1、 1. 1.白色發光二極管白色發光二極管( (led) )發光原理發光原理 2.gan-led芯片的基本結構芯片的基本結構 3. 3.白光白光led制造過程制造過程 4. 4.氮化鎵氮化鎵(gan)半導體材料半導體材料 5. 5.氮化鎵氮化鎵(gan)單晶制備技術單晶制備技術 6. 6.氮化鎵氮化鎵(gan) 外延襯底材料外延襯底材料 7. 7.藍寶石晶棒制造工藝流程藍寶石晶棒制造工藝流程 8. 8.藍寶石拋光晶片制造工藝流程藍寶石拋光晶片制造工藝流程 9. 9.藍寶石切割面與基板應用種類藍寶石切割面與基板應用種類 10.10.金屬有機物化學氣相沉積金屬有機物化學氣相沉積(mocvd) 11.

2、11.藍寶石藍寶石gan外延片制作過程外延片制作過程 12.12.氮化鎵氮化鎵(gan) mocvd反應爐反應爐 13.13.氮化鎵氮化鎵(gan) led晶片制造晶片制造 14.14.氮化鎵氮化鎵(gan)白光白光 led封裝封裝 內容 白光發光二極管是由日本日亞化學公司第一個將其商品化，系二波長白光 (藍 色光+黃色光)，主要技術原理是以氮化鎵氮化鎵( (gan)系藍光二極管芯片加上yag黃色 熒光粉，利用藍光激發黃色熒光粉產生黃色光，同時配合自身產生的藍光，即 形成藍黃混合二波長白光。二波長白光led的光譜如圖所示。 另一種是正在研制的三波長（藍色光+綠色光+紅色光）白光發光二極管，三波

3、 長白光的技術原理，是用紫外光的氮化鎵系發光二極管芯片激發塗在其表面的 混合熒光粉（內含紅綠藍三色），使之產生三波長白光。此種白光光色均勻， 演色性好，不會像二波長白光有偏色現象（偏黃或偏藍）。 隨著白光led光效提升與技術進步， 白光led應用開始跨入照明領域，目前照明 led的光效已達150lm/w以上(日光燈光效是70lm/w)，正在向200lm/w邁進。 白光led與一般照明比較，除了省電外（用電量是一般燈泡的八分之一，日光 燈的二分之一），還有壽命長（可達5萬小時以上），安全環保（無污染）。 因此，白光led被譽為綠色照明光源。 一一. .白色發光二極管白色發光二極管( (led)

4、)發光原理發光原理 二二.gan-led芯片的基本結構芯片的基本結構 藍寶石al2o3 （ or sic）襯底 n型gan層 ingan多量子多量子阱層阱層 p型gan層 透明導電層 sapphire substrate gan buffer layer gan緩沖層 n-gan layer ingan mqw active layer p-gan layer transparent contact layer p-electrode p型電極 n-pad n型電極 三三. .白光白光led制造過程制造過程 制造襯底材料 加工制成晶片 gan外延生長 制成外延晶片 led晶片制造 制成led晶

5、粒 led晶粒封裝 制成led成品 白光led的制作過程與制作硅晶圓ic很相似，首先經過單晶生長技術，制成 藍寶石或碳化硅單晶棒，經過切割、研磨、拋光制成拋光晶片拋光晶片；再將其作為襯 底 (substrate)，使用外延技術將氮化鎵(gan)半導體生長在襯底表面，制成外延外延 晶片晶片；外延片經過半導體蝕刻工藝制成n型和p型電極，通過切割加工成led晶 粒；最后經過固晶、邦線、封膠等工序制成白光led成品。 氮化鎵(gan)屬于寬禁帶半導體材料，由于受到缺乏合適的單晶襯底材料、位 錯密度大等問題的困擾，發展一直較為緩慢。1991年，日本日亞化工公司(nichia ) 研制成功以藍寶石為襯底的

6、gan藍光發光二級管(led)之后，實現gan基藍光led的 商品化。該公司利用gan基藍光led和磷光技術，開發出白光led產品，此外，還 首先研制成功gan基藍光半導體激光器。日亞公司在發光器件領域取得的重大突 破，使gan半導體材料應用獲得成功。 氮化鎵氮化鎵(gan)半導體材料特點半導體材料特點: 氮化鎵(gan)作為一種化合物半導體材料，具有許多單晶硅(si)半導體材料所不 具備的優異性能，包括能夠滿足大功率、高溫、高頻和高速半導體器件的工作要 求。其中gan半導體材料最重要的物理特點是具有更寬的禁帶(3.4ev)，可以發射 波長比紅光更短的藍光。 以高亮藍光發光二極管(led)和藍

