12LED芯片制造的工艺流程

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1、1.2 LED芯片制造的工艺流程,LED芯片制造的工艺流程属LED上游产业靠设备,引言,LED是二极管，是半导体。 本节讨论的LED的制造=LED的芯片制造。 LED的制造工艺和其它半导体器件的制造工艺有很多相同之处。 除个别设备外，多数半导体设备经过改进可以用于LED的制造。,引言,LED芯片制造工艺分三大部分 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，透明导电层。 电极对LED外延片做电极（P极，N极） 。 芯片用激光机切割LED外延片。,内容,一、LED芯片制造设备 二、LED芯片衬底材料的选用 三、LED外延片的制作 四

2、、LED对外延片的技术要求 五、LED芯片电极P极和N极的制作 六、LED外延片的切割成芯片,1、LED芯片制造用设备,外延片的制备： MOCVD：是制作LED芯片的最重要技术。 MOCVD外延炉：是制造LED最重要的设备。一台外延炉要100多万美元，投资最大的环节。 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。,一、LED芯片制造设备,2、MOCVD设备,MOCVD金属有机物化学气相淀积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）,一、LED芯片制造设备,3、光刻机,一、LED芯片制造设备,3、光刻机,一、LE

3、D芯片制造设备,4、刻蚀机,一、LED芯片制造设备,5、离子注入机,一、LED芯片制造设备,6、清洗机,一、LED芯片制造设备,7、划片机,一、LED芯片制造设备,7、划片机,一、LED芯片制造设备,同一功能有不同型号设备选择,8、芯片分选机,一、LED芯片制造设备,9、LED芯片的制造,从以上的的仪器设备可以看出，LED芯片的制造依靠大量的设备，而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。 设备本身的制造也是LED生产的上游产业，一定程度上反映国家的光电子的发展水平。,一、LED芯片制造设备,二、LED芯片衬底材料的选用,LED芯片首要考虑的问题：衬底材料的选用

4、。 选择衬底依据：根据设备和LED器件的要求进行选择。,二、LED芯片衬底材料的选用,三种衬底材料,目前市面上一般有三种材料可作为衬底 蓝宝石（Al2O3） 硅(Si) 碳化硅（SiC） 除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAs、AlN、ZnO等材料。 下面分别介绍三种材料的特点,二、LED芯片衬底材料的选用,1、蓝宝石衬底,蓝宝石衬底的优点： 生产技术成熟、器件质量好； 稳定性很好，能够运用在高温生长过程； 机械强度高，易于处理和清洗。,二、LED芯片衬底材料的选用,1、蓝宝石衬底,蓝宝石衬底应用 GaN基材料和器件的外延层。 对应LED：蓝光（材料决定波长）,二、LED芯片衬底材料的选

5、用,1、蓝宝石作为衬底的LED芯片,芯片也叫晶粒,二、LED芯片衬底材料的选用,1、蓝宝石作为衬底存的一些问题,（1）晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。 （2）无法制作垂直结构的器件，因为蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011cm。,二、LED芯片衬底材料的选用,1、蓝宝石作为衬底存的一些问题,（3）成本增加： 通常只能在外延层上表面制作n型和p型电极。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低。 GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过

6、程中需要较好的设备。 蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。,二、LED芯片衬底材料的选用,1、蓝宝石作为衬底存的一些问题,（4）导热性能不是很好（在100约为25W/（mK）。 为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。,二、LED芯片衬底材料的选用,2、硅衬底,硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。 电极制作：硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Laterial-contact,水平接触）和V接触（

7、Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提高了LED的出光效率。,二、LED芯片衬底材料的选用,2、硅衬底,应用：目前有部分LED芯片采用硅衬底 ，如上面提到的GaN材料的蓝光LED,二、LED芯片衬底材料的选用,3、碳化硅衬底,美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底,二、LED芯片衬底材料的选用,3、碳化硅衬底特点,电极：V型电极设计，电流是纵向流动的，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同

8、时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。 导热：碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数为490W/(mK)）要比蓝宝石衬底高出10倍以上。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。 成本：但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。,二、LED芯片衬底材料的选用,4、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片,二、LED芯片衬底材料的选用,4、三种衬底的性能比较,二、LED芯片衬底材料的选用,三、LED外延片的制作,外延片制作技术分类 1、液相外延：红色、绿色LED外延片。 2、气相外

9、延：黄色、橙色LED外延片。 3、分子束外延 4、金属有机化学气相沉积外延MOCVD,三、LED外延片的制作,2、MOCVD设备工作原理,载流气体,金属有机反应源,反应腔,一、LED芯片制造设备,反应通气装置,真空泵,阻断装置,压力控制,2、MOCVD设备工作原理说明,MOCVD成长外延片过程 载流气体通过金属有机反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的基板上面发生化学反应促成薄膜的成长。 因此是一种镀膜技术，是镀膜过程。,一、LED芯片制造设备,MOCVD方法,影响蒸镀层的生长速率和性质的因素： 温度 压力 反应物种类 反应物浓度 反应时间 衬底种类

