• 嚴格的產品質量控制體系 專業化的客戶服務體系


    垂直led的特色、工藝參數和性能比較

    發布時間:

    2022-04-25 09:50

    一、led的半導體和襯底材料簡介
     
    1.  led的電致發光原理
        如上圖所示,Led核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片,在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層,稱為p-n結。當給pn結兩端加正向電壓時,p區的空穴注入到n區,n區的電子注入到p區,這些注入的電子與空穴在pn結附近復合并將多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉換為光能,這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管,通稱LED。                      
     
     
    2.  led發光材料介紹
        對于半導體發光材料的選擇,首先要有合適的帶隙寬度,即發光二極管材料的帶隙寬度必須大于或等于所需發光波長的光子能量;其次,能夠獲得電導率高的P型和N型晶體,用以制備優良的PN結;再次,可獲得完整性好的優質晶體,這是制作高效率發光器件的必要條件;最后發光復合幾率要大。
    常用來制造led的半導體材料主要有砷化鎵、磷化鎵、鎵鋁砷、磷砷鎵、鋁銦鎵磷、銦鎵氮等III-V族半導體材料,其他還有IV族化合物半導體碳化硅、II-IV族化合物硒化鋅等。
     
    常用于led發光的III-V族半導體材料配方:
    顏色 波長/nm 電壓/V 半導體材料
    紅光 610<Λ<760 1.63<ΔV<2.03 AlGaAs、GaAsP
    AlGaInP、GaP
    橙光 590<Λ<610 2.03<ΔV<2.10 GaAsP、AlGaInP、GaP
    黃光 570<Λ<590 2.10<ΔV<2.18 GaAsP、AlGaInP、GaP
    綠光 500<Λ<570 1.9<ΔV<4.0. InGaN、GaN、GaP
    GaAsP、AlGaInP
    藍光 450<Λ<500 2.48<ΔV<3.7 ZnSe、InGaN、siC、C
    紫光 400<Λ<450 2.76<ΔV<4.0 InGaN
    紫外光 Λ<400 3.1<ΔV<4.4 AlN、AlGaN、AlGaInN
     
     
     
    3.  led襯底材料
     對于制作LED芯片來說,襯底材料的選用是首要考慮的問題,評價襯底材料要綜合考慮以下幾個因素:
    (1)襯底與外延膜的晶格匹配。襯底材料和外延膜晶格匹配很重要。晶格匹配包含二個內容:外延生長面內的晶格匹配,即在生長界面所在平面的某一方向上襯底與外延膜的匹配;沿襯底表面法線方向上的匹配。
    (2)襯底與外延膜的熱膨脹系數匹配。熱膨脹系數的匹配也很重要,外延膜與襯底材料在熱膨脹系數上相差過大不僅可能使外延膜質量下降,還會在器件工作過程中,由于發熱而造成器件的損壞。
    (3)襯底與外延膜的化學穩定性匹配。襯底材料需要有相當好的化學穩定性,不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質量下降。
    (4)材料制備的難易程度及成本的高低??紤]到產業化發展的需要,襯底材料的制備要求簡潔,而且其成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。
     
      各種led襯底的特性比較:
      藍寶石 硅基板 碳化硅基板 氮化鎵 鉬/鉬銅 氧化鋁 砷化鎵
    發展尺寸 目前量產為2”~10” 適合發展更大的尺寸 適合發展更大的尺寸 目前量產為2”~4”,更大的話量產不易 目前量產為2”~4”,更大的話量產不易 目前量產為2”~6”,更大的話量產不易 目前量產為2”~4”,更大的話量產不易
    開發的業者 海鉑,Rubicon,韓廠STC,
    臺廠臺聚光,日廠京瓷,
    Namiki
    以半導體背景廠為主,如東芝,Bridgelux 美商Cree Sorra,首爾半導體 Plansee 凱樂氏,九豪 同欣,Epistone
    產業鏈廠家數 參與者多,價格降幅快 參與者少,價格偏高 有專利,價格偏高 參與者少,價格偏高 參與者少,價格偏高 參與者少,價格偏高 參與者少,價格偏高
    晶格常數 與氮化鎵有晶格常數的問題 與氮化鎵晶格常數的差異性比藍寶石基板大 與氮化鎵晶格常數匹配比藍寶石基板好 使外延層的晶體結構和熱膨脹性能匹配 差異大 差異大 易于氮化鎵形成異質結構
    導熱能力 佳,適合大電流操作 佳,適合大電流操作 佳,同質外延 佳,同質外延
    熔點 高,2050℃ 高,2730℃
    透光度 佳,藍寶石基板不需剝離 差,硅基板多需經剝離程序 佳,可見光不被吸收 差,需經剝離程序
    成本 非常高
    外延制成 簡單 復雜 簡單 復雜 復雜 簡單 簡單
     