7、光激光器(ld)的研制成功為標志，gan被譽為 是繼第一代鍺(ge)、硅(si)半導體材料、第二代砷化鎵(gaas)、磷化銦(inp)化合物 半導體材料之后的第三代半導體材料。 gan基led最誘人的發展前景是用作普通白光照明；藍光激光器(ld) 代表性應 用是藍光dvd；gan制作微波功率器件優于現有的一切半導體材料。 四四. .氮化鎵氮化鎵(gan)半導體材料半導體材料 高亮度高亮度ledled、藍光激光器、藍光激光器ldld和功率晶體管是當前器件制和功率晶體管是當前器件制 造商和投資商最為感興趣和關注的三個造商和投資商最為感興趣和關注的三個gangan器件市場器件市場! ! 氮化鎵(ga

8、n)半導體材料性能優越，而自然界沒有天然的此 類材料，需要人工合成。 氮化鎵(gan)單晶制備非常困難，主要是由于熔點很高，裂 解壓強極大。 氮化鎵(gan)單晶制備有三種方法：外延法、升華法、高壓 溶液生長法。隨著gan單晶生長研究的日趨成熟，外延法外延法成 為gan單晶生長的主要技術。 五五. .氮化鎵氮化鎵(gan)(gan)單晶制備技術單晶制備技術 外延法原用于制造單晶硅單晶硅(si)(si)外延片外延片。單晶硅外延片是以 單晶硅拋光晶片為襯底（基片），在拋光片表面長成硅單晶 薄膜（也稱為磊晶）。晶片表面上的外延單晶硅膜具有襯底 單晶硅所不具備的一些電學特性，并消除了許多在晶體生長 和

9、加工中所引入的表面/近表面缺陷，因此，si外延片性能高 于si拋光片且價格較高，一般用于生產邏輯電路，而si拋光 片具有成本優勢，通常用于生產存儲器電路。 外延外延是指用外延工藝在襯底表面生長所需的單晶薄膜。 外延生長可分為多種：外延生長可分為多種： 1.按照襯底和外延層的化學成分不同，可分為同質外延和異 質外延； 2.按照反應機理可分為利用化學反應的外延生長和利用物理 反應的外延生長； 3.按生長過程中的相變方式可分為氣相外延、液相外延和固 相外延等。 氮化鎵外延依制程的不同，可分為：氮化鎵外延依制程的不同，可分為： 1.lpe（液相外延）：技術較低，主要用于一般的發光二極體； 2.mbe（

10、分子束外延）：技術層次較高，容易成長極薄的磊晶， 且純度高，平整性好，但量產能力低，磊晶成長速度慢。 3.3.mocvdmocvd（有機金屬氣相外延）（有機金屬氣相外延）：純度高，平整性好，量產能 力及磊晶成長速度較mbe快，所以現在大都以mocvd來生產。 氮化鎵氮化鎵(gan)(gan)單晶制備技術單晶制備技術( (續續) ) gan單晶外延生長需要有合適的襯底材料作基片（晶圓）； 最理想的襯底材料是gan單晶材料，在同質襯底上生成同 質外延層，然而，制備氮化鎵體單晶材料非常困難，目前 只有日本幾家公司能夠提供氮化鎵襯底，價格奇貴，一片 2英寸襯底價格約1萬美元；日本三菱化學正在開發可降低

11、 氮化鎵襯底價格的新制作方法“液相沉積法”，預計2012 年起開始供給以此方法制造的氮化鎵襯底樣品，2015年起 開始量產。 目前gan基氮化物薄膜一般都在異質異質襯底上生長的。用于 氮化鎵研究的異質襯底材料比較多，如氮化鎵(gan)、藍 寶石(al2o3) 、碳化硅(sic)、硅(si)、氧化鋅(zno)等材料， 但是能用于生產的襯底目前只有二種，即藍寶石(al2o3)和 碳化硅(sic)襯底。 六六. .氮化鎵氮化鎵(gan)(gan) 外延襯底材料外延襯底材料 缺點：缺點：不足方面雖然很多，但均被克 服，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

