半导体照明技术(第十章)课件.ppt

1、 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第十章第十章 LEDLED芯片制造技术芯片制造技术本章主要介绍本章主要介绍LED芯片制造工艺流程和制造技术。芯片制造工艺流程和制造技术。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术国内外芯片公司介绍国内外芯片公司介绍 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术所在城市公司名称所在城市公司名称上海蓝宝武汉华灿蓝光科技元茂大晨迪源深圳世纪晶源杭州士兰明芯方大廊坊清芯广州普光石家庄立德南昌联创光电扬州华夏集成晶能大连路美厦门三安济南华光晶宇国内国内( (部分部分)LED Chip Company)LED Chip Company 半半 导导 体体 照照 明明 技

2、技 术术蓝光蓝光LED芯片基本结构芯片基本结构衬底层衬底层：一般为蓝宝石或SiC，目前研究最热的是Si衬底。n n型氮化镓层型氮化镓层：GaN的n型掺杂比较简单，掺杂源为IV族元素Si、Ge、Se等 发光层发光层：为p型或者n型含铟的氮化镓，或非掺杂的氮化铟镓，可通过改变发光杂质的种类来改变禁带宽度，从而改变发出光的波长。p p型氮化镓层：型氮化镓层：多数采用p型AlGaN，掺杂主要是Mg 等II族元素p p型接触层型接触层：一般采用p型GaN，使之与正电极材料达到良好的欧姆接触。 透明导电层：透明导电层：为了将电流有效地分散以达到均匀发光，避免所发的光被p型金属电极衰减。 半半 导导 体体

3、照照 明明 技技 术术Cu Heat SinkingAg ReflectorTransparent ohmic contactP-GaNInGaN/GaN MQWN-GaNITO contact layerN-electrode padLED芯片结构特征 之 单电极芯片基本结构:金属衬底、垂直结构 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术芯片基本结构:SiC 垂直结构LED芯片结构特征 之 单电极 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术GaN-LED芯片的基本结构InGaN MQW active layerSapphire substratep-electrode (Ni/Au)p-elec

4、trode (Ni/Au)p-GaN layern-GaN layerGaN buffer layern-electrode(Ti/Al)LED芯片结构特征 之 双电极 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术芯片基本结构:Flip-chipLED芯片结构特征 之 倒装结构 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术半导体半导体技术与工艺链技术与工艺链 衬底片制备衬底片制备单晶生长、磨单晶生长、磨片、抛光片、抛光 外延生长外延生长 MBE MOCVD MBE MOCVD 芯片制作芯片制作光刻、刻蚀、光刻、刻蚀、蒸发、划片蒸发、划片器件封装器件封装贴片、键贴片、键合、封包合、封包 半半 导导 体体

5、 照照 明明 技技 术术第一节第一节 制造制造LEDLED芯片的工艺流程芯片的工艺流程 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术1 1、半导体单晶生长及衬底片加工、半导体单晶生长及衬底片加工 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 、晶体切割机等高纯原料高纯原料化合物单晶化合物单晶外延用衬底片外延用衬底片 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术n元素半导体的代表为硅（元素半导体的代表为硅（SiSi）和锗（）和锗（GeGe）；）；也称为第一代半导体；也称为第

6、一代半导体；n化合物半导体被称为第二、三代半导体材料，化合物半导体被称为第二、三代半导体材料，代表材料：砷化镓（代表材料：砷化镓（GaAsGaAs）、磷化铟（）、磷化铟（InPInP）、）、氮化镓（氮化镓（GaNGaN）等。）等。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术n 所谓所谓“外延生长外延生长”就是在高真空条件下，采用分就是在高真空条件下，采用分子束外延（子束外延（MBEMBE）、液相外延（）、液相外延（LPELPE）、金属有机化学）、金属有机化学气相沉积（气相沉积（MOCVD)MOCVD)等方法，在晶体衬底上，按照某一等方法，在晶体衬底上，按照某一特定晶面生长的单晶薄膜的制备过程特定

