白光LED半导体制程简介.ppt

1、,白光LED半导体制程,白色发光二极管(LED)发光原理 GaN-LED芯片的基本结构 白光LED制造过程 氮化镓(GaN)半导体材料 氮化镓(GaN)单晶制备技术 氮化镓(GaN) 外延衬底材料 蓝宝石晶棒制造工艺流程 蓝宝石抛光晶片制造工艺流程 蓝宝石切割面与基板应用种类 金属有机物化学气相沉积(MOCVD) 蓝宝石GaN外延片制作过程 氮化镓(GaN) MOCVD反应炉 氮化镓(GaN) LED晶片制造 氮化镓(GaN)白光 LED封装,内容,白光发光二极管是由日本日亚化学公司第一个将其商品化，系二波长白光 (蓝色光+黄色光)，主要技术原理是以氮化镓(GaN)系蓝光二极管芯片加上YAG黄

2、色荧光粉，利用蓝光激发黄色荧光粉产生黄色光，同时配合自身产生的蓝光，即形成蓝黄混合二波长白光。二波长白光LED的光谱如图所示。 另一种是正在研制的三波长（蓝色光+绿色光+红色光）白光发光二极管，三波长白光的技术原理，是用紫外光的氮化镓系发光二极管芯片激发塗在其表面的混合荧光粉（内含红绿蓝三色），使之产生三波长白光。此种白光光色均匀，演色性好，不会像二波长白光有偏色现象（偏黄或偏蓝）。 随着白光LED光效提升与技术进步， 白光LED应用开始跨入照明领域，目前照明LED的光效已达150lm/W以上(日光灯光效是70lm/W)，正在向200lm/W迈进。 白光LED与一般照明比较，除了省电外（用电量

3、是一般灯泡的八分之一，日光灯的二分之一），还有寿命长（可达5万小时以上），安全环保（无污染）。因此，白光LED被誉为绿色照明光源。,一.白色发光二极管(LED)发光原理,二.GaN-LED芯片的基本结构,蓝宝石Al2O3 （ or SiC）衬底,n型GaN层,InGaN多量子阱层,p型GaN层,透明导电层,Sapphire substrate,GaN buffer layer GaN缓冲层,n-GaN layer,InGaN MQW active layer,p-GaN layer,Transparent contact layer,p-electrode p型电极,n-Pad n型电极,三.

4、白光LED制造过程,制造衬底材料 加工制成晶片,GaN外延生长 制成外延晶片,LED晶片制造 制成LED晶粒,LED晶粒封装 制成LED成品,白光LED的制作过程与制作硅晶圆IC很相似，首先经过单晶生长技术，制成蓝宝石或碳化硅单晶棒，经过切割、研磨、抛光制成抛光晶片；再将其作为衬底 (substrate)，使用外延技术将氮化镓(GaN)半导体生长在衬底表面，制成外延晶片；外延片经过半导体蚀刻工艺制成n型和p型电极，通过切割加工成LED晶粒；最后经过固晶、邦线、封胶等工序制成白光LED成品。,氮化镓(GaN)属于宽禁带半导体材料，由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰，发展一直较

5、为缓慢。1991年，日本日亚化工公司(Nichia )研制成功以蓝宝石为衬底的GaN蓝光发光二级管(LED)之后，实现GaN基蓝光LED的商品化。该公司利用GaN基蓝光LED和磷光技术，开发出白光LED产品，此外，还首先研制成功GaN基蓝光半导体激光器。日亚公司在发光器件领域取得的重大突破，使GaN半导体材料应用获得成功。 氮化镓(GaN)半导体材料特点: 氮化镓(GaN)作为一种化合物半导体材料，具有许多单晶硅(Si)半导体材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温、高频和高速半导体器件的工作要求。其中GaN半导体材料最重要的物理特点是具有更宽的禁带(3.4eV)，可以发射波长比红光更

6、短的蓝光。 以高亮蓝光发光二极管(LED)和蓝光激光器(LD)的研制成功为标志，GaN被誉为是继第一代锗(Ge)、硅(Si)半导体材料、第二代砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。 GaN基LED最诱人的发展前景是用作普通白光照明；蓝光激光器(LD) 代表性应用是蓝光DVD；GaN制作微波功率器件优于现有的一切半导体材料。,四.氮化镓(GaN)半导体材料,高亮度LED、蓝光激光器LD和功率晶体管是当前器件制造商和投资商最为感兴趣和关注的三个GaN器件市场!,氮化镓(GaN)半导体材料性能优越，而自然界没有天然的此类材料，需要人工合成。 氮化镓(GaN)单晶

