LED基础知识及外延工艺
LED基础知识培训(芯片)
LED基础知识培训
二、外延片
外延片是指用外延工艺在衬底表面生长薄膜所生片的单晶硅片。一般外 延层厚度为2-20微米，作为衬底的单晶硅片厚度为610微米左右。 外延工艺：外延生长技术发展于20世纪50年代末60年代初，为了制造高 频大功率器件，需要减小集电极串联电阻。生长外延层有多种方法，但 采用最多的是气相外延工艺，常使用高频感应炉加热，衬底置于包有碳 化硅、玻璃态石墨或热分解石墨的高纯石墨加热体上，然后放进石英反 应器中，也可采用红外辐照加热。为了克服外延工艺中的某些缺点，外 延生长工艺已有很多新的进展：减压外延、低温外延、选择外延、抑制 外延和分子束外延等。外延生长可分为多种，按照衬底和外延层的化学 成分不同，可分为同质外延和异质外延；按照反应机理可分为利用化学 反应的外延生长和利用物理反应的外延生长；按生长过程中的相变方式 可分为气相外延、液相外延和固相外延等。
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三、LED外延片工艺流程如下：
衬底 - 结构设计 - 缓冲层生长 - N型GaN层生长 - 多量子阱发光层生 - P型GaN层生长 - 退火 - 检测（光荧光、X射线） - 外延片 外延片- 设计、加工掩模版 - 光刻 - 离子刻蚀 - N型电极（镀膜、退 火、刻蚀） - P型电极（镀膜、退火、刻蚀） - 划片 - 芯片分检、分 级 重点设备：金属有机物化学气相淀积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称 MOCVD）， 1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项 制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该设备集精密机械、半导体材料、 真空电子、流体力学、光学、化学、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光电子专用设备，主要用于 GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管 芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。
LED器件外延工艺概括
1.3按发光类型分： 表面发光型: 光线大部分从芯片表面发出 五面发光型： 表面，侧面都有较多的光线射出
1.4按发光颜色分： 红，橙，黄，黄绿，纯绿，蓝绿， 蓝，紫光 1.5按芯片的大小尺寸分： 8mil 9mil 10mil 12mil (红，橙，黄，黄绿）12mil 14mil （蓝，绿，紫光） 1.6按功耗分:低功率(毫瓦级),中功率(百毫瓦级), 高功率(大 于1W)
蓝光LED
到20世纪90年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的LED。 在很长的一段时间内都无法提供发射蓝光的LED
第一个有历史意义的蓝光LED也出现在90年代早期（日亚公司1993宣布，中 村修二博士发明），再一次利用金钢砂—早期的半导体光源的障碍物。依当 今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光LED一样光源暗淡。
第二种方法是：在蓝色LED芯片上涂敷绿色和红色荧光粉，通过芯片 发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光。该类产品虽 显色性较好，但所用荧光粉的转换效率较低，尤其是红色荧光粉的 效率需要较大幅度的提高，因此推广也较慢。
白光LED的实现方法
第三种方法：在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧 光粉，利用该芯片发射的长波紫外光（370nm－380nm）或紫光 （380nm－410nm）来激发荧光粉，从而实现白光发射。该种LED的显 色性更好，但存在与第二种方法类似的问题，且目前转换效率较高 的红色和绿色荧光粉多为硫化物体系。这类荧光粉发光稳定性差、 光衰较大，故还没批量使用。
其他方法： 在特殊的场合，白光LED还有其他几种封装方法。这里简单的介
绍一下： 第一种：将红、蓝、绿三芯片封装在一起，按照一定的比例对其光 色进行控制，混出白光。 第二种：实现方法是用红、蓝、绿、黄四芯片混出白光。
LED基础知识培训-外延、芯片_图文(精)
LED基础知识培训-外延、芯片王立 2009-3-16 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation内容提要 1 2 3 4 LED器件基础知识 LED器件基础知识 LED材料生长 LED材料生长 LED芯片制造芯片制造高效率LED芯片设计芯片设计高效率 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 1、半导体发光的概念发光是物体内部以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。
发光是一种非平衡辐射。
区分各种非平衡辐射的宏观光学参量是辐射期间—去掉激发后辐射还可延续的时间。
发光的辐射期间在10-11秒以上。
Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识半导体发光的不同形态粉末发光。
薄膜发光。
结型发光。
通常所说的半导体发光是指结型发光——器件的核心在于p-n结。
半导体照明技术是结型电致发光和粉末光致发光的结合。
Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 2、半导体发光的研究历史 1907 ! Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 1923, O.W. Lossev of Russia reported electroluminescent light emission in silicon carbide crystals. 1937, F. Destriau of France reported (field-excited electroluminescence of zinc sulfide powders. 1939 – 1944 World War II 1951 – Solid State Lighting potential resurfaced when a team of researchers led by Kurt Lehovec started to investigate the electroluminescent potential of silicon carbide. 1962 – Nick Holonyak Jr, working at General Electric, gave the first practical demonstration of LEDs. 1968 – HP Labs develops the first commercially available light-emitting diode. GE, Bell Labs make the same claim. LEDs were first invented in England, Korea and China as well, depending upon who you talk to. …… 1994 –高亮度蓝光LED实现产业化，半导体照明成为可能。
完整版LED基础知识及外延工艺共44页
21、静念园林好，人间良可辞。 22、步步寻往迹，有处特依依。 23、望云惭高鸟，临木愧游鱼。 24、结庐在人境，而无车马喧；问君 何能尔 ？心远 地自偏 。 25、人生归有道，衣食固其端。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 —Байду номын сангаас左
LED外延片外延工艺
文档本源为 : 从网络收集整理.word版本可编写.欢送下载支持.LED 外延片外延工艺由 LED工作原理可知，外延资料是 LED的核心局部，事实上， LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数根本上取决于外延资料。
发光二极管对外延片的技术主要有以下四条：①禁带宽度适合。
②可获取电导率高的P 型和 N型资料。
③可获取完满性好的优异晶体。
④发光复合几率大。
外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在，金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical VaporDeposition ，简称 MOCVD)技术生长 III-V族，II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。
II 、III族金属有机化合物平时为甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3 ， Al(CH3)3 ，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3 等，它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。
用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸汽，与V 族的氢化物 ( 如 NH3， PH3，AsH3)混淆，再通入反响室，在加热的衬底表面发生反响，外延生长化合物晶体薄膜。
MOCVD拥有以下优点：用来生长化合物晶体的各组份和混淆剂都能够以气态方式通入反响室中，能够经过控制各种气体的流量来控制外延层的组分，导电种类，载流子浓度，厚度等特色。
因有抽气装置，反响室中气体流速快，对于异质外延时，反响气体切换很快，能够获取陡峭的界面。
外延发生在加热的衬底的表面上，经过监控衬底的温度能够控制反响过程。
在必然条件下，外延层的生长速度与金属有机源的供给量成正比。
MOCVD及相关设备技术睁开现状：MOCVD技术自二十世纪六十年代第一提出以来，经过七十至八十年代的发展，九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子资料外延片制备的核心生长技术。
目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子资料生产中获取广泛应用。