7、晶面生长的单晶薄膜的制备过程 。n半导体外延生长主要采用半导体外延生长主要采用MBEMBE和和MOCVDMOCVD工艺。工艺。蓝宝石衬底蓝宝石衬底n-GaN/u-GaNLM-InGaN p-Al0.25Ga0.75NMQW u-In0.04Ga0.96Np-GaN衬底片衬底片外延片外延片2 2、外延生长、外延生长 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术3 3、芯片制作、芯片制作 在外延片的基础上采用光刻、刻蚀、蒸发、镀膜、电在外延片的基础上采用光刻、刻蚀、蒸发、镀膜、电极制备、划片等半导体工艺制作具有一定功能的结构单极制备、划片等半导体工艺制作具有一定功能的结构单元。主要采用光刻机、元。主要

8、采用光刻机、RIERIE、 PECVD PECVD 、离子注入、化学、离子注入、化学气相沉积、磨片抛光、镀膜机、划片机等半导体工艺设气相沉积、磨片抛光、镀膜机、划片机等半导体工艺设备。备。外延片外延片圆片圆片芯片芯片 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术基本工艺流程基本工艺流程光刻光刻刻蚀刻蚀蒸发蒸发溅射溅射退火处理退火处理解理解理MOCVDMOCVD材料外延生材料外延生长长镀介质膜镀介质膜镀镀 膜膜解理解理/ /划片划片真空包装真空包装 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术MOCVD外延蓝宝石缓冲层N-GaNp-GaNMQW 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术清洗清洗有机物金属

9、离子 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 n区光刻区光刻 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术刻蚀刻蚀Cl2+Bcl3+Ar 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术去胶去胶3#液 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术p电极蒸发电极蒸发 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术P电极光刻 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术P电极腐蚀KI+I2 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术去胶丙酮+酒精 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术P电极合金O2 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术N电极光刻 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术N电极蒸发 半半 导导 体体

10、照照 明明 技技 术术N剥离 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 N退火N2 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术P压焊点光刻 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术P压焊点蒸发 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术P压焊点剥离 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术钝化层沉积气体，功率 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术钝化层光刻 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术钝化层刻蚀 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术钝化层去胶丙酮 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术中道终测检验 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术减薄 半半 导导 体体 照照 明明 技

11、技 术术划片 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术裂片 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术扩膜 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术n划片,裂片工作流程图划片前晶片背面划片后背面划片后,侧视图裂片后,侧视图扩膜后,正视图 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术测试分检 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术总的来说，总的来说，LEDLED制作流程分为两大部分：制作流程分为两大部分： 1 1、首先、首先在衬低上制作氮化鎵（在衬低上制作氮化鎵（GaNGaN）基的外延片，这个过程）基的外延片，这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉(MOCV

12、D)(MOCVD)中完成的。准中完成的。准备好制作备好制作GaNGaN基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。 常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，还有常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，还有GaAsGaAs、AlNAlN、ZnOZnO等材料。等材料。 MOCVDMOCVD是利用气相反应物及是利用气相反应物及族的有机金属和族的有机金属和族的族的NHNH3 3在衬在衬底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面。通过控制温度、底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面。通

13、过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。MOCVDMOCVD外延炉是制作外延炉是制作LEDLED外延片最常用的设备。外延片最常用的设备。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 2 2、然后、然后是对是对LED PNLED PN结的两个电极进行加工，电极加工也是结的两个电极进行加工，电极加工也是制作制作LEDLED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对熔合、研磨；然后对LEDLED毛片进行划片、测试和分选，就可以得毛片进行划片、测

14、试和分选，就可以得到所需的到所需的LEDLED芯片。芯片。 如果芯片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出如果芯片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观变色，来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观变色，金泡等异常。金泡等异常。 蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定芯片，因此会产生夹痕。蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定芯片，因此会产生夹痕。黄光作业内容包括烘烤、上光阻、照相曝光、显影等，若显影黄光作业内容包括烘烤、上光阻、照相曝光、显影等，若显影不完全及光罩有破洞会有发光区残多出金属。芯片在前段工艺不完全及光罩有破洞会有发光区残多出金属。芯片

15、在前段工艺中，各项工艺如清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等中，各项工艺如清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必须使用镊子及花篮、载具等，因此会有芯片电极刮伤作业都必须使用镊子及花篮、载具等，因此会有芯片电极刮伤情形发生。情形发生。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2、掩模、掩模 在薄膜、塑料或玻璃基体材料上制作各种功能图形并在薄膜、塑料或玻璃基体材料上制作各种功能图形并精确定位，以便用于光致抗蚀剂涂层选择性曝光的一种结精确定位，以便用于光致抗蚀剂涂层选择性曝光的一种结构。构。 3、光刻胶、光刻胶 包含有光敏材料，涂覆在衬底上，通过掩模曝光产生包含有光敏材料，涂覆在衬底上

