LED制程與工藝介紹

產(chǎn)品工藝流程介紹外延工藝部曲偉2017年7月7日01認(rèn)識(shí)LED目錄CONTENTS02半導(dǎo)體簡介03LED簡介04外延基礎(chǔ)05LED外延片測(cè)量CHAPTER01認(rèn)識(shí)LEDLED問世于20世紀(jì)60年代，起源于美國，在日本發(fā)揚(yáng)光大70年代初，美國杜邦化工廠首先研發(fā)出鎵砷磷LED，發(fā)桔紅色，可作儀器儀表指示燈用隨著技術(shù)進(jìn)步，LED發(fā)光顏色覆蓋從黃綠色到紅外的光譜范圍80年代后，用液相外延技術(shù)，制作高亮度紅色LED和紅外二極管90年代半導(dǎo)體材料GaN使藍(lán)、綠色LED光效達(dá)到10Lm，實(shí)現(xiàn)全色化LED發(fā)展史LED優(yōu)點(diǎn)節(jié)能比傳統(tǒng)光源省電50%發(fā)光效率高壽命長理論壽命能夠達(dá)到上萬個(gè)小時(shí)省電，使用壽命長固態(tài)光源，結(jié)實(shí)耐用LED應(yīng)用節(jié)能CHAPTER02半導(dǎo)體簡介半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，室溫電阻率ρ介于金屬與絕緣體之間金屬 <10?6(Ω·cm)半導(dǎo)體10?3～106(Ω·cm)絕緣體>1012(Ω·cm)半導(dǎo)體有兩種載流子電子(electron,negative)和空穴(hole,positive)P-N結(jié)：通過p型和n型半導(dǎo)體材料緊密接觸而形成的結(jié)。半導(dǎo)體種類:單質(zhì)半導(dǎo)體：Si、Ge化合物半導(dǎo)體：GaN、GaAs、GaP、ZnO、SiC半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)CHAPTER03LED簡介LED(LightEmittingDiode)是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。

發(fā)光原理：在外加電場的作用下，電子通過電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體、空穴通過空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體，進(jìn)入量子阱中并相互結(jié)合，發(fā)出不同波長的光。LED基本構(gòu)造LED的發(fā)光顏色：藍(lán)光LED,波長440-470nm之間其中廣泛使用的藍(lán)光發(fā)光二極管主要使用材料為GaNCHAPTER04外延基礎(chǔ)外延生長：(Epitaxy)1928年Royer提出了外延（Epitaxy）一詞，意思是“在……之上排列”。它是指在具有一定結(jié)晶取向的原有晶體（襯底）上延伸出按一定晶體學(xué)方向生長薄膜的方法，這個(gè)薄膜被稱為外延層。2.外延技術(shù)液相外延（LPE）：生長速率快，產(chǎn)量大，但晶體生長難以精確控制。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MetalOrganicChemicalVaporDepositionMOCVD）：精確控制晶體生長、重復(fù)性好、產(chǎn)量大，適合工業(yè)化大生產(chǎn)。氫化物氣相外延（HVPE）：近幾年在MOCVD基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，適應(yīng)于Ⅲ-Ⅴ氮化物半導(dǎo)體薄膜外延生長的一種新技術(shù)。生長速率快，但晶格質(zhì)量較差。分子束外延（MBE）：超高真空系統(tǒng)，可精確控制晶體生長，晶體界面陡峭，晶格質(zhì)量非常好，但生長速率慢，成本高，常用于研究機(jī)構(gòu)。1.應(yīng)用1959年末，外延生長技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，它的應(yīng)用與發(fā)展對(duì)于提高半導(dǎo)體材料的質(zhì)量和器件性能，對(duì)于新材料、新器件的開發(fā)，對(duì)于半導(dǎo)體科學(xué)的發(fā)展都具有重要意義。VeecoK465i

