目前LED外延�生長技術主要采用有機金屬化學氣相沉積方�,這種方法的引用是基于LED外延生長基本原理,LED外延生長的基本原理是在一塊加熱至適當溫度的襯底基片(主要有藍寶石和SiC,Si)上,氣�(tài)物質(zhì)In,Ga,Al,P有控制的輸送到襯底表面,生長出特定單晶薄膜�
LED外延片的生產(chǎn)制作過程是非常復�,展完外延片,接下來就在每張外延片隨意抽取九點做測試,符合要求的就是良品,其它為不良品(電壓偏差很大,波長偏短或偏長等)。LED良品的外延片就要開始做電極(P�,N極),接下來就用激光切割外延片,然后百分百分撿,根�(jù)不同的電�,波�,亮度進行全自動化分檢,也就是形成led晶片(方片)。然后還要進行目測,把有一點缺陷或者電極有磨損�,分撿出�,這些就是后面的散晶。此時在藍膜上有不符合正常出貨要求的晶片,也就自然成了邊片或毛片�。不良品的外延片(主要是有一些參�(shù)不符合要求),就不用來做方片,就直接做電極(P�,N極),也不做分檢�,也就是目前市場上的LED大圓片(這里面也有好東西,如方片等)�
半導體制造商主要用拋光Si片(PW)和外延Si片作為IC的原材料�20世紀80年代早期開始使用外延片,它具有標準PW所不具有的某些電學特性并消除了許多在晶體生長和其后的晶片加工中所引入的表�/近表面缺��
歷史�,外延片是由Si片制造商生產(chǎn)并自用,在IC中用量不�,它需要在單晶Si片表面上沉積一薄的單晶Si層。一般外延層的厚度為2�20μm,而襯底Si厚度�610μm�150mm直徑片和725μm�200mm片)�
外延沉積既可(同時)一次加工多�,也可加工單�。單片反應器可生�(chǎn)出質(zhì)量的外延層(厚度、電阻率均勻性好、缺陷少);這種外延片用�150mm“前沿”產(chǎn)品和所有重�200 mm�(chǎn)品的生產(chǎn)�
LED外延�(chǎn)品應用于4個方�,CMOS互補金屬氧化物半導體支持了要求小器件尺寸的前沿工�。CMOS�(chǎn)品是外延片的應用領域,并被IC制造商用于不可恢復器件工藝,包括微處理器和邏輯芯片以及存儲器應用方面的閃速存儲器和DRAM(動�(tài)隨機存取存儲器)。分立半導體用于制造要求具有精密Si特性的元件?!捌娈悺保╡xotic)半導體類包含一些特種產(chǎn)�,它們要用非Si材料,其中許多要用化合物半導體材料并入外延層�。掩埋層半導體利用雙極晶體管元件�(nèi)重摻雜區(qū)進行物理隔離,這也是在外延加工中沉積的�
目前�200 mm晶片�,外延片�1/3�2000年,包括掩埋層在�(nèi),用于邏輯器件的CMOS占所有外延片�69[%],DRAM�11[%],分立器件占20[%]。到2005年,CMOS邏輯將占55[%],DRAM�30[%],分立器件占15[%]�
襯底 - 結構設計 - 緩沖層生� - N型GaN層生� - 多量子阱�(fā)光層� - P型GaN層生� - 退� - 檢測(光熒光、X射線� - 外延�
外延�- 設計、加工掩模版 - 光刻 - 離子刻蝕 - N型電極(鍍膜、退�、刻蝕) - P型電極(鍍膜、退�、刻蝕) - 劃片 - 芯片分檢、分�
具體介紹如下�
固定:將單晶硅棒固定在加工臺��
切片:將單晶硅棒切成具有精確幾何尺寸的薄硅片。此過程中產(chǎn)生的硅粉采用水淋,產(chǎn)生廢水和硅渣�
退火:雙工位熱氧化爐經(jīng)氮氣吹掃�,用紅外加熱�300~500�,硅片表面和氧氣�(fā)生反�,使硅片表面形成二氧化硅保護��
倒角:將退火的硅片進行修整成圓弧形,防止硅片邊緣破裂及晶格缺陷�(chǎn)�,增加磊晶層及光阻層的平坦度。此過程中產(chǎn)生的硅粉采用水淋,產(chǎn)生廢水和硅渣�
分檔檢測:為保證硅片的規(guī)格和�(zhì)量,對其進行檢測。此處會�(chǎn)生廢品�
研磨:用磨片劑除去切片和輪磨所造的鋸痕及表面損傷層,有效改善單晶硅片的曲度、平坦度與平行度,達到一個拋光過程可以處理的�(guī)�。此過程�(chǎn)生廢磨片��
清洗:通過有機溶劑的溶解作�,結合超聲波清洗技術去除硅片表面的有機雜質(zhì)。此工序�(chǎn)生有機廢氣和廢有機溶劑�
RCA清洗:通過多道清洗去除硅片表面的顆粒物�(zhì)和金屬離��
具體工藝流程如下�
SPM清洗:用H2SO4溶液和H2O2溶液按比例配成SPM溶液,SPM溶液具有很強的氧化能�,可將金屬氧化后溶于清洗�,并將有機污染物氧化成CO2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的有機污物和部分金�。此工序會產(chǎn)生硫酸霧和廢硫酸�
