LED制造技術(shù)與應用(四)

1、LED制造技術(shù)與應用(四) LED芯片的分類和制造工藝介紹芯片的分類和制造工藝介紹2012-3-15一.一. 認識認識LED二.二. 相關基礎知識介紹相關基礎知識介紹 (光學與照明，半導體光學與照明，半導體)三三. LED的結(jié)構(gòu)，發(fā)光原理和特性的結(jié)構(gòu)，發(fā)光原理和特性四.四.LED芯片的分類和制造工藝介紹芯片的分類和制造工藝介紹五.五. LED的封裝介紹的封裝介紹六.六. 白光白光LED的制作的制作七.七. LED的其他技術(shù)指標和測量方法的其他技術(shù)指標和測量方法八.八. 與與LED應用有關的技術(shù)問題應用有關的技術(shù)問題(散熱，二次光學設計，散熱，二次光學設計，ESD)介紹介紹九.九. LED的相關

2、應用的相關應用一.一. 大功率大功率LED的介紹的介紹一一.一一.國內(nèi)外國內(nèi)外LED技術(shù)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢技術(shù)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢十二十二. OLED的介紹的介紹課程主要內(nèi)容2012年3月7日iPad2iPad3iPhone4S分 辨 率1024 X 7682048x1536 960 x640尺 寸9.79.73.5像素密度132 ppi264 ppi326 ppi厚 度8.8 mm9.4 mm/視網(wǎng)膜屏視網(wǎng)膜屏，是指人眼在正常觀察距離 (iPhone, iPad分別定義為10和15英寸) 下，視網(wǎng)膜已經(jīng)無法分辨單個像素，不再出現(xiàn)像素顆粒感，僅能觀察到如絲般細膩的畫面。 iPad3iPad3

3、厚度增加的原因厚度增加的原因 iPad3的解析度相較iPad 2整整高出一倍，雖然像素密度沒有iPhone 4S的高，但是由于平板電腦在使用上距離較手機遠，因此仍無礙整體視覺表現(xiàn)。此外，iPad3在色彩飽和度與演色性方面都比iPad 2提高44%，為使用者帶來更佳的視覺體驗。 由于iPad3為維持高解析度的螢幕表現(xiàn)，必須增加背光模組以維持一定的亮度，蘋果此次采用了左右雙列LED背光矩陣(72顆LED)，如此一來將更加耗電，故須加大電池容量，讓裝置可維持長時間運作，由于電池消耗和LED散熱等問題因而造成厚度增加。背光模組主供應商：瑞儀光電背光模組主供應商：瑞儀光電 1. LED芯片的分類 2.

4、LED芯片的制造工藝介紹 a. 襯底材料的制備 b. 外延片的生長 c. 芯片的加工 1. LED芯片的分類 2. LED芯片的制造工藝介紹 a. 襯底材料的制備 b. 外延片的生長 c. 芯片的加工a. a. 按組成成分分：按組成成分分：二元（GaP、GaAS）、三元（GaAlP、GaAsP）、 四元（InGaAlP）和氮化物芯片。b. b. 按發(fā)光顏色（波長）分：按發(fā)光顏色（波長）分：紅外線紅外線、紅、橙、黃、綠、藍、紫紫全波段芯片。c. c. 按尺寸大小分：按尺寸大小分：6mil、8mil、9mil、10mil、12mil、13mil、14mil、15mil、 20mil、28mil、4

5、0mil、6X8mil、10X12mil等芯片。d. d. 按輸入功率大小分：按輸入功率大小分：小功率(幾十mW)，功率(幾百mW)，大功率(=1W)芯片1mil=0.0254mm1. LED芯片的分類驗鈔驗鈔1.2 常見常見LED分類分類（1）按發(fā)光管發(fā)光顏色分按發(fā)光管發(fā)光顏色分成紅色、橙色、綠色（又細分黃綠、標準綠和純綠）、藍光等。另外，有的發(fā)光二極管中包含二種或三種顏色的芯片。根據(jù)發(fā)光二極管出光處摻或不摻散射劑、有色還是無色，上述各種顏色的發(fā)光二極管還可分成有色透明、無色透明、有色散射和無色散射四種類型。散射型發(fā)光二極管不適合做指示燈用。 （2）按發(fā)光管出光面特征分按發(fā)光管出光面特征分為

