led外延基础知识
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LED基础知识培训-外延、芯片王立 2009-3-16 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation内容提要 1 2 3 4 LED器件基础知识 LED器件基础知识 LED材料生长 LED材料生长 LED芯片制造芯片制造高效率LED芯片设计芯片设计高效率 Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 1、半导体发光的概念发光是物体内部以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。
发光是一种非平衡辐射。
区分各种非平衡辐射的宏观光学参量是辐射期间—去掉激发后辐射还可延续的时间。
发光的辐射期间在10-11秒以上。
Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识半导体发光的不同形态粉末发光。
薄膜发光。
结型发光。
通常所说的半导体发光是指结型发光——器件的核心在于p-n结。
半导体照明技术是结型电致发光和粉末光致发光的结合。
Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 2、半导体发光的研究历史 1907 ! Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi Corporation Lattice Power (Jiangxi CorporationLED器件基础知识 1923, O.W. Lossev of Russia reported electroluminescent light emission in silicon carbide crystals. 1937, F. Destriau of France reported (field-excited electroluminescence of zinc sulfide powders. 1939 – 1944 World War II 1951 – Solid State Lighting potential resurfaced when a team of researchers led by Kurt Lehovec started to investigate the electroluminescent potential of silicon carbide. 1962 – Nick Holonyak Jr, working at General Electric, gave the first practical demonstration of LEDs. 1968 – HP Labs develops the first commercially available light-emitting diode. GE, Bell Labs make the same claim. LEDs were first invented in England, Korea and China as well, depending upon who you talk to. …… 1994 –高亮度蓝光LED实现产业化,半导体照明成为可能。
LED外延片LED外延片生长的基本原理是:在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上,气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面,生长出特定单晶薄膜。
目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。
LED外延片衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。
不同的衬底材料,需要不同的LED外延片生长技术、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。
LED外延片衬底材料选择特点:1、结构特性好,外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小2、界面特性好,有利于外延材料成核且黏附性强3、化学稳定性好,在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀4、热学性能好,包括导热性好和热失配度小5、导电性好,能制成上下结构6、光学性能好,制作的器件所发出的光被衬底吸收小7、机械性能好,器件容易加工,包括减薄、抛光和切割等8、价格低廉。
9、大尺寸,一般要求直径不小于2英吋。
10、容易得到规则形状衬底(除非有其他特殊要求),与外延设备托盘孔相似的衬底形状才不容易形成不规则涡流,以至于影响外延质量。
11、在不影响外延质量的前提下,衬底的可加工性尽量满足后续芯片和封装加工工艺要求。
衬底的选择要同时满足以上十一个方面是非常困难的。
所以,目前只能通过外延生长技术的变更和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件的研发和生产。
用于氮化镓研究的衬底材料比较多,但是能用于生产的衬底目前只有二种,即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。
表2-4对五种用于氮化镓生长的衬底材料性能的优劣进行了定性比较。
LED外延片的衬底材料考虑的因素:1、衬底与外延膜的结构匹配: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、衬底与外延膜的化学稳定性匹配: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。
由LED工作原理可知,外延材料是LED的核心部分,事实上,LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。
发光二极管对外延片的技术主要有以下四条:①禁带宽度适合。