16、，通过掩模曝光产生与掩模相同的图案。分为正胶和负胶。与掩模相同的图案。分为正胶和负胶。 一、光刻技术一、光刻技术1 1、定义：、定义： 在半导体制造中利用光学在半导体制造中利用光学- -化学反应原理和化学、物化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将图形传递到单晶表面或介质层上，形成有理刻蚀方法，将图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。效图形窗口或功能图形的工艺技术。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术4 4、光刻工艺流程、光刻工艺流程 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术二、扩散二、扩散 发光的发光的PNPN结通常是将锌热扩散到结通常是将锌热扩散到N N型外

17、延材料中而形成的。型外延材料中而形成的。 扩散是一种由浓度梯度造成的，以热运动方式进行的杂质扩散是一种由浓度梯度造成的，以热运动方式进行的杂质原子是输运过程，扩散方程为原子是输运过程，扩散方程为22xNDtN通常的扩散过程中片子表面的杂质浓度不变，称恒定表面浓通常的扩散过程中片子表面的杂质浓度不变，称恒定表面浓度扩散，上式方程的解为：度扩散，上式方程的解为：DterfcNDtxerfNtxNss2)21 ()(1 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术三、欧姆接触电极三、欧姆接触电极1 1、欧姆接触欧姆接触 是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于是指金属与半导体的接触，而其接触面的

18、电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区而不在接触面。动区而不在接触面。 2 2、欲形成好的欧姆接触，有两个先决条件、欲形成好的欧姆接触，有两个先决条件（1 1）金属与半导体间有低的界面能障。）金属与半导体间有低的界面能障。 （2 2）半导体有高浓度的杂质掺入。）半导体有高浓度的杂质掺入。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术3 3、发光二极管有效和可靠工作的基本条件之一是应用低阻欧姆、发光二极管有效和可靠工作的基本条件之一是应用低阻欧姆接触电极，该接触要足够厚，以提供合适的引线健合压点和接接触电极，该接触要足

19、够厚，以提供合适的引线健合压点和接触材料之间最小的压降。触材料之间最小的压降。4 4、欧姆接触电极的制作、欧姆接触电极的制作 先在晶片表面上用真空蒸发、溅射、电镀等方法淀积一层先在晶片表面上用真空蒸发、溅射、电镀等方法淀积一层选好的欧姆接触材料，然后在一定温度下合金化。选好的欧姆接触材料，然后在一定温度下合金化。 真空蒸发是最常用的方法，在高真空下用电阻加热或电子真空蒸发是最常用的方法，在高真空下用电阻加热或电子束轰击加热的方法，使被蒸发材料熔化。在低气压下，熔化了束轰击加热的方法，使被蒸发材料熔化。在低气压下，熔化了的蒸发材料表面的原子获得足够的能量得以脱离蒸发源，在半的蒸发材料表面的原子获

20、得足够的能量得以脱离蒸发源，在半导体表面淀积一层接触材料。导体表面淀积一层接触材料。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术四、四、ITOITO透明电极透明电极1 1、应用、应用ITOITO透明电极的原因透明电极的原因 传统的传统的NiAuNiAu合金电极具有非常好的电流扩展功能，但对合金电极具有非常好的电流扩展功能，但对可见光的透过率仅为可见光的透过率仅为60%-70%60%-70%，因此利用氧化铟锡，因此利用氧化铟锡(Indinm-(Indinm-Tin-Oxide,ITO)Tin-Oxide,ITO)透明电极的高可见光透过率和低电阻率是透明电极的高可见光透过率和低电阻率是提高提高LED

21、LED取光效率的有效途径之一。取光效率的有效途径之一。2 2、ITOITO电极的制备电极的制备 ITOITO膜的制备方法有磁控溅射法、蒸发法、喷涂法、气膜的制备方法有磁控溅射法、蒸发法、喷涂法、气相反应法和溶液相反应法和溶液- -凝胶法。凝胶法。3 3、效果、效果 能提高芯片的发光功率，提升幅度达能提高芯片的发光功率，提升幅度达51.8%51.8%。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术五、表面粗化五、表面粗化1 1、粗化的原因、粗化的原因 GaNGaN和空气的折射率分别为和空气的折射率分别为2.52.5和和1.01.0，相差较大，结果在，相差较大，结果在多量子阱内产生的光，能够出射到空气

