清华同方LED产业训练教材

南通同方半导体有限公司LED产业训练教材本套LED产业训练教材由南通同方半导体有限公司销售中心、外延技术部、芯片部、品质部与技术中心共同主办。本教材共五章，第一章、第二章由童敬文副总监编写，第三章由庄曜励总监编写，第四章由吴东海博士编写，第五张由蔡佩芳总监编写。同时感谢光源与器件项目组副总郭天宇、销售中心马楠副总监的热心指导，在此深致谢忱。前言第一章LED衬底第二章LED外延第四章LED器件封裝第三章LED芯片設計及製作目录第五章LED品控檢測1.1蓝宝石结构1.3晶棒制作1.4晶片制作1.5干法刻蚀制作PSS1.6干法刻蚀制作PSS1.2晶体生长第一章LED衬底蓝宝石，又称白宝石、刚玉，即单晶氧化铝α-Al2O3。作为LED衬底，蓝宝石晶体的C面(0001)和GaN的C面(001)结构相近。蓝宝石晶体的C面(0001)蓝宝石晶体的C面(0001)1.1蓝宝石结构晶体生长晶棒制作晶片制作PSS制作•SAPMAC法，即冷心放肩微量提拉法。炉内结构剖面图1.2晶体生长晶棒制作晶片制作PSS制作晶体生长定向：XRD定向C面，确保掏出的晶棒方向正确；掏棒：利用中空钻刀掏取晶棒(2、4、6inch)；滚磨：磨削至精确尺寸。1.3晶棒制作晶片制作PSS制作晶体生长晶棒制作定向：精确定向C面；切片：将晶棒切成晶片，430µm；研磨：去除切割损伤层及改善晶片平坦度；倒角：将晶片边缘修整为圆弧状；抛光：改善晶片粗糙度。切片机研磨机抛光机1.4晶片制作PSS，即图形化蓝宝石基板，此技术可有效减少位错密度提升出光率。ICP，电感耦合式等离子体刻蚀，又称干法刻蚀。PRcoatingexposureDevelopingHardMaskEtchsubstratePhotoEtchingPRRemoveHMRemoveHMEtching干法刻蚀ICPICPEtchHardMaskHMFlatSapphireHMcoatingUVlightHMFlatSapphirePRFlatSapphireFlatSapphireRemovePRPSSRemoveHardMaskPSS1.5干法刻蚀制作PSS1.6湿法刻蚀制作PSS①SiO2在浓硫酸和浓磷酸中被高温腐蚀时是各向同性的；②Al2O3因为其结构的原因被腐蚀时是各向异性的。SiO2removedFlatsapphireSiO2沉积黄光图形BOE刻蚀PR去除SapphireEtchingSiO2加热湿法刻蚀湿法刻蚀实现PSS原理：2.6GaN基LED外延的晶体评测技术2.1Ⅲ/Ⅴ族氮化物概述2.2GaN材料的特性2.3GaN基LED的基本结构2.4GaN基LED外延生长技术及设备简介2.5GaN基LED外延生长工艺流程第二章LED外延ⅢABAlGaInTiVANBiSbAsPⅢ-Nitrides：GaN，InN，AlN，InGaN，AlGaN，AlInGaN。InN带隙为0.77eV，GaN为3.2eV，AlN为6.2eV，其禁带宽度覆盖了红光到紫外光间的光谱2.1Ⅲ/Ⅴ族氮化物概述常温常压下Ⅲ/Ⅴ族氮化物半导体具有密集堆积的稳态纤锌矿结构六方相和亚稳态闪锌矿结构立方相两种晶体结构形式(如下图)。其中闪锌矿结构的Ⅲ/Ⅴ族氮化物具有更好的P型掺杂效率，同时作为量子阱发光材料时也具有更好的光增益系数，但在高温下容易相变，阻止了材料的制备与器件的发展。因此，目前用于器件的GaN材料都是纤锌矿结构。在直接带隙中的电子跃迁前后只有能量变化，而无位置变化，于是便有更大的几率将能量以光子的形式释放出来。间接带隙半导体中的电子在跃迁时K值会发生变化，会极大的几率将能量释放给晶格，转化为声子，变成热能释放掉。GaN基材料属于直接带隙半导体材料：GaN直接带隙图2.2GaN材料的特性GaN基材料的物理化学特性高的硬度熔点高很高的电子饱和漂移速度高热导率能适用很多恶劣环境十分良好的抗腐蚀性能高的击穿电场具有独特的发光特性2.2.1GaN基材料的物理化学特性典型的GaN基LED通常由蓝宝石衬底、GaN缓冲层、n型GaN、GaN/InGaN多量子阱有源层、p型GaN以及电极构成。