     
    二、 藍寶石襯底介紹
         藍寶石的組成為氧化鋁(Al2O3),是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成,其晶體結構為六方晶格結構。由于藍寶石具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點高(2045℃)等特點,同時藍寶石(單晶Al2O3 )C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數失配率小,使得藍寶石晶片成為制作白/藍/綠光LED的關鍵材料。
    藍寶石(Al2O3)特性表:
    分子式 Al2O3
    密度 3.95-4.1克/立方厘米
    晶體結構 六方晶格
    晶格常數 a=4.785Å , c=12.991Å
    莫氏硬度 9      (僅次于鉆石:10)
    熔點 2050℃
    沸點 3000℃
    熱膨脹系數 5.8×10 -6 /K 
    比熱 0.418W.s/g/k 
    熱導率 25.12W/m/k (@ 100℃) 
    折射率 no =1.768 ne =1.760 
    dn/dt 13x10 -6 /K(@633nm)
    透光特性 T≈80% (0.3~5μm) 
    介電常數 11.5(∥c), 9.3(⊥c) 

     
     
    1.  藍寶石長晶方法
       (1)柴氏拉晶法(Czochralski method),簡稱CZ法。先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯,再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面,在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結構的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升,并伴隨以一定的轉速旋轉,隨著晶種的向上拉升,熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上,進而形成一軸對稱的單晶晶錠。 
       (2)凱氏長晶法(Kyropoulos method),簡稱KY法,也叫泡生法。其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似,先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯,再以單晶之晶種(SeedCrystal,又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面,在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結構的單晶,晶種以極緩慢的速度往上拉升,但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸,待熔湯與晶種界面的凝固速率穩定后,晶種便不再拉升,也沒有作旋轉,僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固,最后凝固成一整個單晶晶碇。
     
     
    藍寶石晶體的生長技術發展:


    各種藍寶石長晶方法的比較:
     
     
    2.  藍寶石襯底加工流程
     藍寶石基片的原材料是晶棒,晶棒由藍寶石晶體加工而成。其相關制造流程如下:
     
    藍寶石晶體  晶棒
     
     
     
    基片
     
           
    藍寶石晶棒制造工藝流程:
        1)長晶: 利用長晶爐生長尺寸大且高品質的單晶藍寶石晶體
        2)定向: 確保藍寶石晶體在掏棒機臺上的正確位置,便于掏棒加工
        3)掏棒:以特定方式從藍寶石晶體中掏取出藍寶石晶棒
        4)滾磨:用外圓磨床進行晶棒的外圓磨削,得到精確的外圓尺寸精度
        5)品檢:確保晶棒品質以及以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規格藍寶石基片制造工藝流程:
        1)定向:在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置,以便于精準切片加工
        2)切片:將藍寶石晶棒切成薄薄的晶片
        3)研磨:去除切片時造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度
       4)倒角:將晶片邊緣修整成圓弧狀,改善薄片邊緣的機械強度,避免應力集中造成缺陷
       5)拋光:改善晶片粗糙度,使其表面達到外延片磊晶級的精度
       6)清洗:清除晶片表面的污染物(如:微塵顆粒,金屬,有機玷污物等)
       7)品檢:以高精密檢測儀器檢驗晶片品質(平坦度、表面微塵顆粒等),以合乎客戶要 求
     
