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LED芯片及其制备,四、LED芯片的制备及应用,主要内容,一、 半导体材料,二、LED芯片组成与分类,三、LED芯片用衬底材料,一、 半导体材料,半导体材料(semiconductor material) 是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在1mcm1Gcm范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。,20世纪初 元素半导体 硅(Si) 锗(Ge),20世纪50年代 化合物半导体 砷化镓(GaAs) 铟磷(InP),20世纪90年代 宽禁带化合物半导体 氮化镓(GaN) 碳化硅(SiC) 氧化锌(ZnO),不是所有的半导体材料都能发光,半导体材料分为直接带隙材料和间接带隙材料,只有直接带隙材料才能发光。,直接带隙材料 电子可在导带带底垂直跃迁到价带带顶,它在导带和价带中具有相同的动量,发光率高。 用于发光的直接带隙材料有GaAs、AlGaAs、InP、InGaAsP等。,间接带隙材料 电子不能在导带带底垂直跃迁到价带带顶,它在导带和价带中的动量不相等,这种间接带隙材料很难发光,即便能发光,效率也很低。 因此必须有另一粒子参与后使动量相等,这个粒子的能量为Ep,动量为kp。,GaP,LED芯片又称LED芯片,英文叫做CHIP,它是制作LED器件的主要材料,由磷化鎵(GaP),鎵铝砷(GaAlAs),或砷化鎵(GaAs),氮化鎵(GaN)等材质组成,其内部结构为一个PN结,具有单向导电性。,二、LED芯片组成与分类,芯片按发光亮度分类可分为: 一般亮度:R(红色GAaAsP 655nm)、H ( 高红GaP 697nm )、 G ( 绿色GaP 565nm )、Y ( 黄色GaAsP/GaP 585nm )、E(桔色GaAsP/GaP 635nm )等; 高亮度:VG (较亮绿色GaP 565nm )、VY(较亮黄色 GaAsP/ GaP 585nm )、SR( 较亮红色GaA/AS 660nm ); 超高亮度:UGUYURUYSURFUE等。,AS 芯片Absorbable structure (吸收衬底)芯片,各单色纯芯片发光的LED,芯片按组成元素可分为: 二元晶片(磷镓):HG等; 三元晶片(磷镓 砷):SR(较亮红色GaA/AS 660nm)、 HR (超亮红色GaAlAs 660nm)、UR(最亮红色GaAlAs 660nm)等;, 四元晶片(磷铝镓铟):SRF( 较亮红色 AlGalnP )、HRF(超亮红色 AlGalnP)、URF(最亮红色 AlGalnP 630nm)、VY(较亮黄色GaAsP/GaP 585nm)、HY(超亮黄色 AlGalnP 595nm)、UY(最亮黄色 AlGalnP 595nm)、UYS(最亮黄色 AlGalnP 587nm)、UE(最亮桔色 AlGalnP 620nm)、HE(超亮桔色 AlGalnP 620nm)、UG (最亮绿色 AIGalnP 574nm) LED等。,借此可以控制LED所发出的光的波长,也就是光谱或颜色。 目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。 LED工作电压低(仅1.53V),能主动发光且有一定亮度,亮度又能用电压(或电流)调节。,LED的发光颜色、发光效率与制作LED的材料和制程有关,1. LPE: 液相磊晶法 GaP/GaP; VPE: 气相磊晶法 GaAsP/GaAs; MOVPE:有机金属气相磊晶法) AlGaInP、GaN;,芯片按磊晶种类:,三、LED芯片用衬底材料,优点:生产技术成熟,器件质量较好,稳定性很好;机械强度高,易于处理和清洗。 存在的问题:晶格失配和热应力失配,会在外延层中产生大量缺陷;蓝塞石是一种绝缘体,在上表面制作两个电极,造成了有效发光面积减少;增加了工艺过程,制作成本高。, 蓝宝石衬底,电流可以纵向流动(V接触),因此增大了LED的发光面积,从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体,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。, 硅衬底,目前有部分LED芯片采用硅衬底。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(Vertical-contact,垂直接触)。,V型电极芯片结构通常为单电极结构;L型电极的芯片结构通常为双电极结构。