7、制备非常困难，主要是由于熔点很高，裂解压强极大。 氮化镓(GaN)单晶制备有三种方法：外延法、升华法、高压溶液生长法。随着GaN单晶生长研究的日趋成熟，外延法成为GaN单晶生长的主要技术。,五.氮化镓(GaN)单晶制备技术,外延法原用于制造单晶硅(Si)外延片。单晶硅外延片是以单晶硅抛光晶片为衬底（基片），在抛光片表面长成硅单晶薄膜（也称为磊晶）。晶片表面上的外延单晶硅膜具有衬底单晶硅所不具备的一些电学特性，并消除了许多在晶体生长和加工中所引入的表面/近表面缺陷，因此，Si外延片性能高于Si抛光片且价格较高，一般用于生产逻辑电路，而Si抛光片具有成本优势，通常用于生产存储器电路。,外延是指用外

8、延工艺在衬底表面生长所需的单晶薄膜。 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。 氮化镓外延依制程的不同，可分为： LPE（液相外延）：技术较低，主要用于一般的发光二极体； MBE（分子束外延）：技术层次较高，容易成长极薄的磊晶，且纯度高，平整性好，但量产能力低，磊晶成长速度慢。 MOCVD（有机金属气相外延）：纯度高，平整性好，量产能力及磊晶成长速度较MBE快，所以现在大都以MOCVD来生产。,氮化镓(GaN)单晶制备技术(续

9、),GaN单晶外延生长需要有合适的衬底材料作基片（晶圆）； 最理想的衬底材料是GaN单晶材料，在同质衬底上生成同质外延层，然而，制备氮化镓体单晶材料非常困难，目前只有日本几家公司能够提供氮化镓衬底，价格奇贵，一片2英寸衬底价格约1万美元；日本三菱化学正在开发可降低氮化镓衬底价格的新制作方法“液相沉积法”，预计2012年起开始供给以此方法制造的氮化镓衬底样品，2015年起开始量产。 目前GaN基氮化物薄膜一般都在异质衬底上生长的。用于氮化镓研究的异质衬底材料比较多，如氮化镓(GaN)、蓝宝石(Al2O3) 、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化锌(ZnO)等材料，但是能用于生产的衬底目前只有二种，

10、即蓝宝石(Al2O3)和碳化硅(SiC)衬底。,六.氮化镓(GaN) 外延衬底材料,缺点：不足方面虽然很多，但均被克服，如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过激光划片所克服，。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。,外延衬底材料-蓝宝石(Al2O3),蓝宝石单晶(Al2O3)是目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底材。 优点：化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟；,碳化硅(SiC)是用于氮化镓生长的第二种衬底材料，它在市场上的占有率位居第二。 优点：化学稳定性好、导电

11、性能好、导热性能好、不吸收可见光等； 缺点：价格太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。,外延衬底材料-碳化硅单晶(SiC),由于SiC衬底优异的导电性能和导热性能，不需要像Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。目前国际上能提供商用的高质量的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。,碳化硅(SiC),七.蓝宝石晶棒制造工艺流程,利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体,确保蓝宝石晶体在取棒设备上的正确位置,便于取棒加工,以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒,用磨床

12、进行晶棒的外圆磨削,达到精确的外圆尺寸精度,确保晶棒品质以及晶棒尺寸与方位是否合客户规格,晶锭,晶棒,八.蓝宝石抛光晶片制造工艺流程,在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,以便于精准切片加工,将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片,去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度,将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度,以高精密检测仪器检验晶片品质以合乎客户要求,清除晶片表面的污物(如:微尘颗粒,金属,有机污物等),蓝宝石平边定位，及端面倾协角度的测量与确认，以符合客户要求,蓝宝石抛光晶片制造工艺-定向Orientation,平边 ：晶圆片圆周上的一个

13、小平面，是晶向定位的依据。,将完成轴向定位与粘贴的晶棒，送入线切割机进行切片； 此步骤关系到客户厚度规格及角度规格，是关键步骤。,蓝宝石抛光晶片制造工艺-切片Slicing,除去前制程切片、磨削、的缺陷如锯痕、表面损伤层 改善晶片平坦度(TTV) 、平行度、翘曲度，为晶片进行抛光制程做前期处理；,蓝宝石抛光晶片制造工艺-研磨Lapping,刚切下来的晶片外边缘很锋利，边缘的棱角非常易碎，为避免边角崩裂影响晶片强度、破坏表面光洁和对后工序带来污染颗粒，必须修整晶片边缘形状和外径尺寸。 将晶片边缘修整成圆弧状,可改消除因应力集中造成的晶片多项缺陷，改善晶片的机械、弹性强度。,蓝宝石抛光晶片制造工艺

