LED制程与工艺介绍

产品工艺流程介绍外延工艺部曲伟2017年7月7日OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBU01认识LED目录CONTENTS02半导体简介03LED简介04外延基础05LED外延片测量CHAPTER01认识LEDOneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBUOneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBULED问世于20世纪60年代，起源于美国，在日本发扬光大70年代初，美国杜邦化工厂首先研发出镓砷磷LED，发桔红色，可作仪器仪表指示灯用随着技术进步，LED发光颜色覆盖从黄绿色到红外的光谱范围80年代后，用液相外延技术，制作高亮度红色LED和红外二极管90年代半导体材料GaN使蓝、绿色LED光效达到10Lm，实现全色化LED发展史OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBULED优点节能比传统光源省电50%发光效率高寿命长理论寿命能够达到上万个小时省电，使用寿命长固态光源，结实耐用OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBULED应用节能CHAPTER02半导体简介OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBU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)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半导体基础知识CHAPTER03LED简介OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBULED(LightEmittingDiode)是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。发光原理：在外加电场的作用下，电子通过电子导电的n型半导体、空穴通过空穴导电的p型半导体，进入量子阱中并相互结合，发出不同波长的光。LED基本构造OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBULED的发光颜色：蓝光LED,波长440-470nm之间其中广泛使用的蓝光发光二极管主要使用材料为GaNCHAPTER04外延基础OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBU外延生长：(Epitaxy)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，这个薄膜被称为外延层。OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBU2.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（MetalOrganicChemicalVaporDepositionMOCVD）：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。1.应用1959年末，外延生长技术应用于半导体领域，它的应用与发展对于提高半导体材料的质量和器件性能，对于新材料、新器件的开发，对于半导体科学的发展都具有重要意义。OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBUVeecoK465iVeecoC4AixtronCriusii3.几种MOCVD设备中微MOCVD反应的基本原理：•MOCVD：金属有机物化合物化学气相沉积（MetalOrganicChemicalVaporDeposition）•MOCVD是以Ⅲ族元素的有机化合物和V族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。•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。外延工艺基础OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBUGa(CH3)3+NH3=GaN+3CH4表面反应原理表面进行化学反应、表面移动、成核及膜生长外延工艺基础典型LED外延结构典型LED外延结构PN结发光典型LED外延结构n-CladActiveGaNBufferN+-GaN:Sip-GaN:MgWell:InGaNBarrierInGaNSapphirec-planeAl2O3U-GaN/BufferN--GaN:Si外延生长材料常用MO源：•TMGa（三甲基镓，液态）•TMAl（三甲基铝，液态）•TMIn（三甲基铟，固态，现已有液态）•TEGa（三乙基镓，液态）•Cp2Mg（二茂基镁，固态，现已有液态）载气：纯度很高（99.999999%）的H2和N2特气：高纯度（99.9999%）NH3（氨气，液态）SiH4（硅烷，气态）衬底：Sapphire（蓝宝石衬底）、PSS（图形化的衬底），SiC衬底,Si衬底外延工艺基础外延工艺基础外延工艺基本流程开runorderPSS衬底MOCVD外延工艺产出wafer量测芯片制程封装模组目前主要可用于量产的几种衬底材料：蓝宝石衬底，Si衬底，6H-SiC衬底蓝宝石衬底：价格适中，晶格失配度适中，化学稳定性好SiC衬底：价格昂贵，晶格失配低Si衬底:价格便宜，晶格失配最大，难以成长外延工艺基础PSS:PatternedSapphireSubstrate(图形化衬底)使用PSS衬底以提高出光效率由于全反射角的存在使得出光效率较低提高生长的晶体质量外延工艺基础CHAPTER05外延片测量EPITeam(Wuhu)ChipBUOneTeamOneVisionOneStandardMicroscopePLELXRDBowing•观察表面是否有异常•外延片表面等级判定•光致发光•波长•强度•均匀性•电致发光•波长•亮度•电压•晶体质量•材料组分•周期厚度•外延片翘曲度外延片测量LEI•表面电阻OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBU什么样的wafer（外延片）是好的产品？1.通过光致发光谱查看生长的wafer的波长分布2.X射线衍射得到晶体质量的数据3.通过面电阻测试得到n型半导体的掺杂量（Si掺杂）4.通过显微镜观察wafer表面形貌(是否有缺陷存在)5.通过芯片制程验证wafer的各项电性能数据肉眼观察下的wafer显微镜观察下的waferOneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBUAboutLED–LEDProcessRAWWAFEREPITAXYCHIPPROCESSPACKAGEMODULEMOCVD原材料外延工艺芯片制程封装模组LED工艺流程直径4’OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBU产品加工流程：PSS质保部QC入库氮化铝加工入库MOCVD生长量测质保部QC入库大连、蚌埠、客户外延片Bake炉Dummy片石墨盘（烘烤脏物）烘烤完成成品封装、照明OneTeamOneVisionOneStandardEPITeam(Wuhu)ChipBU