12、性能差不易切割 通過激光劃片所克服，。但是，差的 導熱性在器件小電流工作下沒有暴露 出明顯不足，卻在功率型器件大電流 工作下問題十分突出。 外延襯底材料外延襯底材料- -藍寶石藍寶石(al2o3) 藍寶石單晶(al2o3)是目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底材。 優點：優點：化學穩定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術 相對成熟； 碳化硅(sic)是用于氮化鎵生長的第二種襯底材料，它在市 場上的占有率位居第二。 優點：化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可 見光等； 缺點：價格太高、晶體質量難以達到al2o3和si那么好、機械 加工性能比較差。 外延襯底材料外延襯底材料- -碳化硅單晶

13、碳化硅單晶(sic)(sic) 由于sic襯底優異的導電性能和 導熱性能，不需要像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。目前 國際上能提供商用的高質量的sic襯 底的廠家只有美國cree公司。 碳化硅(sic) 七七. .藍寶石晶棒制造工藝流程藍寶石晶棒制造工藝流程 利用長 晶爐生 長尺寸 大且高 品質的 單晶藍 寶石晶 體 確保藍 寶石晶 體在取 棒設備 上的正 確位置, 便于取 棒加工 以特定 方式從 藍寶石 晶體中 掏取出 藍寶石 晶棒 用磨床 進行晶 棒的外 圓磨削, 達到精 確

14、的外 圓尺寸 精度 確保晶 棒品質 以及晶 棒尺寸 與方位 是否合 客戶規 格 晶錠晶棒 八八. .藍寶石拋光晶片制造工藝流程藍寶石拋光晶片制造工藝流程 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 將藍寶 石晶棒 切成薄 薄的晶 片 去除切 片時造 成的晶 片切割 損傷層 及改善 晶片的 平坦度 將晶片 邊緣修 整成圓 弧狀, 改善薄 片邊緣 的機械 強度 改善晶 片粗糙 度,使 其表面 達到外 延片磊 晶級的 精度 以高精 密檢測 儀器檢 驗晶片 品質以 合乎客 戶要求 清除晶 片表面 的污物 (如:微 塵顆粒, 金屬, 有機污 物等) 藍寶石平邊定位，及端面 傾

15、協角度的測量與確認， 以符合客戶要求 藍寶石拋光晶片制造工藝-定向定向orientation 平邊平邊 ：晶圓片圓周上的一個小平 面，是晶向定位的依據。 將完成軸向定位與粘貼的 晶棒，送入線切割機進行 切片； 此步驟關系到客戶厚度規 格及角度規格，是關鍵步 驟。 藍寶石拋光晶片制造工藝-切片切片slicing 除去前制程切片、磨削、 的缺陷如鋸痕、表面損傷 層 改善晶片平坦度(ttv) 、 平行度、翹曲度，為晶片 進行拋光制程做前期處理； 藍寶石拋光晶片制造工藝-研磨研磨lapping 剛切下來的晶片外邊緣很 鋒利，邊緣的棱角非常易 碎，為避免邊角崩裂影響 晶片強度、破壞表面光潔 和對后工序帶

16、來污染顆粒， 必須修整晶片邊緣形狀和 外徑尺寸。 將晶片邊緣修整成圓弧狀, 可改消除因應力集中造成 的晶片多項缺陷，改善晶 片的機械、彈性強度。 藍寶石拋光晶片制造工藝-導角導角edge profiling 藍寶石拋光晶片制造工藝-拋光拋光polishing 拋光制程使用拋光漿與 拋光墊，搭配適當溫度、 壓力與旋轉速度，可消 除前制程留下的機械/ 化學傷害層，改善晶圓 表面的粗糙度，并且得 到表面平面度極佳的晶 圓，避免客戶外延制程 中遭遇的聚焦問題 晶圓經過拋光后變得幾 乎完美無瑕。 清洗的目的在于清除晶 圓表面的污染物； 例如：表面微塵顆粒、 有機物、金屬等等，以 確保晶圓表面潔凈度。 藍

17、寶石拋光晶片制造工藝-清洗清洗cleaning 檢驗：在出貨前為客 戶做的最后把關動作， 使用高精密設備管控 晶片品質，測量 resistance、thickness、 ttv、stir、bow、 warp等晶圓特性。 藍寶石拋光晶片制造工藝-檢驗檢驗inspection 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。它常被應用的切面有a- plane,m-plane及r-plane。 九九. .藍寶石切割面與基板應用種類藍寶石切割面與基板應用種類 藍寶石切面圖圖 藍寶石切割面示意圖 藍寶石晶體結構圖 藍寶石基板切割方向示意藍寶