14、-导角Edge Profiling,蓝宝石抛光晶片制造工艺-抛光Polishing,抛光制程使用抛光浆与抛光垫，搭配适当温度、压力与旋转速度，可消除前制程留下的机械/化学伤害层，改善晶圆表面的粗糙度，并且得到表面平面度极佳的晶圆，避免客户外延制程中遭遇的聚焦问题 晶圆经过抛光后变得几乎完美无瑕。,清洗的目的在于清除晶圆表面的污染物； 例如：表面微尘颗粒、有机物、金属等等，以确保晶圆表面洁净度。,蓝宝石抛光晶片制造工艺-清洗Cleaning,检验：在出货前为客户做的最后把关动作，使用高精密设备管控晶片品质，测量Resistance、Thickness、TTV、STIR、Bow、Warp等晶圆特性

15、。,蓝宝石抛光晶片制造工艺-检验Inspection,蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构。它常被应用的切面有A-Plane,M-Plane及R-Plane。,九.蓝宝石切割面与基板应用种类,蓝宝石切面图图,蓝宝石切割面示意图,蓝宝石晶体结构图,蓝宝石基板切割方向示意,半极性面M-Plane (a-Plane ),极性面C-Plane,无极性面R-Plane,供外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种: 1:C-Plane蓝宝石基板 这是广大厂家普遍使用的供氮化镓(GaN)生长的蓝宝石基板面.这主要是因为蓝宝石晶体沿C轴生长的工

16、艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在C面进行磊晶的技术成熟稳定. 2:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板 主要用来生长非极性/半极性面氮化镓(GaN)外延薄膜,以提高发光效率.通常在蓝宝石基板上制备的GaN外延膜是沿c轴生长的，而c轴是GaN的极性轴，导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建电场，发光效率会因此降低，而发展非极性面GaN外延，克服这一物理现象，使发光效率提高。,蓝宝石切割面与基板应用种类（续）,3:图案化蓝宝石基板(Pattern Sapphire Substrate简称PSS),蓝宝石切割面与基板应用种类（续）,以生长或蚀刻的方式,在蓝宝石基板上制作出微米级或纳米

17、级的具有微结构特定规则的图案,藉以控制LED之输出光形式(蓝宝石基板上的凹凸图案会产生光散射或折射的效果增加光的取出率),同时GaN薄膜成长于图案化蓝宝石基板上会产生横向磊晶的效果,减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。与成长于一般蓝宝石基板的LED相比,亮度增加了70%以上。,金属有机物化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称MOCVD)是在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晶薄膜的新技术。 金属有机化学气相沉积 (MOCVD)是利用金属有机化合物作

18、为源物质(MO源)的一种化学气相沉积(CVD)工艺。 MOCVD外延生长的基本原理： 将衬底基板(抛光晶圆片)放入外延炉反应室进行加热，同时将、族金属元素的烷基化合物（甲基或乙基化物）与非金属(或族元素)的氢化物(或烷基物)气体混合后送入反应室，混合气体流经加热的衬底表面时，在高温下，发生热份解反应，生成III-V或II-VI族化合物晶体沉积在衬底上，经过不断的磊晶过程，生长出厚度仅几微米的化合物半导体单晶薄膜(即外延层)。 这种长有外延层的晶圆片称为外延片。,十.金属有机物化学气相沉积(MOCVD),MOCVD 两步法外延GaN,化学方程式：Ga(CH3)3+NH3 GaN+CH4,三甲基镓

19、,GaN和衬底材料的晶格失配度大，日亚公司Nakamura采用两步生长工艺，先生长出GaN缓冲层，再在缓冲层生长出高质量的GaN外延层。,蓝光和白光LED使用蓝宝石GaN基外延片； 蓝宝石GaN外延片由蓝宝石Al2O3衬底与GaN基半导体外延薄膜组成； GaN半导体外延薄膜主要由P型GaN层， InGaN多量子阱层，N型GaN层三个部分构成。,十一.蓝宝石GaN基外延片制作过程,LED蓝宝石GaN基外延片结构,蓝宝石Al2O3 衬底,GaN缓冲层,n型GaN层,InGaN量子阱发光层,p型GaN层,外延片,外延层,衬底 层,外延片,LED蓝宝石GaN基外延片工作流程,蓝宝石GaN基外延片制作过