22、中的临界角大约是多量子阱内产生的光，能够出射到空气中的临界角大约是2222度，因此取光效率很低。通过对度，因此取光效率很低。通过对GaNGaN表面进行粗化处理，形成表面进行粗化处理，形成不规则的凹凸，从而减少或者破坏不规则的凹凸，从而减少或者破坏GaNGaN材料与空气界面处的全材料与空气界面处的全反射，可以提高反射，可以提高LEDLED的取光效率。的取光效率。2 2、效果、效果 对对GaNGaN表面粗化，目前的光输出功率能增加表面粗化，目前的光输出功率能增加20%-50%20%-50%。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术六、激光剥离（六、激光剥离（Laser Lift-off，LLO）

23、1、定义、定义 激光剥离技术是利用激光器的激光能量分解激光剥离技术是利用激光器的激光能量分解GaN/蓝宝蓝宝石界面处的石界面处的GaN缓冲层，从而实现缓冲层，从而实现LED外延片与蓝宝石衬外延片与蓝宝石衬底的分离。底的分离。2、原因、原因 可带来的好处是可将外延片转移到高热导率的热沉上，可带来的好处是可将外延片转移到高热导率的热沉上，做成铜衬底上的垂直结构，可减少因蓝宝石衬底带来的磨做成铜衬底上的垂直结构，可减少因蓝宝石衬底带来的磨片、划片麻烦，而且蓝宝石衬底可重复使用。片、划片麻烦，而且蓝宝石衬底可重复使用。3、该技术的发展过程、该技术的发展过程 1996年美国年美国HP公司创建了公司创建了

24、GaN基材料的激光剥离技术。基材料的激光剥离技术。2003年德国的年德国的Osram公司建立了第一条激光剥离技术的公司建立了第一条激光剥离技术的LED生产线。生产线。4、效果：、效果：发光效率可提升四倍。发光效率可提升四倍。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术七、倒装芯片技术七、倒装芯片技术1 1、为什么要倒装芯片？、为什么要倒装芯片？ AlGaInNAlGaInN二极管外延片通常都生长在绝缘的蓝宝石衬底二极管外延片通常都生长在绝缘的蓝宝石衬底上，欧姆接触的上，欧姆接触的p p电极和电极和n n电极只能制备在外延层的同一侧，电极只能制备在外延层的同一侧，正面射出的光相当一部分将被电极和键

25、合引线所遮挡。另外，正面射出的光相当一部分将被电极和键合引线所遮挡。另外，半透明半透明NiAuNiAu层吸收光，使发光效率受损。层吸收光，使发光效率受损。 倒装芯片技术将蓝宝石一面作为出光面，避免了上述倒装芯片技术将蓝宝石一面作为出光面，避免了上述2 2个因素的光吸收，而且使个因素的光吸收，而且使PNPN结靠近热沉、降低热阻，还提高结靠近热沉、降低热阻，还提高了可靠性。了可靠性。2 2、效果、效果 有报道该技术能使发光效率比正装增加有报道该技术能使发光效率比正装增加1.61.6倍。倍。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术八、垂直结构芯片技术八、垂直结构芯片技术 垂直结构垂直结构LEDLE

26、D具有均匀的电流分布、铜或硅具有比蓝宝具有均匀的电流分布、铜或硅具有比蓝宝石好得多的热导率、低的工作电压等优点，是高功率石好得多的热导率、低的工作电压等优点，是高功率LEDLED的的首选。首选。九、芯片的切割九、芯片的切割 切割发光二极管材料的两种最广泛应用的方法是金刚切割发光二极管材料的两种最广泛应用的方法是金刚刀划片和金刚砂轮磨片。划片机是现今用得最普遍的，它刀划片和金刚砂轮磨片。划片机是现今用得最普遍的，它的划痕截面图是三角形，划的深度一般小于的划痕截面图是三角形，划的深度一般小于0.003cm0.003cm。但对。但对于蓝宝石为衬底的材料，由于蓝宝石硬度较高，基本上采于蓝宝石为衬底的材料，由于蓝宝石硬度较高，基本上采用激光划片技术。用激光划片技术。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第三节第三节 LEDLED芯片结构的发展芯片结构的发展横向结构倒装结构三维垂直结构垂直结构LEDLED芯片结构的发展过程如下：芯片结构的发展过程如下：