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1、LED芯片制造的工艺流程芯片制造的工艺流程LED芯片制造的工艺流程芯片制造的工艺流程属属LED上游产业上游产业靠设备靠设备内容内容一、一、LED芯片制造设备芯片制造设备二、二、LED芯片衬底材料的选用芯片衬底材料的选用三、三、LED外延片的制作外延片的制作四、四、LED对外延片的技术要求对外延片的技术要求五、五、LED芯片电极芯片电极P极和极和N极的制作极的制作六、六、LED外延片的切割成芯片外延片的切割成芯片一、LED芯片制造用设备芯片制造用设备外延片的制备：外延片的制备：MOCVDMOCVD：是制作：是制作LEDLED芯片的最重要技术。芯片的最重要技术。MOCVDMOCVD外外延延炉炉：是
2、是制制造造LEDLED最最重重要要的的设设备备。一一台台外外延延炉炉要要100100多多万万美美元元，投投资资最最大大的环节。的环节。电电极极制制作作设设备备：光光刻刻机机、刻刻蚀蚀机机、离离子子注入机等。注入机等。衬衬底底加加工工设设备备：减减薄薄机机、划划片片机机、检检测测设备等。设备等。1、MOCVD设备设备MOCVD金金属属有有机机物物化化学学气气相相淀淀积积（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition）2、光刻机、光刻机3、刻蚀机、刻蚀机4、离子注入机、离子注入机5、清洗机、清洗机6、划片机、划片机同一功能有不同型号设备选择7、芯片分选机、芯片分选机LE
3、D芯片的制造芯片的制造从从以以上上的的的的仪仪器器设设备备可可以以看看出出，LED芯芯片片的的制制造依靠大量的设备，而且有些设备价格昂贵。造依靠大量的设备，而且有些设备价格昂贵。LED芯芯片片质质量量依依赖赖于于这这些些设设备备和和操操作作这这些些设设备备的人员。的人员。设设备备本本身身的的制制造造也也是是LED生生产产的的上上游游产产业业，一一定程度上反映国家的光电子的发展水平。定程度上反映国家的光电子的发展水平。二、二、LED芯片衬底材料的选用芯片衬底材料的选用LED芯片首要考虑的问题：衬底材料的选用。芯片首要考虑的问题：衬底材料的选用。选选择择衬衬底底依依据据：根根据据设设备备和和LED
4、器器件件的的要要求求进进行选择。行选择。三种衬底材料三种衬底材料目前市面上一般有三种材料可作为衬底目前市面上一般有三种材料可作为衬底蓝宝石（蓝宝石（Al2O3）硅硅(Si)碳化硅（碳化硅（SiC）除除了了以以上上三三种种常常用用的的衬衬底底材材料料之之外外，还还有有GaAs、AlN、ZnO等材料。等材料。下面分别介绍三种材料的特点下面分别介绍三种材料的特点1、蓝宝石衬底、蓝宝石衬底蓝宝石衬底的优点：蓝宝石衬底的优点：生产技术成熟、器件质量好；生产技术成熟、器件质量好；稳定性很好，能够运用在高温生长过程；稳定性很好，能够运用在高温生长过程；机械强度高，易于处理和清洗。机械强度高，易于处理和清洗。
5、1、蓝宝石衬底、蓝宝石衬底蓝宝石衬底应用蓝宝石衬底应用GaN基材料和器件的外延层。基材料和器件的外延层。对应对应LED：蓝光（材料决定波长）：蓝光（材料决定波长）1、蓝宝石作为衬底的、蓝宝石作为衬底的LED芯片芯片芯片也叫晶粒芯片也叫晶粒1、蓝宝石作为衬底存的一些问题、蓝宝石作为衬底存的一些问题（1）晶晶格格失失配配和和热热应应力力失失配配，这这会会在在外外延延层层中中产产生生大大量量缺缺陷陷，同同时时给给后后续续的的器器件件加加工工工工艺艺造造成困难。成困难。（2）无无法法制制作作垂垂直直结结构构的的器器件件，因因为为蓝蓝宝宝石石是是一种绝缘体，常温下的电阻率大于一种绝缘体，常温下的电阻率大
