《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LED外延片的知識(shí)介紹
摘要: 現(xiàn)發(fā)光效率的目標(biāo)要寄希望于GaN襯底的LED,實(shí)現(xiàn)低成本,也要通過GaN襯底導(dǎo)致高效、大面積、單燈大功率的實(shí)現(xiàn),以及帶動(dòng)的工藝技術(shù)的簡(jiǎn)化和成品率的大大提高。半導(dǎo)體照明一旦成為現(xiàn)實(shí),其意義不亞于愛迪生發(fā)明白熾燈。一旦在襯底等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破,其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將會(huì)取得長(zhǎng)足發(fā)展
關(guān)鍵詞: LED LED外延片 襯底
Abstract:
Key words :

  外延片的生產(chǎn)制作過程是非常復(fù)雜,展完外延片,接下來就在每張外延片隨意抽取九點(diǎn)做測(cè)試,符合要求的就是良品,其它為不良品(電壓偏差很大,波長(zhǎng)偏短或偏長(zhǎng)等)。良品的外延片就要開始做電極(P極,N極),接下來就用激光切割外延片,然后百分百分撿,根據(jù)不同的電壓,波長(zhǎng),亮度進(jìn)行全自動(dòng)化分檢,也就是形成LED晶片(方片)。然后還要進(jìn)行目測(cè),把有一點(diǎn)缺陷或者電極有磨損的,分撿出來,這些就是后面的散晶。此時(shí)在藍(lán)膜上有不符合正常出貨要求的晶片,也就自然成了邊片或毛片等。不良品的外延片(主要是有一些參數(shù)不符合要求),就不用來做方片,就直接做電極(P極,N極),也不做分檢了,也就是目前市場(chǎng)上的LED大圓片(這里面也有好東西,如方片等)。

     半導(dǎo)體制造商主要用拋光Si片(PW)和外延Si片作為IC的原材料。20世紀(jì)80年代早期開始使用外延片,它具有標(biāo)準(zhǔn)PW所不具有的某些電學(xué)特性并消除了許多在晶體生長(zhǎng)和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。

     歷史上,外延片是由Si片制造商生產(chǎn)并自用,在IC中用量不大,它需要在單晶Si片表面上沉積一薄的單晶Si層。一般外延層的厚度為2~20μm,而襯底Si厚度為610μm(150mm直徑片和725μm(200mm片)。

     外延沉積既可(同時(shí))一次加工多片,也可加工單片。單片反應(yīng)器可生產(chǎn)出質(zhì)量最好的外延層(厚度、電阻率均勻性好、缺陷少);這種外延片用于150mm“前沿”產(chǎn)品和所有重要200mm產(chǎn)品的生產(chǎn)。

     外延產(chǎn)品

     外延產(chǎn)品應(yīng)用于4個(gè)方面,CMOS互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產(chǎn)品是外延片的最大應(yīng)用領(lǐng)域,并被IC制造商用于不可恢復(fù)器件工藝,包括微處理器和邏輯芯片以及存儲(chǔ)器應(yīng)用方面的閃速存儲(chǔ)器和DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)。分立半導(dǎo)體用于制造要求具有精密Si特性的元件。“奇異”(exotic)半導(dǎo)體類包含一些特種產(chǎn)品,它們要用非Si材料,其中許多要用化合物半導(dǎo)體材料并入外延層中。掩埋層半導(dǎo)體利用雙極晶體管元件內(nèi)重?fù)诫s區(qū)進(jìn)行物理隔離,這也是在外延加工中沉積的。

     目前,200mm晶片中,外延片占1/3.2000年,包括掩埋層在內(nèi),用于邏輯器件的CMOS占所有外延片的69%,DRAM占11%,分立器件占20%.到2005年,CMOS邏輯將占55%,DRAM占30%,分立器件占15%.

     LED外延片--襯底材料

     襯底材料是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。不同的襯底材料,需要不同的外延生長(zhǎng)技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù),襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個(gè)方面:

     1、結(jié)構(gòu)特性好,外延材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)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強(qiáng)

     3、化學(xué)穩(wěn)定性好,在外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕

     4、熱學(xué)性能好,包括導(dǎo)熱性好和熱失配度小

  5、導(dǎo)電性好,能制成上下結(jié)構(gòu)