20、程(续),尾气,加热线圈,晶片,反应室,NH3 蓝氨,SiH4 硅烷,TMGa,TMIn,Cp2Mg,H2,H2,H2,MOCVD的工作流程示意图,升华,升华,升华,外延生长所需材料： 镓(Ga )源：三甲基镓【TMGa =Ga(CH3)3 】 铟(In )源：三甲基铟【TMIn =In(CH3)3 】 氮(N) 源：蓝氨( NH3 ) p 型掺杂源：二茂基镁【Cp2Mg=Mg(C5H5)2 】 n 型掺杂源：硅烷(SiH4) 载气：高纯度的 氢气(H2),被精确控制流量的反应源材料经加热升华，在氢气(H2)的携带下，被通入石英或不锈钢的反应室，在蓝宝石衬底上发生表面反应后生长外延层，衬底是放

21、置在被加热的基座上的。在反应后残留的尾气被扫出反应室，通过去除微粒和毒性的尾气处理装置后被排出系统。MOCVD工作原理如图所示。,GaN 基外延薄膜生长过程： 第一步：蓝宝石(Al2O3)抛光晶片在氢气(H2)的气氛下加热； 第二步：用蓝氨( NH3 )氮化生长缓冲层，再用NH3和三甲基镓(TMGa)生长GaN缓冲层； 第三步：加入硅烷(SiH4)，生长Si掺杂的n-GaN单晶层； 第四步：加入三甲基铟(TMIn)，生长 5个周期的InGaN 多量子阱发光层； 第五步：加入二茂基镁(Cp2Mg)生长Mg掺杂的p-GaN单晶层； 第六步： 用NH3退火； 第七步：外延片质量检验。,蓝宝石GaN基

22、外延片制作过程 (续),蓝宝石Al2O3 衬底,GaN缓冲层,Si：n型GaN层,InGaN量子阱发光层,Mg：p型GaN层,用来生产GaN 基LED的MOVCD外延炉种类： 1.双向流系统(Two-Flow MOCVD) 其水平进料气体为N2、NH3、TMGa等气体，垂直方向进料气体为H2和N2。其优点为让外延所成长出的膜均匀且厚度均一，其主要原理是利用垂直方向的H2和N2气体将其水平方向的进料气体N2、NH3、TMGa等气体往下压，使其反应均匀减少反应不均匀而导致影响LED特性。 2.高速垂直流向系统(High Speed Vertical Rotating Type) 此类反应器为Col

23、d-wall，其反应之原理为将进料气体族及族气体由上而下进入反应器内高温下高速转动的基板衬底上进行反应，而外延片在Load Lock部份先进抽真空步骤，可使外延效果均匀及均一，另外的优点为设备在高转速1500rpm下可使边界层之Coating变薄，反应器空间较大可以一次生产六片以上的外延片，可做为量产型的设备。 3.封闭式旋转盘外延系统(Closed space rotating disc type) 此类反应器为密闭空间之反应器，其反应之原理为将进料气体族由上而下进入反应器，族气体由水平方向进入反应器内。气体在高温下、高速转动的基板衬底上进行反应，而外延片与反应器之顶端距离约1cm，这代表可

24、供气体反应的空间只有这么小；可使磊晶效果更加的均匀及均一。其原因为因外延片与反应气体进口之距离不大，其气体的反应空间不大，远比别种反应器小了许多，外延的效果比其它的MOCVD炉好。,十二.氮化镓(GaN) MOCVD反应炉,4.放射状横向流系统(Planetary rotation with radial horizontal flow) 为Axtrion公司所所发明的，其优点为在常压下即可操作且反应器可容纳七片以上的外延片。 5.日本酸素横向三向流系统(Nippon sanso three-flow MOCVD) 为日本酸素所生产的MOCVD设备，也是目前日本公司大部分所使用设备。日本酸素的

25、设备为非量产型，一次只能生产一片，但性能良好，可生产高品质激光二级管都没问题。设备操作条件：在常压及低压都可操作、控温精准，在进料气体方面其主要是将NH3、MO Gas、N2平行入反应器，其利用N2来稳定NH3、 MO Gas的均匀混合来达到最佳之磊晶效果。,氮化镓(GaN) MOCVD反应炉,国际上MOCVD设备制造商主要有三家：德国的AIXTRON公司、美国的EMCORE公司（Veeco）、英国的Thomas Swan 公司（目前Thomas Swan公司被AIXTRON公司收购），这三家公司产品的主要区别在于反应室。,十三.GaN LED晶片制造,LED芯片的制造工艺流程：,外延片,清洗,MESA蚀刻,ITO蒸镀,PN电极制作,保护层制作,点测试,晶片切割,LED晶粒,