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AixtronCriusii3.幾種MOCVD設(shè)備中微MOCVD反應(yīng)的基本原理：MOCVD：金屬有機(jī)物化合物化學(xué)氣相沉積（MetalOrganicChemicalVaporDeposition）MOCVD是以Ⅲ族元素的有機(jī)化合物和V族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長各種Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。MOCVD的工作原理大致為：當(dāng)有機(jī)源處于某一恒定溫度時(shí)，其飽和蒸汽壓是一定的；通過流量計(jì)控制載氣的流量，就可知載氣流經(jīng)有機(jī)源時(shí)攜帶的有機(jī)源的量；多路載氣攜帶不同的源輸運(yùn)到反應(yīng)室入口混合，然后輸送到襯底處，在高溫作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在襯底上外延生長；反應(yīng)副產(chǎn)物經(jīng)尾氣管路排出。外延工藝基礎(chǔ)Ga(CH3)3+NH3=GaN+3CH4

表面反應(yīng)原理表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、表面移動(dòng)、成核及膜生長外延工藝基礎(chǔ)典型LED外延結(jié)構(gòu)典型LED外延結(jié)構(gòu)PN結(jié)發(fā)光典型LED外延結(jié)構(gòu)n-CladActiveGaNBufferN+-GaN:Sip-GaN:MgWell:InGaNBarrierInGaNSapphirec-planeAl2O3U-GaN/BufferN--GaN:Si外延生長材料常用MO源：TMGa（三甲基鎵，液態(tài)）TMAl（三甲基鋁，液態(tài)）TMIn（三甲基銦，固態(tài)，現(xiàn)已有液態(tài)）TEGa（三乙基鎵，液態(tài)）Cp2Mg（二茂基鎂，固態(tài)，現(xiàn)已有液態(tài)）載氣：純度很高（99.999999%）的H2和N2特氣：高純度（99.9999%）NH3（氨氣，液態(tài)）SiH4（硅烷，氣態(tài)）襯底：Sapphire（藍(lán)寶石襯底）、PSS（圖形化的襯底），SiC襯底,Si襯底外延工藝基礎(chǔ)外延工藝基礎(chǔ)外延工藝基本流程開runorderPSS襯底MOCVD外延工藝產(chǎn)出wafer量測(cè)芯片制程封裝模組目前主要可用于量產(chǎn)的幾種襯底材料：藍(lán)寶石襯底，Si襯底，6H-SiC襯底藍(lán)寶石襯底：價(jià)格適中，晶格失配度適中，化學(xué)穩(wěn)定性好SiC襯底：

價(jià)格昂貴，晶格失配低Si襯底: 價(jià)格便宜，晶格失配最大，難以成長外延工藝基礎(chǔ)PSS:PatternedSapphireSubstrate(圖形化襯底)使用PSS襯底以提高出光效率由于全反射角的存在使得出光效率較低提高生長的晶體質(zhì)量外延工藝基礎(chǔ)CHAPTER05外延片測(cè)量MicroscopePLELXRDBowing觀察表面是否有異常外延片表面等級(jí)判定光致發(fā)光波長強(qiáng)度均勻性電致發(fā)光波長亮度電壓晶體質(zhì)量材料組分周期厚度外延片翹曲度外延片測(cè)量LEI表面電阻什么樣的wafer（外延片）是好的產(chǎn)品？通過光致發(fā)光譜查看生長的wafer的波長分布X射線衍射得到晶體質(zhì)量的數(shù)據(jù)

通過面電阻測(cè)試得到n型半導(dǎo)體的摻雜量（Si摻雜）

通過顯微鏡觀察wafer表面形貌(是否有缺陷存在)

通過芯片制程驗(yàn)證wafer的各項(xiàng)電性能數(shù)據(jù)肉眼觀察下的wafer顯微鏡觀察下的waferAboutLED–LEDProcessRAWWAFEREPITAXYCHIPPROCESSPACKAGEMOD