LED外延片成长工艺的解决方案

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外延片技术发展趋势及工艺一、材料方面：1.砷化镓外延片：砷化镓外延片是目前最常用的LED外延片材料，具有优异的光电性能和高效的电荷注入。

未来的发展趋势是提高砷化镓外延片的晶体质量，降低晶格失配和缺陷密度，以提高LED器件的发光效率和可靠性。

2.氮化镓外延片：氮化镓外延片是近年来新兴的LED外延片材料，具有宽带隙和高饱和电子迁移率等优点。

未来的发展趋势是进一步提高氮化镓外延片的制备工艺，降低杂质浓度和缺陷密度，以提高LED器件的发光效率和长寿命性能。

3.磷化铟外延片：磷化铟外延片是用于红/红橙光LED器件的关键材料，具有较高的发光效率和色纯度。

未来的发展趋势是进一步提高磷化铟外延片的晶体生长质量，改善杂质分布和缺陷密度，以提高LED器件的色纯度和发光效率。

二、技术方面：1.多量子阱技术：多量子阱技术是提高LED器件发光效率的重要途径，通过在外延片中构建多层次的量子阱结构，可以增加电荷载流子的约束，提高注入效率和辐射复合率。

2.柱状量子结构技术：柱状量子结构技术是提高LED器件发光强度和发光波长可调性的重要途径，通过在外延片中形成柱状结构，可以实现光的强烈约束和增强发光效率。

3.纳米结构技术：纳米结构技术是实现高效LED器件和全彩光电显示的关键技术，通过控制外延片中的纳米尺度结构，可以改善载流子限制和辐射复合效率，进一步提高LED器件的发光效率和色纯度。

三、工艺方面：1.MOCVD外延技术：金属有机化学气相沉积（MOCVD）是制备高质量LED外延片的主要工艺方法，未来的发展趋势是进一步提高MOCVD工艺的控制精度和均匀性，以获得更好的结晶质量和量子阱结构。

2.激光剥离技术：激光剥离技术是实现LED外延片的快速转移的关键技术，通过激光切割外延片和衬底之间的键合层，可以将外延片转移到其他材料上，实现快速制备和大面积生产。

3.外延薄化技术：外延薄化技术是实现LED器件超薄化的重要工艺，通过控制外延片的厚度，可以降低光散逸和损失，并提高器件的光输出效率和亮度。

近十几年来，为了开发蓝色高亮度发光二极管，世界各地相关研究的人员无不全力投入。

而商业化的产品如蓝光及绿光发光二级管LED 及激光二级管LD 的应用无不说明了III－V 族元素所蕴藏的潜能。

在目前商品化LED 之材料及其外延技术中，红色及绿色发光二极管之外延技术大多为液相外延成长法为主，而黄色、橙色发光二极管目前仍以气相外延成长法成长磷砷化镓GaAsP 材料为主。

一般来说，GaN 的成长须要很高的温度来打断NH3 之N-H 的键解，另外一方面由动力学仿真也得知NH3 和MO Gas 会进行反应产生没有挥发性的副产物。

LED 外延片工艺流程如下：衬底 - 结构设计- 缓冲层生长- N型GaN 层生长- 多量子阱发光层生- P 型GaN 层生长- 退火- 检测（光荧光、X 射线） - 外延片；外延片- 设计、加工掩模版- 光刻- 离子刻蚀- N 型电极（镀膜、退火、刻蚀） - P型电极（镀膜、退火、刻蚀） - 划片- 芯片分检、分级具体介绍如下：固定：将单晶硅棒固定在加工台上。

切片：将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄硅片。

此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。

退火：双工位热氧化炉经氮气吹扫后，用红外加热至300~500℃，硅片表面和氧气发生反应，使硅片表面形成二氧化硅保护层。

倒角：将退火的硅片进行修整成圆弧形，防止硅片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。

此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。

分档检测：为保证硅片的规格和质量，对其进行检测。

此处会产生废品。

研磨：用磨片剂除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。

此过程产生废磨片剂。

清洗：通过有机溶剂的溶解作用，结合超声波清洗技术去除硅片表面的有机杂质。

此工序产生有机废气和废有机溶剂。

RCA清洗：通过多道清洗去除硅片表面的颗粒物质和金属离子。

具体工艺流程如下：SPM 清洗：用H2SO4 溶液和H2O2 溶液按比例配成SPM 溶液，SPM 溶液具有很强的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液，并将有机污染物氧化成CO2 和H2O。

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。

LED外延芯片和外延工艺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 VaporDeposition，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：1. 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。

2. 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。

3. 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。

4. 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外延生长工艺概述1.基础概念：外延层是LED的活性层，也是发光层，通过注入电流和激发外延层的电子和空穴，发生复合释放出光子产生发光效果。