    3.  藍寶石基板應用種類
          廣大外延片廠家使用的藍寶石基片分為三種:
    (1)C-Plane藍寶石基板
         這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍寶石基板面。這主要是因為藍寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對較低、物化性能穩定,在C面進行磊晶的技術成熟穩定。
    (2)R-Plane或M-Plane藍寶石基板
         主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜,以提高發光效率。通常在藍寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長的,而c軸是GaN的極性軸,導致GaN基器件有源層量子阱中出現很強的內建電場,發光效率會因此降低,發展非極性面GaN外延,克服這一物理現象,使發光效率提高。
    (3)圖案化藍寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡稱PSS)
         以生長(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍寶石基板上設計制作出納米級特定規則的微結構圖案藉以控制LED之輸出光形式,并可同時減少生長在藍寶石基板上GaN之間的差排缺陷,改善磊晶質量,并提升LED內部量子效率、增加光萃取效率。
         
     
     
                                         
                                                                              
    三.LED芯片制作工藝與結構設計
     
    1.  led外延生長工藝
       外延生長的基本原理是:MO源及NH3由載氣傳輸到反應室,以質量流量計控制氣體流量,反應物進入反應室后經載氣傳輸到襯底表面反應形成特定單晶薄膜。目前LED外延片生長技術主要采用有機金屬化學氣相沉積方法(MOCVD)。
    Led外延生長制程:                

     
     
    各種LED外延生長工藝:
              
                                                                        Multi-Buffer Layers                                                                                                                                     SiN/GaN Buffer Layers
     
             
     
                                                    Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO)                                                                                           Patterned Sapphire Substrate (PSS)
     
     
    2.  led芯片制作工藝介紹
        led芯片工藝一般分為前工藝、后工藝、點測分選三部分, 前工藝主要工作就是在外延片上做成一顆顆晶粒。簡單的說就是Chip On Wafer的制程。利用光刻機、掩膜版、ICP、蒸鍍機等設備制作圖形,在一個2英寸的wafer片上做出幾千~上萬顆連在一起的晶粒 。后工藝是將前工藝做成的含有數目眾多管芯的晶片減薄,然后用激光切割成一顆顆獨立的管芯。 點測分選的主要工作:

    (1)點測大圓片或方片上每一顆晶粒電性和光學性能;                             

    (2) 將大圓片按照條件表分成規格一致的方片;

    (3) 吸除外觀不良部分,并貼
    上標簽。
     
     Led晶圓級制程工藝:  

      制程步驟 使用設備
    前工藝 制作切割道
    平臺蝕刻
    P電極制作
    N電極制作
    焊墊制作
    保護層制作
    E-gun evaporator
    Mask aligner
    Furnace
    ICP(Dry etching)
    PECVD
    后工藝 測試
    研磨拋光
    切割與崩裂
     
    Mapping prober
    Lapping Machine
     
    點測分選 挑選
    檢查與包裝
    Scriber, Breaker
    Storing Machine
    點測機、分選機

     
    3.Led芯片的光刻工藝與電極制作工藝
       1)光刻工藝:
     
    2)電極制作工藝:
     