日本科学家 Nakamura将 MOCVD应用氮化镓资料制备，利用他自己研制的MOCVD设备 ( 一种特别特其他反响室结构 ) ，于 1994 年第一世产出高亮度蓝光和绿光发光二极管， 1998 年实现了室温下连续激射 10,000 小时，获取了划时代的进展。
LED外延片工艺流程
LED外延片工艺流程
第一步：材料准备
材料准备是整个工艺流程的第一步，主要包括液态外延源材料的配制，包括金属有机气相外延（MOVPE）的源气体、溶液或粉末，以及外延基片
的选择。
材料的选取和配制在工艺中起着至关重要的作用，决定了外延片
的质量和性能。
第二步：晶体生长
晶体生长是外延片工艺的核心步骤，它包括将材料加热到适当的温度，使其在外延基片上生长出晶体。
晶体生长的方法有多种，如流体外延法（MOCVD）、气相外延法（VPE）等。
晶体生长的条件和参数需要根据具体
材料和器件要求进行调整。
第三步：原始外延片加工
在晶体生长完成后，外延片需要进行一系列的加工步骤，以得到符合
要求的外延片。
这些加工步骤包括外延片去掉残留的外延材料、切割成适
当大小的片状、进行化学机械抛光（CMP）等。
第四步：表面处理
表面处理是为了提高外延片的表面质量和电学特性。
它包括去除表面
污染物、改善表面平整度、提高表面光洁度等。
常用的表面处理方法有氧化、化学溶液处理、离子注入、聚焦离子激活、成键等。
第五步：测试
测试是对外延片进行性能测量和质量检验的过程。
通过测试，可以评估外延片的电学特性、光电特性和可靠性，以确保其质量符合产品要求。
常用的测试方法包括IV测试、光谱测试、X射线衍射、显微镜观察等。
以上是一个大致的LED外延片工艺流程，不同的企业和研究机构可能会有一些微小的差异。
随着科技的进步和工艺的不断优化，LED外延片工艺流程也在不断演变，以提高LED器件的性能和可靠性。
LED基础知识及外延工艺课件
Create the Light, Light the W
MOCVD简介
表面反应原理
Ga(CH3)3 + NH3 = GaN +3CH4
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
MOCVD简介
工艺材料
波长λ（nm)
780～630 630～600 600～570 570～500 500～470 470～420 420～380
代表波长
700 620 580 550 500 450 420
• 光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带 宽度Ｅg有关，即 λ≈1240/Eg（mm）
• 电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量 ，大小为禁带宽度Eg。
在500-600度。
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
典型LED外延结构
2. uGaN
• U1层(Rough)，形成结晶质量较高的晶核 ，并以之为中心形成岛状生长。
• 首先在停止通入TMGa的情况下升至高温 ，在高温高压条件下，Buffer中结晶质量 不好的部分被烤掉，留下结晶质量较高 的晶核。此时反射率将下降至衬底本身 的反射率水平。
发光原理：在外加电场的作用下,n型半导体载流子电子、p型半导体载流子空 穴，这两种载流子进入量子阱中并相互结合，发出不同波长的光。
Create the Light, Light the World
LED基本构造 3E Semiconductor
GaN 简介
六方纤锌矿结构的GaN
GaN是宽禁带直接带隙半导体，禁带宽度约为3.4ev.
LED工艺流程完美讲解
LED工艺流程完美讲解LED（Light Emitting Diode）即发光二极管，是一种能够将电能转化为光能的半导体器件。
LED具有高效能、长寿命、节能环保等优点，广泛应用于照明、显示屏幕、信号传输等领域。
一、晶圆制备：晶圆是LED芯片的基础材料，一般采用氮化铝晶圆。
该步骤主要包括基片选择、基片清洗、基片架放置、磨割加工等。
基片清洗能够去除表面污染物，确保芯片质量。
二、外延生长：外延生长是指在晶圆表面逐渐沉积LED材料的过程，主要材料为三五族化合物，如氮化镓等。
该步骤是制备LED芯片的关键，需要严格控制温度、气压、混合气体比例等因素，以保证外延层的质量。
三、击晶：在外延层上，通过模具或激光刻蚀的方式，将外延层进行形状切割，形成各个LED芯片的形状。
击晶的过程需要精确控制切割深度和角度，以免损坏芯片。
四、脱胶：击晶的过程中，会在芯片表面形成胶层。
脱胶的目的是去除这些残留的胶层，以保证后续工序的顺利进行。
常用的脱胶方法包括化学脱胶和热脱胶。
五、划线：划线是在芯片表面进行金属线的印制，以连接芯片的正负极。
划线主要使用导电胶或金线，需要精细操作以保证线的精确位置和质量。
六、加工：加工步骤包括剥薄、抛光、荧光粉涂覆等。
剥薄是指将芯片由外延层剥离，使其达到所需的光学效果。
抛光是为了使外观更加光滑，提高反射率。
荧光粉涂覆是为了增强LED的发光效果。
七、金球焊接：金球焊接是将金属线与LED芯片连接的过程。
焊接方式包括热压焊接、超声波焊接等。
金球焊接需要高精度的设备，以确保焊接的稳定性和可靠性。
八、封装：封装是将LED芯片置于LED灯泡或LED显示屏等外壳中，以便安装和使用。
封装过程包括金膏涂覆、打枪、密封等步骤。