外延层的材料通常是由砷化镓(AlGaAs)或磷化镓(AlGaP)等半导体材料组成。

2.材料选择：在选择外延材料时需要考虑一系列的因素，比如材料的能带结构、禁带宽度、透明度、热导率等。

常用的外延材料有AlGaAs、GaAs、InP等。

根据不同的LED器件类型和应用需求，选择合适的外延材料是非常重要的。

3.工艺步骤：-衬底处理：将衬底（通常是蓝宝石或硅基片）进行表面处理，保证衬底表面的平整度、净度等要求。

-衬底预干燥：将衬底置于干燥炉中进行预干燥，以去除杂质和残留水分，保证外延层的纯净度。

-衬底预热：将预干燥后的衬底置于高温炉中进行预热，通过升温、保温等步骤，改善晶体生长的均匀性和晶格匹配性。

-外延层生长：通过化学气相沉积(CVD)或分子束外延(MBE)等技术，在衬底上生长外延层，控制生长时间、温度、气体流量等参数，使外延层尺寸和晶格与衬底匹配。

-冷却：将生长完的样品从外延炉中取出，放置在冷却台上，冷却样品，防止膨胀致使样品破裂。

-切割：将外延层生长完的样品切割成合适的大小，以便进行后续器件制备工艺。

4.常见问题：-杂质控制：在外延层生长过程中，杂质的控制是关键。

杂质的存在会导致材料性能下降，形成缺陷和不均匀性。

因此，需要采取相应的措施，比如采用高纯度原料、优化生长工艺等，控制杂质含量。

-生长速率控制：外延层的生长速率是影响品质的关键因素之一、如果生长速率过快，容易形成缺陷；生长速率过慢，则会影响生产效率。

因此，需要掌握适当的生长速率范围，以确保晶体品质和产量。

-晶格匹配：外延材料和衬底的晶格匹配性对于外延层质量的影响很大。

晶格不匹配会导致外延层晶格畸变、晶面偏转和缺陷生成，从而影响光学和电学效果。

因此，在选择外延层材料和衬底时需要注意晶格匹配性。

总结：LED外延生长工艺是制备高品质LED器件的关键步骤，通过合理的外延层生长工艺，可以提高LED的性能和可靠性。

今天来探讨LED外延片的成长工艺，早期在小积体电路时代，每一个6吋的外延片上制作数以千计的芯片，现在次微米线宽的大型VLSI，每一个8吋的外延片上也只能完成一两百个大型芯片。

外延片的制造虽动輒投资数百亿，但却是所有电子工业的基础。

硅晶柱的长成，首先需要将纯度相当高的硅矿放入熔炉中，并加入预先设定好的金属物质，使产生出来的硅晶柱拥有要求的电性特质，接着需要将所有物质融化后再长成单晶的硅晶柱，以下将对所有晶柱长成制程做介绍：长晶主要程式：1、融化(MeltDown)此过程是将置放于石英坩锅内的块状复晶硅加热制高于摄氏1420度的融化温度之上，此阶段中最重要的参数为坩锅的位置与热量的供应，若使用较大的功率来融化复晶硅，石英坩锅的寿命会降低，反之功率太低则融化的过程费时太久，影响整体的产能。

2、颈部成长(Neck Growth)当硅融浆的温度稳定之后，将方向的晶种渐渐注入液中，接着将晶种往上拉升，并使直径缩小到一定(约6mm)，维持此直径并拉长10-20cm，以消除晶种内的排差(dislocation)，此种零排差(dislocation-free)的控制主要为将排差局限在颈部的成长。

3、晶冠成长(Crown Growth)长完颈部后，慢慢地降低拉速与温度，使颈部的直径逐渐增加到所需的大小。

4、晶体成长(Body Growth)利用拉速与温度变化的调整来迟维持固定的晶棒直径，所以坩锅必须不断的上升来维持固定的液面高度，于是由坩锅传到晶棒及液面的辐射热会逐渐增加，此辐射热源将致使固业介面的温度梯度逐渐变小，所以在晶棒成长阶段的拉速必须逐渐地降低，以避免晶棒扭曲的现象产生。

5、尾部成长(Tail Growth)当晶体成长到固定(需要)的长度后，晶棒的直径必须逐渐地缩小，直到与液面分开，此乃避免因热应力造成排差与滑移面现象。

切割：晶棒长成以后就可以把它切割成一片一片的，也就是外延片。

芯片，圆片，是半导体元件"芯片"或"芯片"的基材，从拉伸长出的高纯度硅元素晶柱(Crystal Ingot)上，所切下之圆形薄片称为外延片(外延片)。

LED芯片(led chip)的制造工艺流程MOCVD技术外延生长的基本原理：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。

MOCVD介绍：金属有机物化学气相淀积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，简称 MOCVD）， 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品薄膜的新技术。

该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。

LED芯片的制造工艺流程：外延片→清洗→镀透明电极层→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图形光刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO2沉积→窗口图形光刻→SiO2腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离→退火→P极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→成品测试。