18、石基板切割方向示意 半極性面m-plane (a-plane ) 極性面c-plane 無極性面r-plane 供外延片廠家使用的藍寶石基片分為三種供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氮化鎵(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/半極性面氮化鎵(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

19、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， 而發展非極性面gan外延，克服這一物理現象，使發光效 率提高。 藍寶石切割面與基板應用種類（續）藍寶石切割面與基板應用種類（續） 3:圖案化藍寶石基板(pattern sapphire substrate簡稱pss) 藍寶石切割面與基板應用種類（續）藍寶石切割面與基板應用種類（續） 以生長或蝕刻的方式,在藍寶石基板上制作出微米級或納米 級的具有微結構特定規則的圖案,藉以控制led之輸出光形式 (藍寶石基板上的凹凸圖案會產生光散射或折射的效果增加光 的取出率),同時gan薄膜成長于圖案化藍寶石基板上會產生橫 向磊晶的效果,減少生長在藍

20、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。 與成長于一般藍寶石基板的led相比,亮度增加了70%以上。 金屬有機物化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition，簡稱mocvd)是在1968年由美國洛克威爾公司 提出來的一項制備化合物半導體化合物半導體單晶薄膜的新技術。 金屬有機化學氣相沉積 (mocvd)是利用金屬有機化合物作 為源物質(mo源)的一種化學氣相沉積(cvd)工藝。 mocvd外延生長的基本原理： 將襯底基板(拋光晶圓片)放 入外延爐反應室進行加熱，同時將、族金屬元素的烷 基化合物（甲

21、基或乙基化物）與非金屬(或族元素)的 氫化物(或烷基物)氣體混合后送入反應室，混合氣體流經 加熱的襯底表面時，在高溫下，發生熱份解反應，生成iii- v或ii-vi族化合物晶體沉積在襯底上，經過不斷的磊晶過程， 生長出厚度僅幾微米的化合物半導體單晶薄膜(即外延層)。 這種長有外延層的晶圓片稱為外延片外延片。 十十. .金屬有機物化學氣相沉積金屬有機物化學氣相沉積(mocvd) mocvd 兩步法外延兩步法外延gan 高溫處理緩沖層生長外延層生長 tmga nh3 溫度 1150oc 550oc 1050oc 化學方程式：化學方程式：ga(ch3)3+nh3 gan+ch4 三甲基鎵 gan和襯

22、底材料的晶格失配度大，日亞公司nakamura采用兩步生長工藝，先 生長出gan緩沖層，再在緩沖層生長出高質量的gan外延層。 藍光和白光led使用藍寶石gan基外延片； 藍寶石gan外延片由藍寶石al2o3襯底與gan基半導體外延薄膜組成； gan半導體外延薄膜主要由p型gan層， ingan多多量子阱層，n型gan層 三個部分構成。 十一十一. .藍寶石藍寶石gan基基外延片制作過程外延片制作過程 led藍寶石gan基外延片結構 藍寶石al2o3 襯底 gan緩沖層 n型gan層 ingan量子量子阱發光層阱發光層 p型gan層 外延片外延片 外延層外延層 襯底襯底 層層 外延片外延片 l

23、edled藍寶石藍寶石gan基基外延片工作流程外延片工作流程 藍寶石藍寶石gan基基外延片制作過程外延片制作過程( (續續) ) 尾氣 加熱線圈 晶片 反應室 nh3 藍氨 sih4 硅烷 tmga tmin cp2mg h2 h2 h2 mocvd的工作流程示意圖 升華 升華 升華 外延生長所需材料：外延生長所需材料： 1.鎵(ga )源：三甲基鎵【tmga =ga(ch3)3 】 2.銦(in )源：三甲基銦【tmin =in(ch3)3 】 3.氮(n) 源：藍氨( nh3 ) 4.p 型摻雜源：二茂基鎂【cp2mg=mg(c5h5)2 】 5.n 型摻雜源：硅烷(sih4) 6.載氣：