2.3GaN基LED基本结构HVPE(氢化物气相外延)ALE(原子层外延)MOCVD(金属有机化学气相沉积）生长速率快，生长大面积的GaN衬底器件生长MBE(分子束外延)GaN基器件实现了大规模的产业化1.生长速度相对快，外延生长质量高；2.可以获得超薄层结构；3.工艺灵活性大，可以生长出各种复杂的结构；4.不需要超高真空，维护简单；5.反应室规模容易扩展。德国AIXTRON美国VEECO2.4GaN基LED外延生长技术及设备简介2.4.1GaN基半导体材料生长方法介绍名称符号用途TMGa(三甲基镓)(CH3)3Ga提供镓源TMIn(三甲基铟)(CH3)3In提供铟源TMAl(三甲基铝)(CH3)3Al提供铝源Ammonia(氨气)NH3提供氮源硅烷SiH4N型掺杂源二茂镁Cp2MgP型掺杂源氮气N2载体氢气H2载体2.4.2GaN外延生长所需物料在蓝宝石基板上(Al2O3)上生成氮化镓（GaN）薄膜。主要以反应腔体(ReactorChamber)上游进口处以N2(氮气)或H2(氢气)为承载气体(carriergas)，以携带MOSource:(TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、CP2Mg、SiH4等)及NH3一起流进装有衬底的告诉旋转石墨底座(susceptor/WaferrCarrier)。并在下方装有可产生高热之加热线圈(filament)反应腔体内进行高温反应，下游处并装有抽气PUMP及控制阀可保持所须之流量大小及压力，可以让气体作一连串连续后顺利排出于厂务端。2.4.3MOCVD生长示意图MOCVD外延设备2.4.4MOCVD设备简介MOCVD外延设备2.4.4MOCVD设备简介VEECOK465IVEECOC4外延生长原理2.4.5外延生长原理2.5GaN基LED外延生长工艺流程1.高温除杂反应室炉温升高至＞1100℃，通入氢气,高温、燃烧除去衬底上的杂质。蓝宝石衬底(430±5μm)高温、通H22.5GaN基LED外延生长工艺流程2.长缓冲层炉温降低，控制在500～900℃之间的某一设定温度，在蓝宝石衬底上生长一层300A的GaNorAlN缓冲层（亦称成核层），时间3min。蓝宝石衬底(430μm)GaNorAlN缓冲层300A2.5GaN基LED外延生长工艺流程3.Recrystallization炉温升至＞1100℃，时间7min，将低温生长的非晶缓冲层通过高温形成多晶GaN缓冲层。蓝宝石衬底(430μm)GaN缓冲层300A≥1100℃退火GaN缓冲层（成核层）用来降低衬底与GaN外延层之间的应力与缺陷，再通过适当的高温退火，降低缓冲层（成核层）自身的内应力和缺陷，让缓冲层从非晶薄膜转化为多晶薄膜，为下一步在更高的温度下外延单晶GaN层做准备。2.5GaN基LED外延生长工艺流程4.长GaN单晶将炉温升至＞1000℃,在GaN缓冲层上生长一层厚的GaN单晶。蓝宝石衬底(430μm)GaN单晶2.5GaN基LED外延生长工艺流程5.长N型GaN继续保持炉温＞1000℃,长GaN的同时掺Si。蓝宝石衬底(430μm)N型GaN2.5μm2.5GaN基LED外延生长工艺流程蓝宝石衬底(430μm)6.长多量子阱MQW炉温降至750℃，先长电流阻挡层AlGaNAlGaN2.5GaN基LED外延生长工艺流程蓝宝石衬底(430μm)接着一层InGaN(20A)，再接着一层GaN(140A)，然后连续成长InGaN和GaN势阱势垒层多量子阱MQW2.5GaN基LED外延生长工艺流程右图为多量子阱结构，是LED的发光区AlGaN阻挡层的势垒更高，在MQW的两侧各加一层，可以更有效地将电子和空穴的复合限制在MQW内GaN势垒140AInGaN势阱20AAlGaN电流阻挡层AlGaN电子阻挡层2.5GaN基LED外延生长工艺流程蓝宝石衬底(430μm)P型GaN7.