②可获得电导率高的P型和N型材料。
③可获得完整性好的优质晶体。
④发光复合几率大。
外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在,金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,简称MOCVD)技术生长III-V族,II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。
II、III族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物,如:Ga(CH3)3,In(CH3)3,Al(CH3)3,Ga(C2H5)3,Zn(C2H5)3等,它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。
用氢气或氮气作为载气,通入液体中携带出蒸汽,与V族的氢化物(如NH3,PH3,AsH3)混合,再通入反应室,在加热的衬底表面发生反应,外延生长化合物晶体薄膜。
MOCVD具有以下优点:用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反应室中,可以通过控制各种气体的流量来控制外延层的组分,导电类型,载流子浓度,厚度等特性。
因有抽气装置,反应室中气体流速快,对于异质外延时,反应气体切换很快,可以得到陡峭的界面。
外延发生在加热的衬底的表面上,通过监控衬底的温度可以控制反应过程。
在一定条件下,外延层的生长速度与金属有机源的供应量成正比。
MOCVD及相关设备技术发展现状:MOCVD技术自二十世纪六十年代首先提出以来,经过七十至八十年代的发展,九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术。
目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子材料生产中得到广泛应用。
日本科学家Nakamura将MOCVD应用氮化镓材料制备,利用他自己研制的MOCVD设备(一种非常特殊的反应室结构),于1994年首先生产出高亮度蓝光和绿光发光二极管,1998年实现了室温下连续激射10,000小时,取得了划时代的进展。
LED外延结构及材料特性分析_最终版引言:LED(Light Emitting Diode,发光二极管)作为一种半导体器件,近年来得到了广泛的应用和发展。
LED的外延结构和所使用的材料对其性能起着至关重要的作用。
本文将重点分析LED的外延结构及所使用的材料特性,并探讨其对LED性能的影响。
一、LED的外延结构LED的外延结构是指LED的多层薄膜结构,通常由衬底、外延层和上电极组成。
1.衬底材料:衬底材料对LED性能有着重要的影响。
常见的衬底材料有蓝宝石、氮化铝等。
其中,蓝宝石是质量最好的衬底材料之一,其热膨胀系数与外延层材料相匹配,有利于减小材料之间的应变。
而氮化铝衬底具有良好的导热性能和热稳定性,在高功率LED器件中应用较广。
2.外延层材料:外延层材料是LED中最重要的部分,直接影响到LED的光电转换效率。
常见的外延层材料有氮化镓(GaN)、磷化铟镓(InGaP)和砷化镓(GaAs)等。
其中,氮化镓是蓝光和绿光LED最常用的材料,具有优异的电子迁移率和光学特性;磷化铟镓则常用于红光和黄光LED,具有较大的能带间隙和较高的光电转换效率;砷化镓主要用于红外LED,其能带间隙比较适合红外光发射。
3.上电极:上电极是将电流注入到外延层材料中的重要部分,常见的上电极材料有透明导电氧化锡(ITO)和金属材料。
透明导电氧化锡通常用于制作透明的上电极,对于提高光输出有一定的帮助;金属材料如铝和银则常用于制作反射性上电极,有助于提高光提取效率。
二、LED材料的特性分析LED材料的特性包括电学特性、光学特性、热学特性和结构特性等。
1.电学特性:主要包括豫兆电压、电流密度和电导率等。
其中,豫兆电压是指在特定电流下,材料开始发光所需要的电压。
电流密度则是指通过材料单位面积的电流。
电导率是指材料的导电能力,影响LED的电流传输效率和导电功率损耗。
2.光学特性:主要包括发光效率、发光波长和色彩纯度等。
发光效率是指LED将电能转化为光能的效率,是衡量LED性能的一个重要指标;发光波长和色彩纯度则决定了LED发出的光的颜色和亮度,不同的外延材料和结构会导致不同的光学特性。
LED外延片介绍外延片的生产制作过程是非常复杂,展完外延片,接下来就在每张外延片随意抽取九点做测试,符合要求的就是良品,其它为不良品(电压偏差很大,波长偏短或偏长等)。
良品的外延片就要开始做电极(P极,N极),接下来就用激光切割外延片,然后百分百分捡,根据不同的电压,波长,亮度进行全自动化分检,也就是形成led晶片(方片)。
然后还要进行目测,把有一点缺陷或者电极有磨损的,分捡出来,这些就是后面的散晶。
此时在蓝膜上有不符合正常出货要求的晶片,也就自然成了边片或毛片等。
不良品的外延片(主要是有一些参数不符合要求),就不用来做方片,就直接做电极(P极,N极),也不做分检了,也就是目前市场上的LED 大圆片(这里面也有好东西,如方片等)。
半导体制造商主要用抛光Si片(PW)和外延Si片作为IC的原材料。
20世纪80年代早期开始使用外延片,它具有标准PW所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
历史上,外延片是由Si片制造商生产并自用,在IC中用量不大,它需要在单晶Si片表面上沉积一薄的单晶Si层。
一般外延层的厚度为2~20μm,而衬底Si厚度为610μm(150mm 直径片和725μm(200mm片)。
外延沉积既可(同时)一次加工多片,也可加工单片。
单片反应器可生产出质量最好的外延层(厚度、电阻率均匀性好、缺陷少);这种外延片用于150mm“前沿”产品和所有重要200 mm产品的生产。
外延产品外延产品应用于4个方面,CMOS互补金属氧化物半导体支持了要求小器件尺寸的前沿工艺。
CMOS产品是外延片的最大应用领域,并被IC制造商用于不可恢复器件工艺,包括微处理器和逻辑芯片以及存储器应用方面的闪速存储器和DRAM(动态随机存取存储器)。
分立半导体用于制造要求具有精密Si特性的元件。