6、于1011cm。1、蓝宝石作为衬底存的一些问题、蓝宝石作为衬底存的一些问题（3）成本增加：）成本增加：通通常常只只能能在在外外延延层层上上表表面面制制作作n型型和和p型型电电极极。在在上上表表面面制制作作两两个个电电极极，造造成成了了有有效效发发光光面面积积减减少少，同同时时增增加加了了器器件件制制造造中中的的光光刻刻和和刻刻蚀蚀工工艺艺过过程程，结果使材料利用率降低。结果使材料利用率降低。GaN基基材材料料的的化化学学性性能能稳稳定定、机机械械强强度度较较高高，不不容容易易对对其其进进行行刻刻蚀蚀，因因此此在在刻刻蚀蚀过过程程中中需需要要较较好好的设备。的设备。蓝蓝宝宝石石的的硬硬度度非非常
7、常高高，在在自自然然材材料料中中其其硬硬度度仅仅次次于于金金刚刚石石，但但是是在在LED器器件件的的制制作作过过程程中中却却需需要要对对它它进进行行减减薄薄和和切切割割（从从400nm减减到到100nm左左右右）。1、蓝宝石作为衬底存的一些问题、蓝宝石作为衬底存的一些问题（4）导导 热热 性性 能能 不不 是是 很很 好好（在在 100约约 为为25W/（mK）。为为了了克克服服以以上上困困难难，很很多多人人试试图图将将GaN光光电电器器件件直直接接生生长长在在硅硅衬衬底底上上，从从而而改改善善导导热热和和导导电电性性能。能。2、硅衬底、硅衬底硅硅是是热热的的良良导导体体，所所以以器器件件的的
8、导导热热性性能能可可以以明明显显改改善善，从而延长了器件的寿命。从而延长了器件的寿命。电电极极制制作作：硅硅衬衬底底的的芯芯片片电电极极可可采采用用两两种种接接触触方方式式，分分别别是是L接接触触（Laterial-contact,水水平平接接触触）和和V接接触触（Vertical-contact，垂垂直直接接触触），以以下下简简称称为为L型型电电极极和和V型型电电极极。通通过过这这两两种种接接触触方方式式，LED芯芯片片内内部部的的电电流流可可以以是是横横向向流流动动的的，也也可可以以是是纵纵向向流流动动的的。由由于于电电流流可可以以纵纵向向流流动动，因因此此增增大大了了LED的的发发光光面
9、面积积，从而提高了从而提高了LED的出光效率。的出光效率。2、硅衬底、硅衬底应应用用：目目前前有有部部分分LED芯芯片片采采用用硅硅衬衬底底，如如上上面面提提到到的的GaN材料的蓝光材料的蓝光LED3、碳化硅衬底、碳化硅衬底美国的美国的CREE公司专门采用公司专门采用SiC材料作为衬底材料作为衬底3、碳化硅衬底特点、碳化硅衬底特点电电极极：L型型电电极极设设计计，电电流流是是纵纵向向流流动动的的，两两个个电电极极分分布布在在器器件件的的表表面面和和底底部部，所所产产生生的的热热量量可可以以通通过过电电极极直直接接导导出出；同同时时这这种种衬衬底底不不需需要要电电流流扩扩散散层层，因因此此光光不
10、不会会被被电电流流扩扩散散层层的的材材料料吸吸收收，这这样又提高了出光效率。样又提高了出光效率。导导热热：碳碳化化硅硅衬衬底底的的导导热热性性能能（碳碳化化硅硅的的导导热热系系数数为为490W/(mK)）要要比比蓝蓝宝宝石石衬衬底底高高出出10倍倍以以上上。采采用用这这种种衬衬底底制制作作的的器器件件的的导导电电和和导导热热性性能能都都非非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。常好，有利于做成面积较大的大功率器件。成成本本：但但是是相相对对于于蓝蓝宝宝石石衬衬底底而而言言，碳碳化化硅硅制制造造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。4、蓝宝石衬底
11、与碳化硅衬底的、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片芯片4、三种衬底的性能比较、三种衬底的性能比较三、三、LED外延片的制作外延片的制作外延片制作技术分类外延片制作技术分类1 1、液相外延：红色、绿色、液相外延：红色、绿色LEDLED外延片。外延片。2 2、气相外延：黄色、橙色、气相外延：黄色、橙色LEDLED外延片。外延片。3 3、分子束外延、分子束外延4 4、金属有机化学气相沉积外延、金属有机化学气相沉积外延MOCVDMOCVD1、MOCVD设备工作原理设备工作原理载流气体载流气体金属有机反应源金属有机反应源 反应腔反应腔 反应通气装置反应通气装置真空泵真空泵阻断装置阻断装置压力控制压力控制