金膏涂覆是为了在芯片上形成保护层，提高散热能力。
打枪是将芯片固定在片头，以确保芯片位置准确。
密封是将芯片与外壳连接，并填充封装胶，以保护芯片。
九、测试：测试是对已封装的LED产品进行功能、亮度、颜色等方面的检测。
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典型LED外延结构
1. Buffer
• 由于衬底（Al203）与GaN材料的晶格失 配较大，故在生长GaN之前需要生长一层 薄薄的缓冲层，我们将其称为Buffer层。
•
• •
高压、低温条件下通入TMGa，在衬底表面 快速沉积一层缓冲层。由于晶格失配，此 时GaN结晶质量较差。 反射率曲线上升。 目前通用的是低温GaN缓冲层技术。大约 在500-600度。
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3E Semiconductor
MOCVD简介
表面反应原理
Ga(CH3)3 + NH3 = GaN +3CH4
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3E Semiconductor
MOCVD简介
工艺材料
半导体简介
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，室温电阻率ρ介于金 属与绝缘体之间
金属 < 10−6 (Ω·cm) 半导体 10−3 ∼ 106 (Ω·cm) 绝缘体 > 1012 (Ω·cm)
半导体有两种载流子 电子(electron, negative)和空穴(hole, positive)
它可以直接把电转化为光。
发光原理：在外加电场的作用下,n型半导体载流子电子、p型半导体载流子空
穴，这两种载流子进入量子阱中并相互结合，发出不同波长的光。
LED基本构造
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3E Semiconductor
GaN 简介
六方纤锌矿结构的GaN
• 通常可以用波长来表达人眼所 能感受到的可见光的辐射能量。
人眼所能见的可见光的光波只占宽阔的电磁 波谱家族中的很小空间。
各种颜色光的波长
光色
红（Red） 橙（Orange） 黄（Yellow） 绿（Green） 青（Cyan） 蓝（Blue） 紫（Violet）
波长λ（nm)
780～630
代表波长
P-N结：通过p型和n型半导体材料紧密接触而形成的结。 半导体种类: • 单质半导体：Si、Ge • 化合物半导体：GaN、GaAs、GaP、ZnO、SiC
Create the Light, Light the World 3E Semiconductor
半导体简介
N-tape
P-tape
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MOCVD简介
MOCVD反应的基本原理
MOCVD 的工作原理大致为：当有机源处于某一恒定温度时，其饱和蒸汽压是一定 的；通过流量计（MFC）控制载气的流量，就可知载气流经有机源时携带的有机源 的量；多路载气携带不同的源输运到反应室入口混合，然后输送到衬底处，在高温
作用下发生化学反应，在衬底上外延生长；反应副产物经尾气管路排出。
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3E Semiconductor
典型LED外延结构
4. MQW
• 超晶格结构发光层，主要由阱与垒反复叠加构 成。 当In原子取代Ga原子时，GaN的禁带宽度将变小， 构成MQW中的阱层。阱层很薄，和垒层相间分布， 将使注入的载流子在外延生长的方向受到限制， 从而提高电子空穴对的空间浓度，加大复合发 光的几率，提高发光效率。 MQW层使用TEGa提供Ga源。阱层的温度和In源的 掺杂浓度决定了发光波长。垒层使用相对较高 的温度以提高结晶质量。
700
630～600
600～570 570～500 500～470 470～420 420～380
620
580 550 500 450 420
• 光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带
宽度Ｅg有关，即 λ≈1240/Eg（mm） • 电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量， 大小为禁带宽度Eg。
2. 外延技术
• 液相外延（LPE）：生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。 • 金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition MOCVD）： 精确控制晶体 生长、重复性好、产量大，适合工业化大生产。 • 氢化物气相外延（HVPE）：近几年在MOCVD基 础上发展起来的，适应于Ⅲ-Ⅴ 氮化物半导体薄膜 外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量 较差。 • 分子束外延（MBE）：超高真空系统，可精确控 制晶体生长，晶体界面陡峭 ， 晶格质量非常好， 但生长速率慢，成本高，常用于研究机构。
GaN是宽禁带直接带隙半导体，禁带宽度约为3.4ev.