长P型GaN⒈炉温升至930℃,长GaN的同时掺Mg⒉长接触层：炉温降至800℃,长InGaN的同时掺Mg(浓度1020/cm3)2.5GaN基LED外延生长工艺流程外延后p-padn-padMOCVDProcessMOCVD外延生长LaserMark激光打标Photoluminescence光致发光检测X-rayDiffractionXRD检测Activation活化Storage入库Microscope显微镜检测Electroluminescence电致发光检测2.5GaN基LED外延生长工艺流程测量：组分周期厚度半波宽X射线衍射技术2.6GaN基LED外延的晶体评测技术光致发光技术光谱中重要参数：发光强度、峰值波长(WLP)、主波长(WLD)、半峰宽(FWHM)2.6GaN基LED外延的晶体评测技术电致发光技术电致发光与光致发光类似，不同的是电致发光是在PN结加电压，产生少数载流子而复合发光的。EL主要测试内容：外延片点测波长、电压、亮度的测试。2.6GaN基LED外延的晶体评测技术Electroluminescence电致发光检测2.7外延亮度未來努力方向CauseSolution1.EpiStructure1.OptimalizeRDStructure2.PoorHoleinject1.ImproveP-GaNQuality3.CurrentCrowding1.GrowthN-Side,P-SideCurrentSpreadingLayerIQECauseSolution1.Non-radiativeRecombination(Auger,Defect)GaNQualutyImprovement1.EBLImprove2.N-AlGaN/GaNHBL3.Piezoelectriceffect1.ThinBarrier(S.L.MQW)4.Polarizationmismatch1.NonpolarStructureEfficiencyDroop2.CarrierOverflowCauseSolution1.PSS1.RoughSurfaceIncreaseLightExtractionEfficiencyLEE第三章LED芯片3.1LED芯片材料体系3.2LED芯片总流程3.2.1前制程工艺流程3.2.2中制程工艺流程3.2.3后制程工艺流程蓝光450~475nm绿光500~530nm红光610~640nm黄光580~597nm橙光595~612nm黄绿光565~580nmInGaN产品（以蓝宝石为衬底）InGaAlP产品（以GaAs为衬底）3.1LED芯片材料体系YellowOrangeRedOrangeRedY=Yellow(InGaAlP)587nmO=Orange(InGaAlP)605nmA=Org.Red(InGaAlP)617nmS=Super-Red(InGaAlP)630nmH=Hyper-Red(GaAlAs)645nmBlueGreenB=Blue(InGaN)470nmV=VerdeGreen505nmT=TrueGreen(InGaN)525nmP=PureGreen(InGaAlP)560nmG=Green(InGaAlP)570nmB=Blue(GaN)466nmInGaAlPInGaN/GaNW=White(x=0.32/y=0.31)3.1LED芯片材料体系3.2LED芯片总流程LED生产外延芯片A前制程清洗站黄光站刻蚀站蒸镀站B中制程研磨站划裂站测试站分选目检C后制程3.2.1前制程工艺流程芯片下线ITO蒸镀前清洗ITO蒸镀MesaPhotoITO刻蚀1GaN干刻蚀光阻去除ITOPhotoITO刻蚀2光阻去除O2清洗ITO合金沉积SiO2MetalPhotoMetal蒸镀前SiO2刻蚀Metal蒸镀金属剥离O2清洗Metal合金COW抽测3.2.1前制程工艺流程目的：去除Wafer表面的金属杂质和