12、2、MOCVD设备工作原理说明设备工作原理说明MOCVD成长外延片过程成长外延片过程载载流流气气体体通通过过金金属属有有机机反反应应源源的的容容器器时时，将将反反应应源源的的饱饱和和蒸蒸气气带带至至反反应应腔腔中中与与其其它它反反应应气气体体混混合合，然然后后在在被被加加热热的的基基板板上上面面发发生生化化学学反反应应促促成成薄薄膜膜的的成成长长。因因此此是是一一种种镀镀膜膜技技术术，是是镀镀膜过程。膜过程。MOCVD方法方法影响蒸镀层的生长速率和性质的因素：影响蒸镀层的生长速率和性质的因素：温度温度压力压力反应物种类反应物种类反应物浓度反应物浓度反应时间反应时间衬底种类衬底种类衬底表面性质等
13、衬底表面性质等参参数数由由MOCVD软软件件计计算算，自自动动控控制制完完成成，同同时时要要实实验修正摸索。验修正摸索。MOCVD方法方法外延片生长中不可忽视的微观动力学问题外延片生长中不可忽视的微观动力学问题反应物扩散到衬底表面反应物扩散到衬底表面衬底表面的化学反应衬底表面的化学反应固态生长物的沉积固态生长物的沉积气态产物的扩散脱离气态产物的扩散脱离MOCVD方法方法反应气体在衬底的吸附反应气体在衬底的吸附表面扩散表面扩散化学反应化学反应固态生成物的成核和生长固态生成物的成核和生长气态生成物的脱附过程等气态生成物的脱附过程等注注意意：反反应应速速率率最最慢慢的的过过程程是是控控制制反反应应速
14、速率率的的步步骤骤，也是决定沉积膜组织形态与各种性质的关键。也是决定沉积膜组织形态与各种性质的关键。MOCVD反应系统结构反应系统结构进料区进料区反应室反应室废气处理系统废气处理系统MOCVD反应系统的技术要求反应系统的技术要求提供洁静的环境。提供洁静的环境。反反应应物物抵抵达达衬衬底底之之前前应应充充分分混混合合，以以确确保保外外延延层的成分均匀。层的成分均匀。反反应应物物气气流流需需在在衬衬底底的的上上方方保保持持稳稳定定的的流流动动，以确保外延层厚度均匀。以确保外延层厚度均匀。反反应应物物提提供供系系统统应应切切换换迅迅速速，以以长长出出上上下下层层接接口分明的多层结构。口分明的多层结构
15、。MOCVD参数实例参数实例南京大学省光电信息功能材料重点实验室使用南京大学省光电信息功能材料重点实验室使用MOCVD参数实例参数实例系统简介系统简介本本系系统统为为英英国国ThomasSwan公公司司制制造造，具具有有世世界界先先进进水水平平的的商商用用金金属属有有机机源源气气相相外外延延(MOCVD)材材料料生生长长系系统统，可可用用于于制制备备以以GaN为为代代表表的的第第三三代代半半导导体体材材料料。在在高高亮亮度度的的蓝蓝光光发发光光二二极极管管(LED)、激激光光器器(LD)、日日盲盲紫紫外外光光电电探探测测器器、高高效效率率太太阳阳能能电电池池、高高频频大大功功率率 电电 子子
16、器器 件件 领领 域域 中中 具具 有有 广广 泛泛 的的 应应 用用。MOCVD参数实例参数实例该该 设设 备备 承承 担担 并并 完完 成成 国国 家家“863”、国国 防防“973”计计划划项项目目和和江江苏苏省省自自然然科科学学基基金金等等多多项项研研究究任任务务。首首次次用用MOCVD方方法法在在LiAlO2衬衬底底上上实实现现非非极极化化GaN/InGaN量量子子阱阱生生长长和和LED器器件件制制备备，成成果果达达到到同同期期国国际际水水平平；研研制制的的新新型型半半导导体体InN材材料料其其相相关关技技术术达达到到国国际际先先进进水水平平；制制备备高高质质量量的的用用于于紫紫外外