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3E Semiconductor
外延简介
1928年Royer提出了外延（Epitaxy）一词，意思是“在……之上 排列”。它是指在具
有一定结晶取向的原有晶体（衬底）上延伸出 按一定晶体学方向生长薄膜的方法，这
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3E Semiconductor
外延基础
p-GaN:Mg
Active Well : InGaN Barrier InGaN n-Clad N+-GaN:Si GaN Buffer
0.15um
30A 70A 1.8um 0.7um 4 um/250A
3E Semiconductor
Bake
HP-nGaN
LP-nGaN TB TW EB EW LB P-SLS P-GaN
LT-nGaN DB DW
P-InGaN
Buffer
外延基础
PSS衬底
PSS: Patterned Sapphire Substrate (图形化衬底)
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3E Semiconductor
外延简介
同质外延：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如：nGaN:Si上生长pGaN:Mg）
异质外延：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生 长在一起形成的结，称为异质结。（如：GaN上生长AlGaN） 量子阱(Quantum Well)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子 波函数不发生交迭
• Eg越大，所发出的光子波长就越短，颜色就会
蓝移。反之， Eg越小，所发出的光子波长就越 长，颜色就会红移。 • 若要产生可见光（波长在380nm紫光～780nm 红光），半导体材料的Eg应该在1.59～3.8eV之
间。
用不同颜色及数目LED加荧光粉所做成的白光LED的优点及缺点
LED简介
LED (Light Emitting Diode)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，
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3E Semiconductor
典型LED外延结构
3. nGaN
在u-GaN之上生长n-GaN做为电子注入层。 保持2D生长GaN的条件，通入SiH4，Si原子 会取代Ga原子的位置，由于Ga是三价的， Si是四价的，因此多出一个电子，属于n型 掺杂。 反射率曲线将保持正弦曲线震荡。由震荡 的频率可以计算出此时的生长速率。
外延基础
(a) 密集的、取向 比较一致的小 岛 (b) 许多单个大岛 (c) 以大岛为核心 在水平和垂直 两个方向生长 (d)外延片表面与 衬底层的反射 光将发生干涉 作用，反射率 将开始呈现正 弦曲线震荡。
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3E Semiconductor
的周期性结构，称为量子阱。（如：InGaN/GaN/InGaN...）
GaN
MQW 异质外延
蓝宝石衬底
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3E Semiconductor
MOCVD简介
Veeco K465i
Veeco C4
Aixtron Crius ii
Create the Light, Light the World 3E Semiconductor
• •
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3E Semiconductor
五、典型LED外延结构
2. uGaN
• • • U2层(Recover)，此时使外延从3D生长向2D生长 转变。 略微提高温度，降低气压，使晶岛相接处的地 方开始连接，生长，直至外延表面整体趋于平 整。 随着外延表面趋于平整，反射率将开始上升。 此时由于外延片表面与衬底层的反射光将发生 干涉作用，反射率将开始呈现正弦曲线震荡。
•
•
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3E Semiconductor
典型LED外延结构
6. pGaN
p型层为量子阱注入空穴。 生长GaN时加入Cp2Mg， Mg原子会取代Ga原子 的位置，而Mg是二价，因此会少了一个电子 （等于多一个空穴），属于p型掺杂。
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LED基础知识及外延工艺
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
纲 要
LED的发光原理 LED的特点 白光LED的实现 外延基础知识
Create the Light, Light the World
3E Semiconductor
• LED是“light emitting diode”的 英文缩写。 • 中文名:发光二极管。 • LED是一种将电能转换为光能 的固体半导体器件。 • LED实质性核心结构是由元素 谱中的Ⅲ-Ⅳ族化合物材料构成 的p-n结。