6、圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。圓形燈按直徑分為2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。由半值角大小可以估計圓形發(fā)光強度角分布情況。 （3）從發(fā)光強度角分布圖來分有三類： 高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。半值角為520或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或與光檢出器聯(lián)用以組成自動檢測系統(tǒng)。 標準型。通常作指示燈用，其半值角為2045 散射型。這是視角較大的指示燈，半值角為4590或更大，散射劑的量較大。 （4） 按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等結(jié)構(gòu)。 （5）按發(fā)

7、光強度和工作電流分按發(fā)光強度和工作電流分有普通亮度的LED（發(fā)光強度小于10mcd）；超高亮度的LED（發(fā)光強度大于100mcd）；把發(fā)光強度在10100mcd間的叫高亮度發(fā)光二極管。一般LED的工作電流在十幾mA至幾十mA，而低電流LED的工作電流在2mA以下（亮度與普通發(fā)光管相同）。 1. LED芯片的分類 2. LED芯片的制造工藝介紹 a. 襯底材料的制備 b. 外延片的生長 c. 芯片的加工 LED制造流程圖2. LED芯片的制造工藝介紹單晶硅棒 (直拉法)a. 襯底材料的制備襯底材料的制備Intel 45ns處理器晶圓 晶圓晶圓是指硅半導體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形

8、，故稱為晶圓；LED芯片三種襯底襯底材料： 藍寶石（Al2O3） 硅 （Si） 碳化硅（SiC）襯底材料制備工藝流程襯底材料制備工藝流程 襯底(晶圓)制備是指生長單晶棒及之后的切片、磨片、拋光等完成芯片所需基底的一系列工藝過程。定向定向整型整型切片切片磨片，倒角磨片，倒角化學刻蝕化學刻蝕拋光拋光清洗清洗檢查檢查氧化，外延氧化，外延包裝包裝晶體生長晶體生長第一步：晶體生長多晶和單晶結(jié)構(gòu)多晶和單晶結(jié)構(gòu)Polycrystalline structureMonocrystalline structureSiAl2O3 人工晶體制備就是把組成晶體的基元解離后又重新使它們組合的過程。按照解離手段的不同，可

9、以分為溶液法，熔體法和氣相法。單晶制備方法單晶制備方法 超過75%的單晶硅晶圓片都是通過Czochralski(CZ)直拉法生長的。直拉法能夠生成幾百毫米長，直徑可達到幾十毫米的晶體。例如，200毫米長的晶圓的晶體將會重達200kg，需要花費三天時間來生長。CZ提拉法單晶生長提拉法單晶生長CZ法法工藝流程工藝流程生長部分的步驟：生長部分的步驟：u引引晶晶 將籽晶與熔體很好的接觸。 u縮晶縮晶 在籽晶與生長的單晶棒之間縮頸，晶體 最細部分直徑只有2-3mm，獲得完好單晶。 u放肩放肩 將晶體直徑放大至需要的尺寸。u等徑生長等徑生長 拉桿與坩堝反向勻速轉(zhuǎn)動拉制出等徑單晶。 直徑大小由拉升速度、轉(zhuǎn)速

10、，以及溫度控制。 u收尾收尾 結(jié)束單晶生長。CZ法法特點特點:優(yōu)點：工藝成熟，能較好地拉制低位錯、大直徑的硅單晶，大晶體生長容易。缺點：是難以避免來自石英坩堝和加熱裝置的雜質(zhì)污染。Si單晶制備設備圖籽晶晶體砷化鎵熔化物氧化硼層液體掩蓋提拉法單晶生長液體掩蓋提拉法單晶生長GaAs (閃鋅礦結(jié)構(gòu)) 此方法主要用來生長砷化鎵砷化鎵晶體，和標準的直拉法一樣，只是做了一些改進。由于熔融物里砷的揮發(fā)性通常采用一層氧化硼氧化硼漂浮在熔融物上來抑制砷的揮發(fā)。故得其名，如圖所示通入惰性氣體惰性氣體（氬氣）上卡盤多晶硅棒下卡盤熔融區(qū)籽晶滑動射頻線圈行進方向區(qū)熔法單晶生長區(qū)熔法單晶生長 該方法可以獲得最高純度的硅，