10、衬底表面性质等 参数由MOCVD软件计算，自动控制完成，同时要实验修正摸索。,三、LED外延片的制作,MOCVD方法,外延片生长中不可忽视的微观动力学问题 反应物扩散到衬底表面 衬底表面的化学反应 固态生长物的沉积 气态产物的扩散脱离,三、LED外延片的制作,MOCVD方法,反应气体在衬底的吸附 表面扩散 化学反应 固态生成物的成核和生长 气态生成物的脱附过程等 注意：反应速率最慢的过程是控制反应速率的步骤，也是决定沉积膜组织形态与各种性质的关键。,三、LED外延片的制作,MOCVD反应系统结构,进料区 反应室 废气处理系统,三、LED外延片的制作,MOCVD反应系统的技术要求,提供洁静的环境

11、。 反应物抵达衬底之前应充分混合，以确保外延层的成分均匀。 反应物气流需在衬底的上方保持稳定的流动，以确保外延层厚度均匀。 反应物提供系统应切换迅速，以长出上下层接口分明的多层结构。,三、LED外延片的制作,MOCVD参数实例,南京大学省光电信息功能材料重点实验室使用,三、LED外延片的制作,MOCVD参数实例,系统简介 本系统为英国Thomas Swan公司制造，具有世界先进水平的商用金属有机源气相外延(MOCVD)材料生长系统，可用于制备以GaN为代表的第三代半导体材料。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、高效率太阳能电池、高频大功率电子器件领域中具有广

12、泛的应用。,三、LED外延片的制作,MOCVD参数实例,该设备承担并完成国家“863”、国防“973”计划项目和江苏省自然科学基金等多项研究任务。首次用MOCVD方法在LiAlO2衬底上实现非极化GaN/InGaN量子阱生长和LED器件制备，成果达到同期国际水平；研制的新型半导体InN材料其相关技术达到国际先进水平；制备高质量的用于紫外探测器结构材料性能指标达到国际先水平。,三、LED外延片的制作,MOCVD参数实例,设备参数和配置： 外延片32 英寸/炉 反应腔温度控制：1200 压力控制：0800Torr（1 Torr133.32Pa ） 激光干涉在位生长监测系统 反应气体：氨气，硅烷（纯

13、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),三、LED外延片的制作,国产MOCVD设备,中国电子科技集团公司第四十八研究所,上游产业,一、LED芯片制造设备,2、国产MOCVD设备指标,产品描述：GaN-MOCVD设备是集精密机械、电子、物理、光学、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电子专用设备，用于GaN系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫色LED芯片的制造，是国家半导体照明（白光LED）工程实施中最为关键的芯片制造设备，也是光电

14、子行业最有发展前景的专用设备。,一、LED芯片制造设备,2、国产MOCVD设备指标,生产能力：2（1英寸=25.4mm）基片，6片/批； 基片温度及精度：30012001； 升温速度：10 /s； 载片台转速：10200rpm（转数/分）； 反应室压控范围：0.010.13Mpa； 界面友好，操作简单。,一、LED芯片制造设备,2、MOCVD设备操作培训与就业,2008年7月24日，中国（深圳）国际半导体照明展览会期间， “MOCVD技术国际短期培训班”。最新的MOCVD技术。 “GaN基发光二极管结构表征方法” “基于MOCVD生产的高功率光电子器” “MOCVD硬件及维护” “用于产品监测

15、的光学在位测量技术发展近况”,一、LED芯片制造设备,设备的操作与维护及其重要,3、重要的MOCVD,MOCVD已经成为工业界主要使用的镀膜技术。 使用MOCVD这种镀膜技术制作LED的外延片，即在衬底上镀多层膜。 外延片是LED生产的上游产业，在光电产业中扮演重要的角色。 有些专家经常用一个国家或地区拥有MOCVD外延炉的数量来衡量这个国家或地区的光电行业的发展规模。,三、LED外延片的制作,四、LED对外延片的技术要求,1、外延材料具有适合的禁带宽度 2、外延材料的发光复合几率大 3、 p型n型两种外延材料的电导率要高 4、外延层的完整性,四、LED对外延片的技术要求,1、外延材料具有适合

16、的禁带宽度,禁带宽度决定发射波长： =1240/Eg LED的峰值发射波长（nm） Eg外延材料的禁带宽度（eV） Eg由材料性质决定，可以通过调节外延材料的组分调整Eg。,四、LED对外延片的技术要求,2、外延材料的发光复合几率大,LED的发光原理：pn结处的空穴和电子的复合发光，同时伴有热产生，复合几率大，则发光效率高。 InGaAlP材料，调整Ga-Al组分，改变Eg，得到黄绿到深红的LED波长。但改变组分的同时使得直接跃迁半导体材料变为间接跃迁，影响发光效率。,四、LED对外延片的技术要求,3、 p型n型两种外延材料的电导率要高,影响电导率的因素：掺杂浓度、温度、均匀性。 掺杂浓度：不应小于11017/cm3 参杂温度：MOCVD反应腔温度及材料特性 参杂均匀型： MOCVD气流平稳、气压,四、LED对外延片的技术要求,4、外延层的完整性,外延层的完整性：晶体的错位和空位缺陷，氧气等杂质。 影响完整性的因素：不同的外延技术、同一外延技术不同的设备，同一设备不同的操作人员。,四、LED对外延片的技术要求,5、外延片检测,表面平整度 厚度的均匀