LED芯片技术报告

LED芯片技术报告LED封装研发2014目录一、LED芯片介绍二、LED芯片制程三、LED热点技术四、现有芯片供应商整理五、总结LED芯片介绍一、LED简介：LED（LightEmittingDiodes）即发光二极管的简称。它是当电流通过时能发出特定颜色光的一种小型半导体器件。LED的核心是芯片，其主要光电特性也取决于芯片，同时封装对LED的最终性能也起着至关重要的作用。其发光原理如下：LED的核心是PN结，在正向电压下，电子由N区注入到P区，空穴P区注入到N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光（电致发光）。LED芯片介绍二、LED相关特性：1、顺向电压当一顺向电流流过LED时，会在LED的两端产生一个压降，这个压降就是LED的顺向电压Vf。Vf的几个特性：(1)Vf可以看做当一电流通过LED时所需突破的障碍，所以又可以称为障壁电压。此电压会随电流的增加而增大。(2)LED虽然是电流驱动组件，但本身存在一个基本的障壁电压，所以外加电压也必须大于此最小障壁电压LED才能点亮。一般可见光值最小障壁电压为1.6V，蓝光芯片约为2.4V。(3)所谓闸流体是因为芯片的外延过程中产生的异常，造成此障壁电压极大，所以在一般5V的驱动电压下还是无法点亮LED。2、反向电流IR指的是LED的反向电流(ReverseCurrent)，即在LED两端接一反向电压后所量测到的电流。IR的几个特性：(1)一般正常LED的特性是正向才能导通，反向是无法导通的。所以正常的LED是量测不到IR的数值(IR=0)。(2)在芯片的外延过程或是LED的制程上产生异常时，有时并无法立即从外观上做判定，但因为芯片本身的结构产生异常，因而造成LED反向亦能导通，所以我们可以由IR的数值来判定LED的好坏。(3)经信赖性试验的验证，有IR的LED的衰减幅度远大于正常的LED。LED芯片介绍LED芯片介绍3、峰值波长λP及主波长λDLED的光谱不是只有单一的波长，而是有一个范围，峰值波长是指发光强度在100%时的波长，而主波长是指人眼所感受到的波长，是经过人眼视觉函数曲线修正过的。我们一般讲的LED波长都是指它的主波长λD，因为可见光都是要用人眼去感受的。LED芯片介绍4、LED的效率(1)内量子效率：复合产生的光子数与复合总载流子数之比。LED中有近80％是无效复合而产生热量，因此其内量子效率非常低。(2)外量子效率：逸出芯片的光子数与PN结产生的光子总数之比。目前LED外量子效率只有20％左右，受材料折射率、芯片结构和封装结构等影响。(3)电光转换效率：LED输出的光功率与输入的电功率之比。假设芯片输出功率为400mW，电压为3.2V，输入电流为350mA，那么可以计算出其电光转换效率为0.4/3.2×0.35×100％＝35.7％。(4)发光效率(流明效率)：LED输出的光通量与输入的电功率之比。LED芯片介绍5、LED四大光学参数(1)光通量：LED光源向整个空间在单位时间内发射并被人的眼睛接收的辐射通量之和即为光通量，单位为流明(lm)，符号Φ。(2)发光强度：LED在空间中发出的光通量是不均匀的，大小也不一样，在给定方向某一微小立体角所包含的光通量dΦ和这个立体角dθ的比值称为该方向上的光强，单位是堪德拉(cd)，符号为I。(3)照度：在光接收面上一点处的光照度等于照射在该点在内的一个面元上的光通量Φ除以该面元的面积ds，单位为勒克斯(lx)，符号为E。(4)亮度：光源在某方向的亮度为光源在该方向单位投影面积上的发光强度，亮度，单位为尼特(nit)，符号为L。LED芯片介绍6、相关色温(CCT)当光源所发出的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体的温度就称为该光源的相关色温。色温光色气氛效果大于5000K清凉（带蓝的白色）较冷的气氛3300-5000K中间（白色）爽快的气氛小于3300K温暖（带红的白色）稳重的气氛LED芯片介绍7、显色指数(CRI)光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的显色性。光源显色指数越低，被照物体失真越严重。