    4.  Led的結構發展介紹
         從LED的結構上講,可以將LED劃分為正裝結構、倒裝結構、垂直結構和3維垂直結構。
    (1)正裝結構:
         當前較為成熟的III-V族氮化物藍光芯片是用藍寶石材料作為襯底的,由于藍寶石襯底的絕緣性,所以普通的GaN 基LED 采用正裝結構。由于正裝結構LED p、n 電極在LED 的同一側,電流須橫向流過n-GaN 層,導致電流擁擠,局部發熱量高,限制了驅動電流;而且藍寶石襯底的導熱性差,嚴重的阻礙了熱量的散失。
    (2)倒裝結構:
         對于藍光LED芯片來講,其藍寶石襯底的導熱率比較低,為了解決散熱的問題,芯片的倒裝結構被提出,發光效率和散熱效果都有了改進。通常的LED倒裝焊結構仍然是橫向結構,仍然有電流擁塞現象,且不能進行表面粗化。
    (3)垂直結構:
         為了解決藍光LED倒裝焊芯片的不足之處,借鑒于紅光垂直結構LED芯片,藍光垂直結構芯片被提出。垂直結構與倒裝焊LED的主要區別如下:首先把LED芯片的P外延層的倒裝焊在支持襯底上,然后剝離生長襯底,形成垂直結構LED。
    (4)3維垂直結構
         通常把無需打金線的垂直結構LED芯片統稱為“3維垂直結構LED芯片”。 2005年:Cree提出3維垂直結構LED,采用如下的工藝制程:首先采用晶片鍵合(wafer bonding),然后,在支持襯底上形成通孔(via),在通孔中形成金屬栓(metal plug),再形成N-電極。由于該工藝制程比較復雜,良品率較低,一直沒有產品推上市場。2007年2月:Lumileds把無需打金線的藍光垂直結構LED芯片封裝(Rebel)投入市場。其主要特點是:支持襯底上的N電極穿過發光層與N外延層的中間部分相連接。2008年7月:秦皇島鵬遠光電、山東華光、上海藍寶、半導體所等合作開了3維紅光和藍光LED芯片的樣品。與垂直結構LED芯片相比,3維垂直結構LED芯片的主要優勢如下:
    (1)無需打線帶來的優勢:如3維垂直結構led芯片的封裝的厚度更薄等;
    (2)當把LED芯片應用于傳輸信息時,3維垂直結構LED芯片可以更快地傳輸信息;
    (3)更容易引入較大的驅動電流。
     
    四、垂直結構led介紹
      1. 垂直結構的LED芯片的定義:
        為了便于理解垂直結構的LED,一種基于電流在P類型外延層中流動的方向的垂直結構的LED的定義被提出:LED芯片帶有較高電阻的外延層(P-外延層)的大部分被一導電層覆蓋(例如,金屬層);導電層上的每一點基本為等電位;導電層與電極相連;電流基本上垂直流過高電阻的外延層?;谶@一定義:(1)對于垂直結構的LED芯片,不一定必須在芯片兩側制作電極。(2)外界電源可以在不同的位置與具有較低電阻的外延層(N-外延層)進行電連接,例如:在N-外延層的項部,或在N-外延層的中間部分(例如,Lumileds的Rebel)。
    (3)外部的電源與導電層可以以不同的方式連接,如:共晶焊、植金球、導電膠連接。
    2.  垂直結構led的特色與性能優勢
        與傳統的平面結構LED 相比,垂直結構LED 具有許多優點: 
        (1) 平面結構LED 的p、n 電極在同一側,電流須橫向流過n-GaN 層,導致電流擁擠,發熱量高;而垂直結構LED 兩個電極分別在LED 的兩側,電流幾乎全部垂直流過外延層,沒有橫向流動的電流,電流分布均勻,產生的熱量減少。 
        (2) 傳統的正裝結構采用藍寶石襯底,由于藍寶石襯底不導電,所以需要刻蝕臺面,犧牲了有源區的面積。另外,由于藍寶石襯底的導熱性差(35W/(m℃), 還限制了LED 芯片的散熱;垂直結構LED 采用鍵合與剝離的方法將藍寶石襯底去除,換成導電性好并且具有高熱導率的襯底,不僅不需要刻蝕臺面,可充分的利用有源區,而且可有效地散熱。 
        (3) 正裝結構GaN 基LED,p-GaN 層為出光面,由于該層較薄,不利于制作表面微結構。但是對于垂直結構LED,n-GaN 層為出光面,該層具有一定的厚度, 便于制作表面微結構,以提高光提取效率。 
        總之,與傳統平面結構相比,垂直結構在出光、散熱等方面具有明顯的優勢。 
     