24、高純度的 氫氣(h2) 被精確控制流量的反應源材料經加熱升華，在氫氣(h2)的攜帶下，被通入石英 或不銹鋼的反應室，在藍寶石襯底上發生表面反應后生長外延層，襯底是放置在 被加熱的基座上的。在反應后殘留的尾氣被掃出反應室，通過去除微粒和毒性的 尾氣處理裝置后被排出系統。mocvd工作原理如圖所示。 gan 基外延薄膜生長過程：基外延薄膜生長過程： 第一步：藍寶石(al2o3)拋光晶片在氫氣(h2)的氣氛下加熱； 第二步：用藍氨( nh3 )氮化生長緩沖層，再用nh3和三甲基鎵(tmga)生長gan緩沖層緩沖層； 第三步：加入硅烷(sih4)，生長si摻雜的n-gan單晶層單晶層； 第四步：加入三

25、甲基銦(tmin)，生長 5個周期的ingan 多量子阱發光層多量子阱發光層； 第五步：加入二茂基鎂( (cp2mg)生長mg摻雜的p-gan單晶層單晶層； 第六步： 用nh3退火； 第七步：外延片質量檢驗。 藍寶石藍寶石gan基基外延片制作過程外延片制作過程 ( (續續) ) 藍寶石al2o3 襯底 gan緩沖層 si：n型gan層 ingan量子量子阱發光層阱發光層 mg：p型gan層 用來生產用來生產gangan 基基ledled的的movcdmovcd外延爐種類：外延爐種類： 1.雙向流系統(two-flow mocvd) 其水平進料氣體為n2、nh3、tmga等氣體，垂直方向進料氣體

26、為h2和n2。其優 點為讓外延所成長出的膜均勻且厚度均一，其主要原理是利用垂直方向的h2和n2氣 體將其水平方向的進料氣體n2、nh3、tmga等氣體往下壓，使其反應均勻減少反應 不均勻而導致影響led特性。 2.高速垂直流向系統(high speed vertical rotating type) 此類反應器為cold-wall，其反應之原理為將進料氣體族及族氣體由上而下進 入反應器內高溫下高速轉動的基板襯底上進行反應，而外延片在load lock部份先進 抽真空步驟，可使外延效果均勻及均一，另外的優點為設備在高轉速1500rpm下可 使邊界層之coating變薄，反應器空間較大可以一次生產

27、六片以上的外延片，可做為 量產型的設備。 3.封閉式旋轉盤外延系統(closed space rotating disc type) 此類反應器為密閉空間之反應器，其反應之原理為將進料氣體族由上而下進入 反應器，族氣體由水平方向進入反應器內。氣體在高溫下、高速轉動的基板襯底 上進行反應，而外延片與反應器之頂端距離約1cm，這代表可供氣體反應的空間只 有這么小；可使磊晶效果更加的均勻及均一。其原因為因外延片與反應氣體進口之 距離不大，其氣體的反應空間不大，遠比別種反應器小了許多，外延的效果比其它 的mocvd爐好。 十二十二. .氮化鎵氮化鎵(gan) mocvd反應爐反應爐 4.放射狀橫向流系

28、統(planetary rotation with radial horizontal flow) 為axtrion公司所所發明的，其優點為在常壓下即可操作且反應器可容納七片以 上的外延片。 5.日本酸素橫向三向流系統(nippon sanso three-flow mocvd) 為日本酸素所生產的mocvd設備，也是目前日本公司大部分所使用設備。日本 酸素的設備為非量產型，一次只能生產一片，但性能良好，可生產高品質激光二 級管都沒問題。設備操作條件：在常壓及低壓都可操作、控溫精準，在進料氣體 方面其主要是將nh3、mo gas、n2平行入反應器，其利用n2來穩定nh3、 mo gas的均勻混

29、合來達到最佳之磊晶效果。 氮化鎵氮化鎵(gan) mocvd反應爐反應爐 國際上mocvd設備制造商主要有三家：德國的aixtron公司、美國的emcore公司 （veeco）、英國的thomas swan 公司（目前thomas swan公司被aixtron公司收購），這三 家公司產品的主要區別在于反應室。 十三十三.gan led晶片制造晶片制造 ledled芯片的制造工藝流程芯片的制造工藝流程： 外延片外延片清洗清洗mesa蝕刻蝕刻ito蒸鍍蒸鍍pn電極制作電極制作 保護層制作保護層制作點測試點測試晶片切割晶片切割led晶粒晶粒焊墊制作焊墊制作 gan led晶片制造晶片制造-外延片清洗外延片清洗 清除