其实外延片的生产制作过程是非常复杂的，在展完外延片后，下一步就开始对LED外延片做电极（P极，N极），接着就开始用激光机切割LED外延片（以前切割LED外延片主要用钻石刀），制造成芯片后，在晶圆上的不同位置抽取九个点做参数测试，如图所示：1、 主要对电压、波长、亮度进行测试，能符合正常出货标准参数的晶圆片再继续做下一步的操作，如果这九点测试不符合相关要求的晶圆片，就放在一边另外处理。

2、 晶圆切割成芯片后，100%的目检（VI/VC），操作者要使用放大30倍数的显微镜下进行目测。

3、 接着使用全自动分类机根据不同的电压，波长，亮度的预测参数对芯片进行全自动化挑选、测试和分类。

4、 最后对LED芯片进行检查（VC）和贴标签。

LED外延片工艺流程：LED外延片工艺流程如下：衬底- 结构设计- 缓冲层生长- N型GaN层生长- 多量子阱发光层生- P型GaN层生长- 退火- 检测（光荧光、X射线）- 外延片外延片- 设计、加工掩模版- 光刻- 离子刻蚀- N型电极（镀膜、退火、刻蚀）- P型电极（镀膜、退火、刻蚀）- 划片- 芯片分检、分级具体介绍如下：固定：将单晶硅棒固定在加工台上。

切片：将单晶硅棒切成具有精确几何尺寸的薄硅片。

此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。

退火：双工位热氧化炉经氮气吹扫后，用红外加热至300~500℃，硅片表面和氧气发生反应，使硅片表面形成二氧化硅保护层。

倒角：将退火的硅片进行修整成圆弧形，防止硅片边缘破裂及晶格缺陷产生，增加磊晶层及光阻层的平坦度。

此过程中产生的硅粉采用水淋，产生废水和硅渣。

分档检测：为保证硅片的规格和质量，对其进行检测。

此处会产生废品。

研磨：用磨片剂除去切片和轮磨所造的锯痕及表面损伤层，有效改善单晶硅片的曲度、平坦度与平行度，达到一个抛光过程可以处理的规格。

此过程产生废磨片剂。

清洗：通过有机溶剂的溶解作用，结合超声波清洗技术去除硅片表面的有机杂质。

此工序产生有机废气和废有机溶剂。

RCA清洗：通过多道清洗去除硅片表面的颗粒物质和金属离子。

具体工艺流程如下：SPM清洗：用H2SO4溶液和H2O2溶液按比例配成SPM溶液，SPM溶液具有很强的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液，并将有机污染物氧化成CO2和H2O。

用SPM清洗硅片可去除硅片表面的有机污物和部分金属。

此工序会产生硫酸雾和废硫酸。

DHF清洗：用一定浓度的氢氟酸去除硅片表面的自然氧化膜，而附着在自然氧化膜上的金属也被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。

此过程产生氟化氢和废氢氟酸。

APM清洗：APM溶液由一定比例的NH4OH溶液、H2O2溶液组成，硅片表面由于H2O2氧化作用生成氧化膜（约6nm呈亲水性），该氧化膜又被NH4OH腐蚀，腐蚀后立即又发生氧化，氧化和腐蚀反复进行，因此附着在硅片表面的颗粒和金属也随腐蚀层而落入清洗液内。

LED的外延片生长技术介绍
外延片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-OrganicChemicalVaporDeposition，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。

下面是关于LED外延片技术的一些资料。

1.改进两步法生长工艺
目前商业化生产采用的是两步生长工艺，但一次可装入衬底数有限，6 片机比较成熟，20片左右的机台还在成熟中，片数较多后导致外延片均匀性不够。

发展趋势是两个方向：一是开发可一次在反应室中装入更多个衬底外延片生长，更加适合于规模化生产的技术，以降低成本；另外一个方向是高度自动化的可重复性的单片设备。

2.氢化物汽相外延片(HVPE)技术
采用这种技术可以快速生长出低位元错密度的厚膜，可以用做采用其他方法进行同质外延片生长的衬底。

并且和衬底分离的GaN薄膜有可能成为体单晶GaN芯片的替代品。

HVPE的缺点是很难精确控制膜厚，反应气体对设备具有腐蚀性，影响GaN材料纯度的进一步提高。

3.选择性外延片生长或侧向外延片生长技术
采用这种技术可以进一步减少位元错密度，改善GaN外延片层的晶体品质。

首先在合适的衬底上(蓝宝石或碳化硅)沉积一层GaN，再在其上沉积一层多晶态的SiO掩膜层，然后利用光刻和刻蚀技术，形成GaN视窗和掩膜层条。

在随后的生长过程中，外延片GaN首先在GaN视窗上生长，然后再横向生长于SiO条上。

4.悬空外延片技术(Pendeo-epitaxy)。