,碳化硅衬底(CREE公司专门采用SiC材料作为衬底)的LED芯片,电极是V型电极,电流是纵向流动的。 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。碳化硅的热导率为490 W/(mK),要比蓝宝石衬底高出10倍以上。, 碳化硅衬底,衬底与外延膜的结构匹配 衬底与外延膜的热膨胀系数匹配 衬底与外延膜的化学稳定性匹配 材料制备的难易程度及成本的高低,半导体单晶生长及衬底片加工,清洗(Cleaning) 拋光(Polishing) 檢查(Inspection),晶棒成長 切片(Slicing) 研磨(Lapping),原料长晶定向掏棒滚磨晶棒定向切片研磨倒角抛光清洗基片,通过对高纯原料熔融、化合物单晶生长、切割、磨片、抛光、真空包装等工艺,制成外延生长用衬底片。包括单晶生长炉、抛光机 、变频行星式球磨机 、晶体切割机等,基本工艺流程,四、LED芯片的制备及应用,在半导体基片上形成一个与基片结晶轴同晶向的半导体薄层,称为半导体外延生长技术,所形成的薄层称为外延层,P、N极的分离表现为元素掺杂度的不同,依制程的不同,可分为LPE(液相磊晶)、MOCVD(有机金属气相磊晶)及MBE(分子束磊晶)。 LPE的技术较低,主要用于一般的发光二极管 MBE的技术层次较高,容易成长极薄的磊晶,且纯度高,平整性好,但量产能力低,磊晶成长速度慢。 MOCVD除了纯度高,平整性好外,量产能力及磊晶成长速度亦较MBE为快,所以现在大都以MOCVD来生产。,MOCVD,其过程首先是将GaN衬底放入昂贵的有机化学气相沉积炉(简MOCVD,又称外延炉),再通入III、II族金属元素的烷基化合物(甲基或乙基化物)蒸气与非金属(V或VI族元素)的氢化物(或烷基物)气体。 在高温下,发生热解反应,生成III-V或II-VI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。,双气流MOCVD生长GaN装置,MOCVD 英国Thomas Swan公司制造,具有世界先进水平的商用金属有机源汽相外延(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,外延片,为什么有个缺口呢?,倒角:晶片经过切割后边缘表面有稜角毛刺崩边甚至有裂缝或其它缺陷,边缘表面比较粗糙。为了增加切片边缘表面机械强度、减少颗粒污染,就要将其边缘磨削呈圆弧状或梯形。,光刻胶,ITO,P-GaN,金电极,衬底,缓冲层,N-GaN,MQW,外延片,ITO,光刻ITO,甩 胶,前 烘,曝 光,显 影,坚 膜,腐 蚀,ITO氧化铟锡是Indium Tin Oxides的缩写。 作为纳米铟锡金属氧化物,具有很好的导电性和透明性,可以切断对人体有害的电子辐射,紫外线及远红外线。因此,喷涂在玻璃,塑料及电子显示屏上后,在增强导电性和透明性的同时切断对人体有害的电子辐射及紫外线、红外线。,掩膜板,光刻ITO,甩胶:将少许光刻胶滴在外延片上,用匀胶台在高速旋转 后形成均匀的胶膜。 前烘:使光刻胶的溶剂挥发,用于改善光刻胶与样品表面的 粘附性。 曝光:用紫外光通过光刻板曝光,曝光的区域发生化学变化。,曝光原理图,手动曝光机,显影后的图形,腐蚀:用36%-38%的盐酸腐蚀ITO,显影:用显影液除去应去掉部分的光刻胶,已获得腐蚀时由 胶膜保护的图形。,后烘:使光刻胶更坚固,避免被保护的地方发生腐蚀,掩膜板,光刻电极,显影后的图形,蒸发,剥离,合金,减薄,减薄:减小衬底厚度,利于切割、散热,激光划片,蒸发原理图,贴膜,白膜:宽度为16cm,粘性随温度的升高增加;,划片,激光打在蓝宝石衬底上,所用激光为紫外光,波长为355nm。,为了更好的把圆片裂开,需要让激光打在管芯轨道的中央位置,调节激光的焦距,使激光聚焦在片子上表面,激光的划痕深度尽量在25-30um。,倒膜,蓝膜:宽度22cm 倒膜时衬底朝上,有电极的一面朝下。,从分选机上卸下来的蓝膜比较小,不便于包装、运输。必须把芯片放在比较大的、美观的东西上面。 倒膜要倒两次,因为芯片工作是在正面,所以正面不应该接触附着物,否则会影响光电特性。,裂 片 设 备,裂片,裂片前我们在片子上贴一层玻璃纸,防止裂片时刀对管芯的破坏。,扩膜,由于LED芯片在划片后依然排列紧密,间距很小(约0.1mm),不利于后工序的操作。采用扩膜机对芯片的膜进行扩张,使LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。,测试分拣,测试,分拣,VF(正向电压) IR(反向漏电流) WLD(波长) LOP(光输出),
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