    3.  垂直結構led的制程工藝
    GaN基垂直結構LED工藝與正裝結構LED工藝的最大差異在于,垂直結構LED需要引入襯底轉移技術。所謂襯底轉移技術是指用高熱導率與高電導率的新襯底取代原有的生長襯底。具體的步驟分為兩步,首先采用晶片鍵合的方法或者電鍍的方法將新襯底與外延片粘合在一起,然后再利用激光剝離、研磨以及濕法腐蝕等方法將原生長襯底去掉。
    旭明垂直led制程工藝:
                
    (1)在藍寶石襯底上生長led外延層    

    (2)將外延片制作成一顆顆一定尺寸的晶粒
    (3)制作反射層                                                          

    (4)led側壁鈍化處理
    (5)粘合銅合金層作為新襯底                              

    (6)去除藍寶石襯底
    (7)制作n電極

    (8)n-GaN表面粗化處理、檢測
     (9)劃片、包裝
     
    4.  垂直結構led的發展狀況
        當前全球幾大LED廠商,比如,美國Cree公司、德國Osram公司、美國Philips Lumileds公司、美國SemiLEDs都擁有自己GaN基垂直結構LED產品。此外,日本、韓國、臺灣以及國內各大LED廠商都在積極開發GaN基垂直結構LED芯片工藝。
       美國Cree公司是目前世界上采用SiC作為襯底材料制造藍光發光二極管用外延片和芯片的專業公司之一,該公司采用襯底轉移技術將發光層轉移在Si襯底上,有效地解決了芯片的散熱問題和提高出光效率的問題。Cree公司的功率LED芯片產品EZ系列采用薄膜芯片技術已經達到業界領先的光效水平,據2011年5月的報道顯示,Cree的白光LED器件研發水平已經達到231 lm/W,這是功率型白光LED有報道以來的最好成績。
      2007 年初,Lumileds 公司推出了薄膜倒裝(TFFC)LED 產品,實際上薄膜倒裝結構也是垂直結構LED的一種。由于技術的進步,使該產品可在任何環境中都能表現出最佳性能。使用TFFC技術的Luxeon K2 是專門為在1000mA 電流下工作而進行設計、分檔和檢測的LED。封裝后LED 的熱阻僅為5.5℃/W,經分檔和測試的產品(光輸出最小為160lm,1A 驅動電流)其光輸出在更高驅動電流下很容易就超過了220lm。
        德國Osram公司對比了四種結構的GaN基LED的光提取效率,其中“ThinGaN”芯片實際上就是垂直結構LED。該公司采用晶片鍵合與剝離技術將LED發光層轉移到新襯底(GaAs襯底或Ge襯底)上,于2007年開始銷售可發出1000lm 光通量的白色LED“OSTAR Lighting”的最新版。該產品在輸入功率為27W(工作電流700mA)時,可得到1000lm 的光通量,此時的發光效率約為37lm/W。把工作電流減小至350mA 時,發光效率可提高至75lm/W。
      美國SemiLEDs 公司成立于2004 年,是繼Osram和Cree之后,采用襯底轉移技術商品化生產GaN基垂直結構LED的廠商。該公司首先推出金屬Cu 基底的GaN基LED。
      在國內北京大學最早開展GaN基垂直結構的研發,此后從研究機構到各大LED公司都陸續開展此方面的研發工作。同方光電于2008年開始涉足垂直結構LED的研發,經過兩年多的努力,已經積累了一套Cu襯底電鍍、整平以及藍寶石剝離的完整技術。目前制作的垂直結構LED芯片,封裝白光后效率可達到100lm/W以上。目前,同方光電擁有垂直結構芯片制造專利10多項,已經有三項獲得國家知識產權局授權,兩項獲得臺灣專利局授權,一項獲得美國專利局授權,為開展垂直結構的研發與生產奠定了良好基礎。

    相關新聞

    暫無數據

    暫無數據

    久久久久99精品成人片直播,国产综合色产在线观看,国产高清不卡无码视频,免费AV大片黄在线观看