17、探探测测器器结结构构材材料料性性能能指指标达到国际先水平。标达到国际先水平。MOCVD参数实例参数实例设备参数和配置：设备参数和配置：外延片外延片32英寸英寸/炉炉反应腔温度控制：反应腔温度控制：1200压力控制：压力控制：0800Torr（1Torr133.32Pa）激光干涉在位生长监测系统激光干涉在位生长监测系统反反应应气气体体：氨氨气气，硅硅烷烷（纯纯度度：6N=99.9999%）载气：氢气，氮气；（纯度：载气：氢气，氮气；（纯度：6N）MOCVD源源：三三 甲甲 基基 镓镓(TMGa)，三三 甲甲 基基 铟铟(TMIn),三甲基铝三甲基铝(TMAl)，二茂基镁，二茂基镁(Cp2Mg)国
18、产国产MOCVD设备设备中国电子科技集团公司第四十八研究所中国电子科技集团公司第四十八研究所l上游产业上游产业2、国产、国产MOCVD设备指标设备指标产产品品描描述述：GaN-MOCVD设设备备是是集集精精密密机机械械、电电子子、物物理理、光光学学、计计算算机机多多学学科科为为一一体体，是是一一种种自自动动化化程程度度高高、价价格格昂昂贵贵、技技术术集集成成度度高高的的尖尖端端电电子子专专用用设设备备，用用于于GaN系系半半导导体体材材料料的的外外延延生生长长和和蓝蓝色色、绿绿色色或或紫紫色色LED芯芯片片的的制制造造，是是国国家家半半导导体体照照明明（白白光光LED）工工程程实实施施中中最最
19、为为关关键键的的芯芯片片制制造造设设备备，也也是是光光电电子子行行业最有发展前景的专用设备。业最有发展前景的专用设备。2、国产、国产MOCVD设备指标设备指标生生产产能能力力：2（1英英寸寸=25.4mm）基基片，片，6片片/批；批；基片温度及精度：基片温度及精度：30012001；升温速度：升温速度：10/s；载片台转速：载片台转速：10200rpm（转数（转数/分）；分）；反应室压控范围：反应室压控范围：0.010.13Mpa；界面友好，操作简单。界面友好，操作简单。2、MOCVD设备操作培训与就业设备操作培训与就业2008年年7月月24日日，中中国国（深深圳圳）国国际际半半导导体体照照明
20、明展展览览会会期期间间，“MOCVD技技术术国国际际短短期期培培训训班班”。最最新新的的MOCVD技术。技术。“GaN基发光二极管结构表征方法基发光二极管结构表征方法”“基于基于MOCVD生产的高功率光电子器生产的高功率光电子器”“MOCVD硬件及维护硬件及维护”“用于产品监测的光学在位测量技术发展近况用于产品监测的光学在位测量技术发展近况”设备的操作与维护及其重要设备的操作与维护及其重要3、重要的、重要的MOCVDMOCVD已经成为工业界主要使用的镀膜技术。已经成为工业界主要使用的镀膜技术。使使用用MOCVD这这种种镀镀膜膜技技术术制制作作LED的的外外延延片片，即即在在衬底上镀多层膜。衬底
21、上镀多层膜。外外延延片片是是LED生生产产的的上上游游产产业业，在在光光电电产产业业中中扮扮演演重重要的角色。要的角色。有有些些专专家家经经常常用用一一个个国国家家或或地地区区拥拥有有MOCVD外外延延炉炉的数量来衡量这个国家或地区的光电行业的发展规模。的数量来衡量这个国家或地区的光电行业的发展规模。四、四、LED对外延片的技术要求对外延片的技术要求1、外延材料具有适合的禁带宽度、外延材料具有适合的禁带宽度2、外延材料的发光复合几率大、外延材料的发光复合几率大3、p型型n型两种外延材料的电导率要高型两种外延材料的电导率要高4、外延层的完整性、外延层的完整性1、外延材料具有适合的禁带宽度、外延材
22、料具有适合的禁带宽度禁带宽度决定发射波长：禁带宽度决定发射波长：=1240/EgLED的峰值发射波长（的峰值发射波长（nm）Eg外延材料的禁带宽度（外延材料的禁带宽度（eV）Eg由由材材料料性性质质决决定定，可可以以通通过过调调节节外外延延材材料料的的组分调整组分调整Eg。2、外延材料的发光复合几率大、外延材料的发光复合几率大LED的的发发光光原原理理：pn结结处处的的空空穴穴和和电电子子的的复复合合发发光光，同同时时伴伴有有热热产产生生，复复合合几几率率大大，则则发发光光效率高。效率高。InGaAlP材材料料，调调整整Ga-Al组组分分，改改变变Eg，得得到到黄黄绿绿到到深深红红的的LED波