DHF清洗:用一定濃度的氫氟酸去除硅片表面的自然氧化�,而附著在自然氧化膜上的金屬也被溶解到清洗液中,同時DHF抑制了氧化膜的形�。此過程�(chǎn)生氟化氫和廢氫氟��
APM清洗� APM溶液由一定比例的NH4OH溶液、H2O2溶液組成,硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜(�6nm呈親水性),該氧化膜又被NH4OH腐蝕,腐蝕后立即又發(fā)生氧�,氧化和腐蝕反復進行,因此附著在硅片表面的顆粒和金屬也隨腐蝕層而落入清洗液�(nèi)。此處產(chǎn)生氨氣和廢氨水�
HPM清洗:由HCl溶液和H2O2溶液按一定比例組成的HPM,用于去除硅表面的鈉、鐵、鎂和鋅等金屬污染物。此工序�(chǎn)生氯化氫和廢鹽酸�
DHF清洗:去除上一道工序在硅表面產(chǎn)生的氧化�。磨片檢測:檢測�(jīng)過研磨、RCA清洗后的硅片的質(zhì)�,不符合要求的則從新進行研磨和RCA清洗�
腐蝕A/B:經(jīng)切片及研磨等機械加工�,晶片表面受加工應力而形成的損傷�,通常采用化學腐蝕去除。腐蝕A是酸性腐�,用混酸溶液去除損傷�,產(chǎn)生氟化氫、NOX和廢混酸;腐蝕B是堿性腐蝕,用氫氧化鈉溶液去除損傷層,產(chǎn)生廢堿液。本項目一部分硅片采用腐蝕A,一部分采用腐蝕B。分檔監(jiān)測:對硅片進行損傷檢測,存在損傷的硅片重新進行腐蝕�
粗拋光:使用一次研磨劑去除損傷�,一般去除量�10~20um。此處產(chǎn)生粗拋廢��
精拋光:使用精磨劑改善硅片表面的微粗糙程度,一般去除量1 um以下,從而的到高平坦度硅片。產(chǎn)生精拋廢��
檢測:檢查硅片是否符合要�,如不符合則從新進行拋光或RCA清洗。檢測:查看硅片表面是否清潔,表面如不清潔則從新刷洗,直至清��
包裝:將單晶硅拋光片進行包裝�
芯片到制作成小芯片之�,是一張比較大的外延片,所以芯片制作工藝有切割這快,就是把外延片切割成小芯片。它應該是LED制作過程中的一個環(huán)節(jié)
LED晶片的作用:
LED晶片為LED的主要原材料,LED主要依靠晶片來發(fā)��
LED晶片的組成:主要有砷(AS)�(AL)�(Ga)�(IN)�(P)�(N)�(Si)這幾種元素中的若干種組成�
LED晶片的分�
1、按�(fā)光亮度分�
A、一般亮度:R﹑H﹑G﹑Y﹑E�
B、高亮度:VG﹑VY﹑SR�
C、超高亮度:UG﹑UY﹑UR﹑UYS﹑URF﹑UE�
D、不可見�(紅外�):R﹑SIR﹑VIR﹑HIR
E、紅外線接收管:PT
F、光電管:PD
2、按組成元素分:
A、二元晶�(磷﹑�):H﹑G�
B、三元晶片(磷﹑鎵﹑砷):SR﹑HR﹑UR�
C、四元晶�(磷﹑鋁﹑鎵﹑�):SRF﹑HRF﹑URF﹑VY﹑HY﹑UY﹑UYS﹑UE﹑HE、UG
LED晶片特性表�
LED晶片型號�(fā)光顏色組成元素波長(nm)晶片型號發(fā)光顏色組成元素波長(nm�
SBI藍色lnGaN/sic 430 HY超亮黃色AlGalnP 595
SBK較亮藍色lnGaN/sic 468 SE高亮桔色GaAsP/GaP 610
DBK較亮藍色GaunN/Gan 470 HE超亮桔色AlGalnP 620
SGL青綠色lnGaN/sic 502 UE最亮桔色AlGalnP 620
DGL較亮青綠色LnGaN/GaN 505 URF最亮紅色AlGalnP 630
DGM較亮青綠色lnGaN 523 E桔色GaAsP/GaP635
PG純綠GaP 555 R紅色GAaAsP 655
SG標準綠GaP 560 SR較亮紅色GaA/AS 660
G綠色GaP 565 HR超亮紅色GaAlAs 660
VG較亮綠色GaP 565 UR最亮紅色GaAlAs 660
UG最亮綠色AIGalnP 574 H高紅GaP 697
Y黃色GaAsP/GaP585 HIR紅外線GaAlAs 850
VY較亮黃色GaAsP/GaP 585 SIR紅外線GaAlAs 880
UYS最亮黃色AlGalnP 587 VIR紅外線GaAlAs 940
UY最亮黃色AlGalnP 595 IR紅外線GaAs 940
襯底材料是半導體照明�(chǎn)�(yè)技術發(fā)展的基石。不同的襯底材料,需要不同的外延生長技�、芯片加工技術和器件封裝技�,襯底材料決定了半導體照明技術的�(fā)展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面:
[1]結構特性好,外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常�(shù)失配度小、結晶性能�、缺陷密度小�
[2]界面特性好,有利于外延材料成核且黏附性強�
[3]化學�(wěn)定性好,在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐��
[4]熱學性能�,包括導熱性好和熱失配度小�
[5]導電性好,能制成上下結構�
[6]光學性能�,制作的器件所�(fā)出的光被襯底吸收��
[7]機械性能�,器件容易加�,包括減�、拋光和切割��
[8]價格低廉�
[9]大尺�,一般要求直徑不小于2英吋�
襯底的選擇要同時滿足以上九個方面是非常困難�。所以,目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的�(diào)整來適應不同襯底上的半導體發(fā)光器件的研發(fā)和生�(chǎn)。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多,但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二�,即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。表2-4對五種用于氮化鎵生長的襯底材料性能的優(yōu)劣進行了定性比��
�2-4:用于氮化鎵生長的襯底材料性能�(yōu)劣比�
襯底材料 Al2O3 SiC Si ZnO GaN
晶格失配� � � � � �(yōu)
界面特� � � � � �(yōu)
化學�(wěn)定� �(yōu) �(yōu) � � �(yōu)
導熱性能 � �(yōu) �(yōu) �(yōu) �(yōu)
熱失配度 � � � � �(yōu)
導電� � �(yōu) �(yōu) �(yōu) �(yōu)
光學性能 �(yōu) �(yōu) � �(yōu) �(yōu)
機械性能 � � �(yōu) � �
價格 � � � � �
尺寸 � � � � �
1)氮化鎵襯底
用于氮化鎵生長的最理想的襯底自然是氮化鎵單晶材�,這樣可以大大提高外延膜的晶體�(zhì)�,降低位錯密�,提高器件工作壽命,提高�(fā)光效�,提高器件工作電流密�。可�,制備氮化鎵體單晶材料非常困�,到目前為止尚未有行之有效的辦法。有研究人員通過HVPE方法在其他襯�(如Al2O3、SiC、LGO)上生長氮化鎵厚膜,然后通過剝離技術實�(xiàn)襯底和氮化鎵厚膜的分�,分離后的氮化鎵厚膜可作為外延用的襯�。這樣獲得的氮化鎵厚膜�(yōu)點非常明�,即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯密度,比在Al2O3、SiC上外延的氮化鎵薄膜的位錯密度要明顯低;但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導體照明的襯底之用受到限制�
氮化鎵襯底生�(chǎn)技術和設備�
缺乏氮化鎵襯底是阻礙氮化物研究的主要困難之一,也是造成氮化鎵發(fā)光器件進展目前再次停頓的根本原�!雖然有人從高壓熔體中得到了單晶氮化鎵體材料,但尺寸很小,無法使用,目前主要是在藍寶�、硅、碳化硅襯底上生長。雖然在藍寶石襯底上可以生產(chǎn)出中低檔氮化鎵發(fā)光二極管�(chǎn)�,但�(chǎn)品只能在氮化鎵襯底上生產(chǎn)。目前只有日本幾家公司能夠提供氮化鎵襯底,價格奇貴,一�2英寸襯底價格�1萬美�,這些襯底全部由HVPE(氫化物氣相外延)生�(chǎn)�
HVPE是二十世紀六七十年代的技�,由于它生長速率很快(一分鐘一微米以上�,不能生長量子阱、超晶格等結構材�,在八十年代被MOCVD、MBE等技術淘�。然�,恰是由于它生長速率�,可以生長氮化鎵襯底,這種技術又在“死灰復燃”并受到重視。可以斷�,氮化鎵襯底肯定會繼�(xù)�(fā)展并形成�(chǎn)�(yè)�,HVPE技術必然會重新受到重視。與高壓提拉法相比,HVPE方法更有望生�(chǎn)出可實用化的氮化鎵襯�。不過國際上目前還沒有商品化的設備出售�
目前國內(nèi)外研究氮化鎵襯底是用MOCVD和HVPE兩臺設備分開進行�。即先用MOCVD生長0.1�1微米的結晶層,再用HVPE生長�300微米的氮化鎵襯底�,將原襯底剝�、拋光等。由于生長一個襯底需要在兩個生長室中分兩次生長,需要降�、生長停�、取出等過程,這樣不可避免地會出現(xiàn)以下問題:①樣品表面粘污;②生長停頓、降溫造成表面再構,影響下次生��
今后研發(fā)的重點仍是尋找合適的生長方法,大幅度降低其成��
2� Al2O3襯底
目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底是Al2O3,其�(yōu)點是化學�(wěn)定性好、不吸收可見光、價格適�、制造技術相對成熟;不足方面雖然很多,但均一一被克�,如很大的晶格失配被過渡層生長技術所克服,導電性能差通過同側P、N電極所克服,機械性能差不易切割通過激光劃片所克服,很大的熱失配對外延層形成壓應力因而不會龜�。但是,差的導熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不�,卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出�
國內(nèi)外Al2O3襯底今后的研�(fā)任務是生長大直徑的Al2O3單晶,向4-6英吋方向�(fā)�,以及降低雜�(zhì)污染和提高表面拋光質(zhì)��
3)SiC襯底
除了Al2O3襯底�,目前用于氮化鎵生長襯底就是SiC,它在市場上的占有率位居第二,目前還未有第三種襯底用于氮化鎵LED的商�(yè)化生�(chǎn)。它有許多突出的�(yōu)�,如化學�(wěn)定性好、導電性能好、導熱性能�、不吸收可見光等,但不足方面也很突出,如價格太高、晶體質(zhì)量難以達到Al2O3和Si那么�、機械加工性能比較�� 另外,SiC襯底吸收380 nm以下的紫外光,不適合用來研發(fā)380 nm以下的紫外LED。由于SiC襯底�(yōu)異的的導電性能和導熱性能,不需要象Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術解決散熱問題,而是采用上下電極結構,可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題,故在�(fā)展中的半導體照明技術領域占有重要地��
目前國際上能提供商用的高�(zhì)量的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。國�(nèi)外SiC襯底今后研發(fā)的任務是大幅度降低制造成本和提高晶體結晶�(zhì)��
4)Si襯底
在硅襯底上制備發(fā)光二極管是本領域里夢寐以求的一件事�,因為一旦技術獲得突�,外延生長成本和器件加工成本將大幅度下降。Si片作為GaN材料的襯底有許多�(yōu)�,如晶體�(zhì)量高,尺寸大,成本低,易加工,良好的導電�、導熱性和熱穩(wěn)定性等。然�,由于GaN外延層與Si襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失�,以及在GaN的生長過程中容易形成非晶氮化�,所以在Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級�(zhì)量的GaN材料。另�,由于硅襯底對光的吸收嚴�,LED出光效率�。目前國外文獻報導的硅襯底上藍光LED光功率水平是420mW,是德國Magdeburg大學研制的。日本Nagoya技術研究所今年在上海國際半導體照明論壇上報道的硅襯底上藍光LED光輸出功率為18 mW�
5)ZnO襯底
之所以ZnO作為GaN外延的候選襯底,是因為他們兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相�、晶格失配度非常�,禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小,接觸勢�?�?。但�,ZnO作為GaN外延襯底的致命的弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中容易分解和被腐�。目�,ZnO半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器�,主要是材料�(zhì)量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有真正解決,適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成�。今后研�(fā)的重點是尋找合適的生長方��
但是,ZnO本身是一種有潛力的發(fā)光材�� ZnO的禁帶寬度為3.37 eV,屬直接帶隙,和GaN、SiC、金剛石等寬禁帶半導體材料相�,它�380 nm附近紫光波段�(fā)�?jié)�?,是高效紫光�(fā)光器�、低閾值紫光半導體激光器的候選材料。這是因為,ZnO的激子束縛能高達60 meV,比其他半導體材料高得多(GaN�26 meV�,因而具有比其他材料更高的發(fā)光效率�
另外ZnO材料的生長非常安�,可以采用沒有任何毒性的水為氧源,用有機金屬鋅為鋅源。因�,今后ZnO材料的生�(chǎn)是真正意義上的綠色生�(chǎn),原材料鋅和水資源豐�、價格便�,有利于大規(guī)模生�(chǎn)和持�(xù)�(fā)��
從LED工作原理可知,外延片材料是LED的核心部�,事實上,LED的波�、亮度、正向電壓等主要光電參數(shù)基本上取決于外延片材�。外延片技術與設備� 外延片制造技術的關鍵所�,金屬有機物化學氣相淀�(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,簡稱MOCVD)技術生長III-V�,II-VI族化合物及合金的薄層單晶的主要方法。下面是關于LED未來外延片技術的一些發(fā)展趨��
1.改進兩步法生長工藝
目前商業(yè)化生�(chǎn)采用的是兩步生長工藝,但一次可裝入襯底�(shù)有限�6片機比較成熟�20片左右的機臺還在成熟�,片�(shù)較多后導致外延片均勻性不夠。發(fā)展趨勢是 兩個方向:一是開�(fā)可一次在反應室中裝入更多個襯底外延片生長,更加適合于�(guī)?;a(chǎn)的技�,以降低成本;另外一個方向是高度自動化的可重復性的單片設備�
2.氫化物汽相外延片(HVPE)技�
采用這種技術可以快速生長出低位元錯密度的厚�,可以用做采用其他方法進行同質(zhì)外延片生長的襯底。并且和襯底分離的GaN薄膜有可能成為體單晶GaN芯片的替代品。HVPE的缺點是很難精確控制膜厚,反應氣體對設備具有腐蝕�,影響GaN材料純度的進一步提高�
3.選擇性外延片生長或側向外延片生長技�
采用這種技術可以進一步減少位元錯密度,改善GaN外延片層的晶體品�(zhì)。首先在合適的襯底上(藍寶石或碳化�)沉積一層GaN,再在其上沉積一層多晶態(tài)� SiO掩膜�,然后利用光刻和刻蝕技�,形成GaN視窗和掩膜層�。在隨后的生長過程中,外延片GaN首先在GaN視窗上生�,然后再橫向生長于SiO� ��
4.懸空外延片技�(Pendeo-epitaxy)
采用這種方法可以大大減少由于襯底和外延片層之間晶格失配和熱失配引�(fā)的外延片層中大量的晶格缺�,從而進一步提高GaN外延片層的晶體品�(zhì)。首先在合適的襯底上( 6H-SiC或Si)采用兩步工藝生長GaN外延片層。然后對外延片膜進行選區(qū)刻蝕,一直深入到襯底。這樣就形成了GaN/緩沖�/襯底的柱狀結構和溝槽交� 的形狀。然后再進行GaN外延片層的生長,此時生長的GaN外延片層懸空于溝槽上�,是在原GaN外延片層側壁的橫向外延片生長。采用這種方法,不需要掩膜,因此避免了GaN和醃膜材料之間的接觸�
5.研發(fā)波長短的UV LED外延片材�
它為�(fā)展UV三基色螢光粉白光LED奠定扎實基礎。可供UV光激�(fā)的高效螢光粉很多,其�(fā)光效率比目前使用的YAG:Ce體系高許�,這樣容易使白光LED上到新臺��
6.開發(fā)多量子阱型芯片技�
多量子阱型是在芯片發(fā)光層的生長過程中,摻雜不同的雜質(zhì)以制造結構不同的量子阱,通過不同量子阱發(fā)出的多種光子復合直接�(fā)出白�。該方法提高�(fā)光效率,可降低成�,降低包裝及電路的控制難�;但技術難度相對較��
7.開發(fā)「光子再迴圈」技�
日本Sumitomo�1999�1月研制出ZnSe材料的白光LED。其技術是先在ZnSe單晶基底上生長一層CdZnSe薄膜,通電后該薄膜�(fā)出的� 光與基板ZnSe作用�(fā)出互補的黃光,從而形成白光光源。美國Boston大學光子研究中心用同樣的方法在藍光GaN-LED上疊放一層AlInGaP� 導體復合�,也生成了白��
維庫電子�,電子知�,一查百��
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