“奇异”(exotic)半导体类包含一些特种产品,它们要用非Si材料,其中许多要用化合物半导体材料并入外延层中。
LED外延片介绍LED外延生长的基本原理是:在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和SiC,Si)上,气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面,生长出特定单晶薄膜。
目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。
外延片的生产制作过程是非常复杂,展完外延片,接下来就在每张外延片随意抽取九点做测试,符合要求的就是良品,其它为不良品(电压偏差很大,波长偏短或偏长等)。
良品的外延片就要开始做电极(P极,N极),接下来就用激光切割外延片,然后百分百分捡,根据不同的电压,波长,亮度进行全自动化分检,也就是形成LED晶片(方片)。
然后还要进行目测,把有一点缺陷或者电极有磨损的,分捡出来,这些就是后面的散晶。
此时在蓝膜上有不符合正常出货要求的晶片,也就自然成了边片或毛片等。
不良品的外延片(主要是有一些参数不符合要求),就不用来做方片,就直接做电极(P极,N极),也不做分检了,也就是目前市场上的LED大圆片(这里面也有好东西,如方片等)。
半导体制造商主要用抛光Si片(PW)和外延Si片作为IC的原材料。
20世纪80年代早期开始使用外延片,它具有标准PW所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
历史上,外延片是由Si片制造商生产并自用,在IC中用量不大,它需要在单晶Si片表面上沉积一薄的单晶Si层。
一般外延层的厚度为2~20μm,而衬底Si厚度为610μm(150mm直径片和725μm(200mm 片)。
外延沉积既可(同时)一次加工多片,也可加工单片。
单片反应器可生产出质量最好的外延层(厚度、电阻率均匀性好、缺陷少);这种外延片用于150mm“前沿”产品和所有重要200 mm产品的生产。
外延产品外延产品应用于4个方面,CMOS互补金属氧化物半导体支持了要求小器件尺寸的前沿工艺。
CMOS产品是外延片的最大应用领域,并被IC制造商用于不可恢复器件工艺,包括微处理器和逻辑芯片以及存储器应用方面的闪速存储器和DRAM(动态随机存取存储器)。
LED外延片及其生长工艺介绍LED外延片是由不同材料组成的多层晶体结构,其中包括衬底、缓冲层、活性层和包埋层。
衬底通常采用蓝宝石或碳化硅等材料,它的选择决定了LED芯片的电学性能和热学特性。
缓冲层用于降低晶格失配和提高外延层的质量,通常由氮化铝等材料构成。
活性层是LED发光材料,根据不同的发光波长选择不同的材料,如氮化镓、磷化铟镓等。
包埋层用于保护活性层,通常由氮化铝等材料构成。
MOCVD是一种在高温和高真空环境下进行的气相生长技术。
生长过程中,金属有机化合物和气体反应生成LED外延片的材料。
首先,通过加热衬底使其表面达到高温状态;然后,将金属有机化合物和载气分别送入反应室中;在反应室中,金属有机化合物和载气发生热解反应,生成金属原子和气体等;金属原子和气体沉积在高温的衬底表面上,形成外延层。
MOCVD生长过程中,需要控制反应温度、气体流量、反应时间等参数,以获得理想的外延层。
MBE是一种在低温和超高真空环境下进行的分子束生长技术。
该技术通过将材料原子逐个蒸发并束缚成细束,直接沉积在衬底上。
MBE生长过程中,需要控制蒸发源温度、衬底温度、分子束流、蒸发速率等参数,以保证外延层的质量和均匀性。
挤压法是一种通过压缩固体材料,使其产生塑性变形,并在压力下生长外延层的技术。
该方法适用于外延层厚度较小的情况,能够提高外延层的质量和均匀性。
除了上述的MOCVD、MBE和挤压法外,还有其他的LED外延片生长工艺,如气相外延法、液相外延法等。
这些方法都有各自的特点和适用范围,可以根据不同的需求进行选择。
总结起来,LED外延片是构成LED芯片的重要组成部分,生长工艺对其性能和质量有着重要的影响。
MOCVD是目前最常用的生长工艺,它通过在高温和高真空环境下进行气相生长,获得理想的外延层。
MBE和挤压法等也是常见的生长工艺,具有各自的优点和适用范围。
不同的生长工艺可以根据需求选择,以获得高质量的LED外延片。
LED外延片基础知识外延片的生产制作过程是非常复杂,展完外延片,接下来就在每张外延片随意抽取九点做测试,符合要求的就是良品,其它为不良品(电压偏差很大,波长偏短或偏长等)。
良品的外延片就要开始做电极(P极,N极),接下来就用激光切割外延片,然后百分百分捡,根据不同的电压,波长,亮度进行全自动化分检,也就是形成LED晶片(方片)。
然后还要进行目测,把有一点缺陷或者电极有磨损的,分捡出来,这些就是后面的散晶。
此时在蓝膜上有不符合正常出货要求的晶片,也就自然成了边片或毛片等。
不良品的外延片(主要是有一些参数不符合要求),就不用来做方片,就直接做电极(P极,N极),也不做分检了,也就是目前市场上的LED大圆片(这里面也有好东西,如方片等)。
半导体制造商主要用抛光Si片(PW)和外延Si片作为IC的原材料。
20世纪80年代早期开始使用外延片,它具有标准PW所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
历史上,外延片是由Si片制造商生产并自用,在IC中用量不大,它需要在单晶Si片表面上沉积一薄的单晶Si层。
一般外延层的厚度为2~20μm,而衬底Si厚度为610μm(150mm直径片和725μm(200mm片)。
外延沉积既可(同时)一次加工多片,也可加工单片。
单片反应器可生产出质量最好的外延层(厚度、电阻率均匀性好、缺陷少);这种外延片用于150mm“前沿”产品和所有重要200mm产品的生产。
外延产品外延产品应用于4个方面,C MOS互补金属氧化物半导体支持了要求小器件尺寸的前沿工艺。
CMOS产品是外延片的最大应用领域,并被IC制造商用于不可恢复器件工艺,包括微处理器和逻辑芯片以及存储器应用方面的闪速存储器和DRAM(动态随机存取存储器)。
分立半导体用于制造要求具有精密Si特性的元件。
“奇异”(exotic)半导体类包含一些特种产品,它们要用非Si材料,其中许多要用化合物半导体材料并入外延层中。