光二极管等 基本化学反应式： 四元TMGa(g) + AsH3(g) GaAs(s) +CH4(g) 蓝光TMGa(g) + NH3(g) GaN(s)+CH4(g)+N2(g)+H2(g) MOCVD反應原理 *系列讲座-LED MOCVD技术与设备的设计与应用,其延伸
12、问题包含多学 科及其原理： 物理、化学、数学、流体力学、热力 学、机械力学、材料学及电磁学等等 Recipe（处方） x MOCVD设备 = 磊晶結果 *系列讲座-LED MOCVD设备及其系統 反应腔 Reactor 气体传输系統 gas mixing system 电控系統 E -Control unit Cooling unit Heater unit Temp. control unit Pressure control unit Glovebox 后端管路抽气系統 Exhaust system Filter Butterfly valve Vacuum Pump gas supply
13、 power Control computer PLC SLC Safety control system Cooling supply 气体探测器 *系列讲座-LED MOCVD Reactors_the market *系列讲座-LED Principle of MOCVD H , N P=10-200 mbar 22 TMGa, AsH 3 TMGa, NH 3 TMIn , PH 3 gas blending reactor high purity, precise mixingsafety GaAs , InP substrate, T 400 - 1200C D 100 rpm p
14、roduction oriented low cost of ownership Ga(CH ) + AsH GaAs + 3CH 3 334 TMAl, TMGa, ,sapphire 5 - Ga(CH ) + NH GaN + 3CH 3 334 scrubbing system H 2 filter unit vacuum pump throttle valve crystal quality, thickness uniformity, reproducibility *系列讲座-LED MOCVD growth boundary layer surface diffusion an
15、d reaction incorporation and growth CH4 = CH3 + H N*+N*=N2 wafer surface mass transfer by diffusion HH H N CH3 Ga CH 3 CH 3 precursor decomposition -radical adsorptionCH3 CH3- radical HH H N Ga CH 3 CH 3 CH 3 H2 H2 H2H2 gas phase *系列讲座-LED MOCVD Growth Criteria Thickness uniformity Composition uniformity Doping concentration uniformity Clean wafer surface On wafer uniformity Wafer to wafer uniformity Run to run stability (reproducibility) Less maintenance (high through-put) *系列讲座-LED 三、LED芯片的制备 *系列讲座-LED 芯片制程 一：芯片前段制程 1.化学区清洗和湿法刻蚀制程：用化学药品对晶片进行有机 物和其