     6、光學(xué)性能好,制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小

     7、機(jī)械性能好,器件容易加工,包括減薄、拋光和切割等

     8、價(jià)格低廉

     9、大尺寸,一般要求直徑不小于2英寸。

     襯底的選擇要同時(shí)滿足以上九個(gè)方面是非常困難的。所以,目前只能通過外延生長(zhǎng)技術(shù)的變更和器件加工工藝的調(diào)整來適應(yīng)不同襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的研發(fā)和生產(chǎn)。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多,但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有三種,即藍(lán)寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底以及Si襯底。

     評(píng)價(jià)襯底材料必須綜合考慮下列因素:

     1.襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配:外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低;

     2.襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配:熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要,外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降,還會(huì)在器件工作過程中,由于發(fā)熱而造成器件的損壞;

     3.襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配:襯底材料要有好的化學(xué)穩(wěn)定性,在外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕,不能因?yàn)榕c外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降;

     4.材料制備的難易程度及成本的高低:考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要,襯底材料的制備要求簡(jiǎn)潔,成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。

     當(dāng)前用于GaN基LED的襯底材料比較多,但是能用于商品化的襯底目前只有三種,即藍(lán)寶石和碳化硅以及硅襯底。其它諸如GaN、ZnO襯底還處于研發(fā)階段,離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。

    氮化鎵:

     用于GaN生長(zhǎng)的最理想襯底是GaN單晶材料,可大大提高外延膜的晶體質(zhì)量,降低位錯(cuò)密度,提高器件工作壽命,提高發(fā)光效率,提高器件工作電流密度。但是制備GaN體單晶非常困難,到目前為止還未有行之有效的辦法。

     氧化鋅:

     ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底,是因?yàn)閮烧呔哂蟹浅s@人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格識(shí)別度非常小,禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)值小,接觸勢(shì)壘?。5?,ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點(diǎn)是在GaN外延生長(zhǎng)的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前,ZnO半導(dǎo)體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件,主要是材料質(zhì)量達(dá)不到器件水平和P型摻雜問題沒有得到真正解決,適合ZnO基半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的設(shè)備尚未研制成功。

     藍(lán)寶石:

     用于GaN生長(zhǎng)最普遍的襯底是Al2O3.其優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)穩(wěn)定性好,不吸收可見光、價(jià)格適中、制造技術(shù)相對(duì)成熟。導(dǎo)熱性差雖然在器件小電流工作中沒有暴露明顯不足,卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。

  碳化硅:

     SiC作為襯底材料應(yīng)用的廣泛程度僅次于藍(lán)寶石,目前中國(guó)的晶能光電的江風(fēng)益教授在Si襯底上生長(zhǎng)出了可以用來商業(yè)化的LED外延片。Si襯底在導(dǎo)熱性、穩(wěn)定性方面要優(yōu)于藍(lán)寶石,價(jià)格也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)寶石,是一種非常有前途的襯底。SiC襯底有化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電性能好、導(dǎo)熱性能好、不吸收可見光等,但不足方面也很突出,如價(jià)格太高,晶體質(zhì)量難以達(dá)到Al2O3和Si那么好、機(jī)械加工性能比較差,另外,SiC襯底吸收380納米以下的紫外光,不適合用來研發(fā)380納米以下的紫外LED.由于SiC襯底有益的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能,可以較好地解決功率型GaNLED器件的散熱問題,故在半導(dǎo)體照明技術(shù)領(lǐng)域占重要地位。

     同藍(lán)寶石相比,SiC與GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外,SiC具有藍(lán)色發(fā)光特性,而且為低阻材料,可以制作電極,使器件在包裝前對(duì)外延膜進(jìn)行完全測(cè)試成為可能,增強(qiáng)了SiC作為襯底材料的競(jìng)爭(zhēng)力。由于SiC的層狀結(jié)構(gòu)易于解理,襯底與外延膜之間可以獲得高質(zhì)量的解理面,這將大大簡(jiǎn)化器件的結(jié)構(gòu);但是同時(shí)由于其層狀結(jié)構(gòu),在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺(tái)階出現(xiàn)。

     實(shí)現(xiàn)發(fā)光效率的目標(biāo)要寄希望于GaN襯底的LED,實(shí)現(xiàn)低成本,也要通過GaN襯底導(dǎo)致高效、大面積、單燈大功率的實(shí)現(xiàn),以及帶動(dòng)的工藝技術(shù)的簡(jiǎn)化和成品率的大大提高。半導(dǎo)體照明一旦成為現(xiàn)實(shí),其意義不亞于愛迪生發(fā)明白熾燈。一旦在襯底等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破,其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將會(huì)取得長(zhǎng)足發(fā)展。
 

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