23、波长长。但但改改变变组组分分的的同同时时使使得得直直接接跃跃迁迁半半导导体体材材料料变变为为间间接接跃跃迁迁，影影响响发发光效率。光效率。3、p型型n型两种外延材料的电导率要高型两种外延材料的电导率要高影响电导率的因素：掺杂浓度、温度、均匀性。影响电导率的因素：掺杂浓度、温度、均匀性。掺杂浓度：不应小于掺杂浓度：不应小于11017/cm3参杂温度：参杂温度：MOCVD反应腔温度反应腔温度及材料特性及材料特性参杂均匀型：参杂均匀型：MOCVD气流平稳、气压气流平稳、气压4、外延层的完整性、外延层的完整性外外延延层层的的完完整整性性：晶晶体体的的错错位位和和空空位位缺缺陷陷，氧氧气等杂质。气等杂质
24、。影影响响完完整整性性的的因因素素：不不同同的的外外延延技技术术、同同一一外外延技术不同的设备，同一设备不同的操作人员。延技术不同的设备，同一设备不同的操作人员。5、外延片检测、外延片检测表面平整度表面平整度厚度的均匀性厚度的均匀性径向电阻分布径向电阻分布5、外延片检测、外延片检测外延片（晶圆）外延片（晶圆）抽取九个点做参数测试抽取九个点做参数测试5、SSP3112-WLED外延片光色电参数测试仪外延片光色电参数测试仪杭州星谱光电科技有限公司杭州星谱光电科技有限公司5、SSP3112-WLED外延片光色电参数测试仪外延片光色电参数测试仪五、五、LED芯片电极芯片电极P极和极和N极制作极制作1.
25、1引引脚脚封封装装结结构构中中，看看到到LED结结构构有有内内部部电电极极和外部电极。和外部电极。更更一一般般的的情情况况，任任何何半半导导体体器器件件最最终终都都要要通通过过电极引线与外部电路相连接。电极引线与外部电路相连接。1、欧姆接触电阻、欧姆接触电阻定定义义：电电极极金金属属与与半半导导体体接接触触部部分分电电极极，电电流流-电电压压（I-V）呈呈现现线线性性关关系系，线线性性关关系系比比值值R=U/I，因因此此相相当当于于一一个个阻阻值值很很小小的的电电阻阻，称为欧姆接触电阻。称为欧姆接触电阻。欧欧姆姆电电阻阻对对LED器器件件的的影影响响：欧欧姆姆电电阻阻与与内内部部pn结结串串联
26、联如如果果欧欧姆姆电电阻阻大大，则则LED正正向向工工作作电电压压大大，注注入入效效率率低低器器件件发发热热、亮亮度度下下降降，寿命缩短。寿命缩短。结结论论：LED芯芯片片的的pn结结电电极极直直接接影影响响LED器器件的质量。件的质量。2、pn结电极的制作工艺结电极的制作工艺光刻光刻真空电子束蒸发真空电子束蒸发湿法腐蚀湿法腐蚀剥离剥离3、pn结电极材料结电极材料p型型电电极极：镍镍/铜铜（Ni/Au）良良好好的的透透光光性性和和电学特性。电学特性。n型型电电极极：进进行行合合金金化化目目的的减减小小电电极极之之间间的的影响。影响。但但进进行行进进行行合合金金化化的的过过程程也也会会对对p型型
27、电电极极产产生生影影响响，保保持持p型型电电极极在在对对n型型电电极极进进行行合合金金化化的的过过程中保持不变非常重要。程中保持不变非常重要。4、pn结电极结电极V型电极：芯片上要两个电极型电极：芯片上要两个电极L型型电电极极：相相对对V型型电电极极，芯芯片片上上只只要要一一个个电电极极，导导热热性能好，光输出功率高，大电流性能好，光输出功率高，大电流LED工作的工作的I-P特性好特性好5、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片不同的电极芯片不同的电极激光切割外延片成芯片激光切割外延片成芯片六、六、LED外延片的切割成芯片外延片的切割成芯片芯片分选机芯片分选机小小 结结MOCVDMOCVD外外延延片片的的制制作作：包包括括衬衬底底的的选选择择、MOCVDMOCVD镀膜技术简介、成品外延片的检测。镀膜技术简介、成品外延片的检测。LEDLED芯片电极的制造。芯片电极的制造。LEDLED芯片的切割、分选。芯片的切割、分选。