11、主要用來生長低氧主要用來生長低氧含量的晶體含量的晶體，但不能生長大直徑的單晶，并且晶體有較高的位錯密度。生長系統(tǒng)如圖所示。Float Zone Crystal GrowthRFGas inlet (inert)Molten zoneTraveling RF coilPolycrystalline rod (silicon)Seed crystalInert gas outChuckChuck 建立坐標系x,y,z，晶體的方向由密勒指數(shù)確定ZXY(100)ZXY(110)ZXY(111)MOS器件雙極器件第二步：晶體定向藍寶石結(jié)晶面示意圖 最常用來做GaN磊晶的是C面(0001)這個不具極性的面

12、。 (a)圖從C軸俯看 (b)圖從C軸側(cè)看藍寶石襯底應用藍寶石襯底應用種類種類 廣大外延片廠家使用的藍寶石襯底分為三種:1:C-Plane1:C-Plane藍寶石基板藍寶石基板 這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍寶石基板面.這主要是因為藍寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對較低、物化性能穩(wěn)定,在C面進行磊晶的技術(shù)成熟穩(wěn)定.2:R-Plane2:R-Plane或或M-PlaneM-Plane藍寶石基板藍寶石基板 主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜,以提高發(fā)光效率.通常在藍寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長的，而c軸是GaN的極性軸，導致GaN基器件有源層量子阱中出現(xiàn)很強的內(nèi)建

13、電場，發(fā)光效率會因此降低，發(fā)展非極性面GaN外延，克服這一物理現(xiàn)象，使發(fā)光效率提高。3: 3:圖案化藍寶石基板圖案化藍寶石基板(Pattern Sapphire Substrate(Pattern Sapphire Substrate簡稱簡稱PSS)PSS) 以成長(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍寶石基板上設計制作出納米級特定規(guī)則的微結(jié)構(gòu)圖案藉以控制LED之輸出光形式，并可同時減少生長在藍寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。 納米圖案化藍寶石襯底示意圖高階勞埃衍射勞埃衍射花樣實例 去掉兩端（種子端和非種子端） 徑向研磨 定

14、位邊研磨 主定位標明了晶體結(jié)構(gòu)的晶向 次定位標明了硅片的晶向和導電類型Diameter grindPreparing crystal ingot for grindingFlat grind第三步：整形 切片就是用有金剛石涂層的內(nèi)園刀片把晶片從晶體上切下來。Internal diameter wafer saw第四步：切片磨片磨片 是一個傳統(tǒng)的磨料研磨工藝。因為用機械方法加工的晶片是 非常粗造 的， 如圖所示，它不可能直接使用，所以必須去除切片工藝殘留的表面損傷。倒角倒角 將邊緣修整成圓弧狀,改善薄片邊緣的機械強度,避免應力集中造成缺陷，減少制造中的邊緣崩邊和損傷。第五步：磨片，倒角 利用化學

15、刻蝕選擇性的去除晶圓表面玷污和損傷。 一般約去除20微米的硅它可以用來去除切、磨過程所產(chǎn)生的機械損它可以用來去除切、磨過程所產(chǎn)生的機械損傷和清洗過程中折優(yōu)腐蝕所造成的表面缺陷傷和清洗過程中折優(yōu)腐蝕所造成的表面缺陷及結(jié)構(gòu)損傷層，能簡便而快速地減薄硅片，及結(jié)構(gòu)損傷層，能簡便而快速地減薄硅片，并對硅片進行可控的邊緣整圓，以減少從邊并對硅片進行可控的邊緣整圓，以減少從邊緣損傷產(chǎn)生二次缺陷或碎片，從而減少拋光緣損傷產(chǎn)生二次缺陷或碎片，從而減少拋光的難度和提高拋光的效果。的難度和提高拋光的效果。第五步：化學刻蝕 普通的磨片完成過后硅片表面還有一個薄層的表面缺陷。現(xiàn)在的拋光是機械加化學，經(jīng)過拋光工藝后使硅片表面真正達到高度平整、光潔如鏡的理想表面。Upper polishing padLower polishing padWaferSlurry第六步：拋光第七步：清洗，檢查，氧化，外延，包裝LED外延片外延片所需所需襯底材料選取的原則襯底材料選取的原則襯底材料是半導體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面： 1結(jié)構(gòu)特性好，外延材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)晶 性能好、缺陷密度小;2界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強;3化學穩(wěn)定性好，在外延生長的溫度