CRI80CRI93目录一、LED芯片介绍二、LED芯片制程三、LED热点技术四、现有芯片供应商整理五、总结LED芯片制程以传统的Face-up结构为例，简述一下LED芯片的制作过程。LED芯片的制程大概分为以下几个部分：一、衬底选择和生长二、外延片生长三、外延片制作LED芯片制程一、衬底的选择和生长不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。评价衬底材料必须考虑以下几个因素：(1)衬底与外延的结构匹配：外延材料与衬底材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低；(2)衬底与外延膜的热膨胀系数匹配：热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数上相差过大不仅可能使外延膜质量下降，还会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏；(3)衬底与外延的化学稳定性匹配：衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下降；(4)材料制备的难易程度及成本的高低：考虑到产业化发展的需要，衬底材料的制备要求简洁，成本不宜很高。衬底尺寸一般不小于2英寸。目前，可用于生产的衬底只有三种，即蓝宝石、Si及SiC衬底。LED芯片制程1、蓝宝石用于GaN生长最普遍的衬底是蓝宝石。其优点是化学稳定性好，不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟。导热性差虽然在器件小电流工作中没有暴露明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。2、硅衬底用Si作GaN基LED衬底，虽然使LED的制造成本大大降低，也解决了专利垄断问题，然而与蓝宝石和SiC相比，在Si衬底上生长GaN更为困难，因为这两者之间的热失配和晶格失配更大，Si与GaN的热膨胀系数差别也将导致GaN膜出现龟裂，晶格常数差会在GaN外延层中造成高的位错密度；另外，Si衬底LED还可能因为Si与GaN之问有0.5V的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成P型掺杂效率低，导致串联电阻增大，还有Si吸收可见光会降低LED的外量子效率。LED芯片制程3、碳化硅SiC作为衬底材料应用的广泛程度仅次于蓝宝石，SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高，晶体质量难以达到蓝宝石和Si那么好、机械加工性能比较差。另外，SiC衬底吸收380nm以下的紫外光，不适合用来研发380nm以下的紫外LED。同蓝宝石相比，SiC与GaN外延的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有蓝色发光特性，而且为低阻材料，可以制作电极，使器件在包装前对外延进行完全测试成为可能，增强了SiC作为衬底材料的竞争力。由于SiC的层状结构易于解理，衬底与外延之间可以获得高质量的解理面，这将大大简化器件的结构。LED芯片制程4、氮化镓用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，可大大提高外延的质量，降低位错密度，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。5、氧化锌ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小，禁带宽度接近(能带不连续值小，接触势垒小)。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要原因是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决。另外，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。LED芯片制程二、外延片生长目前，用在LED外延片生长的方法大概有四种：1、LPE：GaP/GaAsP；2、VPE：GaAsP/GaAs；3、MBE：AsGaInP、ZnSe；4、MOCVD：AlGaInP、GaN；目前，GaN基LED芯片外延都采用MOCVD方法，下面介绍一下MOCVD的工作原理和方法。LED芯片制程MOCVD的原理：通过在密闭化学反应腔中引入高纯度的金属有机源(MO源)和氨气(NH3)，使其在加热的衬底上生长出高质量的晶体。基本化学反应式是：Ga(CH3)3+NH3→GaN+CH4。通常GaN晶体是六方密排布的纤锌矿结构。由于MOCVD的晶体生长反应是在热分解中进行的，所以又叫热分解法。经实用表明这是一种具有高可靠性、控制厚度精确、组成掺杂浓度精度高、垂直性好、灵活性大、非常适合于进行Ⅲ、Ⅴ族化合物半导体及其固溶体的外延生长的方法。LED芯片制程目前，国内的芯片厂的MOCVD基本上都是进口的，主要来自德国AIXTRON和美国VEECO两家大公司。LED芯片制程GaN基LED外延片的基本结构是在蓝宝石衬底上依次生长：(1)GaN结晶层；(2)N-GaN(掺Si)；(3)InGaN/GaN多量子阱发光层；(4)P-GaN(掺Mg)。为了获得高性能的器件，整个外延生长过程的各项参数都要得到优化并且精确控制，其中对发光效率影响最大的结构是InGaN/GaN多量子阱发光层。一般整个器件的外延层厚度范围在4-8μm,平均生长速度大约1μm/小时，因此完成一次器件的生长大约需要8小时。LED芯片制程三、外延片制作外延片的制作主要分为以下几个步骤：图形刻蚀外延片清洗电极制作退火合金减薄抛光目检划片解理ITO蒸镀光刻溅射钝化层测试分选芯片成品LED芯片制程下面对一些主要的工艺做一下介绍：1、光刻光刻(lithograph)是利用光刻板(mask)上的几何图形，通过光化学反应，将图案转移到半导体外延片(wafer)上的一种工艺步骤。光刻时，把光刻胶均匀涂到外延片上，然后把外延片放到加热台上进行加热以增强光刻胶对外延片的吸附力，在显微镜下将光刻板上的图形与外延片对准，用紫外光进行曝光，光刻胶受到紫外光照射后会溶解在显影液中。LED芯片制程(1)光刻的基本流程表面清洗表面涂胶对准曝光前烘去胶刻蚀显影坚膜LED芯片制程(2)光刻的示意图LED芯片制程(3)光刻所需设备及方法本光刻机为接近式曝光方式，使用高压汞灯作为曝光光源，产生的紫外光波长为436nm，功率为15W，曝光时间4.3秒钟。为了防止光刻胶在自然光下发生反应，影响光刻质量，整个光刻过程都是在充满黄光的光刻间内完成。LED芯片制程2、刻蚀刻蚀分为干法刻蚀和湿法刻蚀两种：干法刻蚀一般指等离子体刻蚀，是用基态或者中性激发态物质的化学反应，将固态薄膜去除。干法刻蚀可以精确控制刻蚀精度，分辨率较高，但设备昂贵，刻蚀成本较高。湿法刻蚀是指利用化学溶液将不需要的半导体材料去除，它的优点是原理简单，易于操作，它的缺点是腐蚀出的图形不好，分辨率较低，易出现横向钻蚀现象。LED芯片制程(1)刻蚀所需的设备和方法LED芯片制程(2)湿法刻蚀的图片LED芯片制程3、欧姆接触姆接触就是指使半导体器件表面金属化，制备电极。当金属与半导体相互接触时，其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，当两端加电压时，接触面的电压降很小，而工作区的电压降大很。想要得到较小的欧姆接触电阻，有两个重要的条件：半导体与金属之间有较低的势垒高度；半导体掺入的杂质浓度很高。良好的欧姆接触可以使正向电阻降低，热阻减小，在连续室温工作下，寿命，可靠性增强。半导体表面的金属结构一般采用溅射或蒸发的方法形成，用磁控溅射机在半导体的表面溅射一层或几层厚度为几百纳米的金属(或合金)，然后在合适的温度下进行退火，形成欧姆接触层。LED芯片制程欧姆接触所需的设备和方法在制作完P面和N面欧姆接触后，为了防止电极表面被氧化，要将外延片在400℃的N2环境下进行退火，退火时间为8分钟。目录一、LED芯片介绍二、LED芯片制程三、LED热点技术四、现有芯片供应商整理五、总结LED热点技术一、关于LED的三大派系GaN基LED技术的流派分为三大部分：第一是垂直结构派(Vertical)，以Cree(SiC)与Osram为代表，金属衬底的旭明，还有执着于硅衬底的Toshiba与La