2004.12.15

LED PROCESS

Author ： HT Service

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Jemy

2004.12.15

OUTLINE

一、 LED 的分类二、 LED 概念与发光原理解释三、 LED 制程工艺四、相关设备五、 LED 应用市场及前景六、 Dicing Saw Introduction

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LED 的分类 按颜色可分为：红、橙、黄、绿、蓝等。其

中红、橙、黄、绿为传统色，蓝为新开发的品种。由于三基色红、绿、蓝的存在，根据不同的比例它们可以混合成自然界中所有色彩。故全彩 LED可以扩张其应用领域。

按发光强度可分为： a. 普通亮度 LED （发光强度 <10mcd ）；高亮度 LED( 发光强度在 10 ～ 100mcd 间 ) ；超高亮度 LED （发光强度 >100mcd ）。

按制作材料可分为：GaAs、 GaAsP 、 AlGaInP 、 GaP 、 GaAsAlP 、 GaN 等。

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LED 概念与发光原理解释

什么是发光二极管？ 概念：半导体发光二极管是一类具有一定量、一定成分之三五族材料，於輸入一定電壓 電流後，會發出一定波長，一定顏色，一定亮度光的结构较简单的半导体发光器件。其发射的波长覆盖了可见光、红外—远红外。（通常发光二极管是指发射可见光的二极管，发光光谱为 380—780nm ，为人眼所见。）

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LED 工作原理、特性

（一） LED 发光原理 发光二极管是由Ⅲ -Ⅳ族化合物，如 GaAs（砷化镓）、 GaP （磷化镓）、 GaAsP （磷砷化镓）、 AlGaInP （磷化铝镓铟）等半导体制成的，其核心是 PN 结。因此它具有一般 P-N 结的 I-N 特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由 N 区注入 P 区，空穴由 P 区注入 N 区。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是 P-N结发光的原理。如图 1 所示。

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（续）

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理论和实践证明，光的峰值波长 λ 与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅ g 有关，即 λ≈1240/Eg （ mm ）

电子由导带向价带跃迁时以光的形式释放能量，大小为禁带宽度 Eg ，由光的量子性可知， hf= Eg [h 为普朗克常量 ,f 为频率，据 f=c/λ, 可得 λ=hc/Eg, 当 λ 的单位用 um, Eg 单位用电子伏特（ eV ）时，上式为 λ=1.24um·ev/Eg ] ，若能产生可见光（波长在 380nm 紫光～ 780nm红光），半导体材料的 Eg 应在 1.59 ～ 3.26eV之间。

（续）

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（续）

在此能量范围之内，带隙为直接带的 III-V 族半导体材料只有 GaN 等少数材料。解决这个问题的一个办法是利用 III-V 族的二元化合物组成新的三元或四元 III-V 族固溶体，通过改变固溶体的组分来改变禁带宽度与带隙类型。

由两种 III-V 族化合物（如 GaP 和 GaAs 、 GaP 和 InP ）组成三元化合物固溶体，它们也是半导体材料 , 并且其能带结构、禁带宽度都会随着组分而变化，由一种半导体过渡到另一种半导体。

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X 的取值 三元化合物 Ga PX As 1-X

禁带宽度波长与颜色

X=0.2 Ga As 0.8P0.2 1.66eVλ=747nm 红色

X=0.35 GaAs0.65P0.35

1.848eVλ=671nm 橙色

（续）

由此可见，调节 X的值就能改变材料的能级结构，即改变 LED 的发光颜色。此即所谓的能带工程。

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LED 制程工艺（红黄光系列）

步骤 内容

前段 前段主要是外延片衬底以及外延层的生长

中段 中段主要包括：研磨、蒸镀、光刻、切割等过程

后段 后段则是根据不同的需要把做好的 LED封装成各种各样的形式

LED 制程主要可分为三个阶段：前段、中段、后段（也称：上游、中游、下游。专业术语则为：材料生长，芯片制备和器件封装。）

如下表所示：

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（续）

N-GaP-Si

Al

GaAs

GaInP-Al

P-GaP-Mg

Au

AuBe

Au

Ti

Au

Au

AuGeNi

Ni

右图为一颗四元系 LED芯片的结构，其中： P-GaP-Mg 、 GaInP-Al 、 N-GaP-Si 、 GaAs 是前段工序完成后的产品；而上面五层和下面四层则是中段工序要做的工作。

目前超高亮度发光二极管红黄光系列用 AlGaInP 四元系材料是性能最好的，其前段工序的主要核心技术： MOVPE（有機金屬氣相磊晶法）。

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（续）上游成品（外延

片）

研磨（减薄、抛光）

正面涂胶保护（ P面）

化学抛光

腐蚀

蒸镀（ P面）

蒸镀（ N面）

黄光室涂胶

去腊清洗、库房

去胶清洗

清洗

清洗

涂胶前先涂光阻附着液

LED工艺

光罩作业

腐蚀金、铍

合金

蒸镀钛、铝（ P面） 套刻

腐蚀铝、钛

切割工序

半切

显影、定影

去胶清洗

涂胶

去胶清洗

客户要求较高的

中游成品

点测

一刀切

客户要求不高

送各封装厂

显影、定影

全切

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切割

融化 此过程是将置放于石英坩锅内的块状原材料加热至其融化温度之上，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原材料，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。 颈部成长 当融浆的温度稳定之后，慢慢的将晶种往上拉升，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。 晶冠成长 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。 晶体成长 利用拉速与温度变化的调整来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界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。尾部成长 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。

LED Wafer 的成长

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切割：

晶棒长成以后就可以把它切割成一片一片的，也就是Wafer。

磊晶：

砷化镓磊晶依制程的不同，可分为 LPE(液相磊晶 ) 、 MOCVD( 有机金属气相磊晶 ) 及 MBE( 分子束磊晶 ) 。 LPE 的技术较低，主要用于一般的发光二极管，而MBE 的技术层次较高，容易成长极薄的磊晶，且纯度高，平整性好，但量产能力低，磊晶成长速度慢。 MOCVD除了纯度高，平整性好外，量产能力及磊晶成长速度亦较 MBE 为快，所以现在大都以 MOCVD 来生产。

其过程首先是将 GaAs衬底放入昂贵的有机化学汽相沉积炉（简 MOCVD ，又称外延炉），再通入 III 、 II 族金属元素的烷基化合物（甲基或乙基化物）蒸气与非金属 (V 或 VI 族元素）的氢化物（或烷基物）气体，在高温下，发生热解反应，生成 III-V 或 II-VI 族化合物沉积在衬底上，生长出一层厚度仅几微米（ 1毫米＝ 1000微米）的化合物半导体外延层。长有外延层的 GaAs片也就是常称的外延片。外延片经芯片加工后，通电就能发出颜色很纯的单色光，如红色、黄色等。不同的材料、不同的生长条件以及不同的外延层结构都可以改变发光的颜色和亮度。其实，在几微米厚的外延层中，真正发光的也仅是其中的几百纳米（ 1微米＝ 1000纳米）厚的量子阱结构。

反应式： Ga(CH3)3 +PH3= GaP+3CH4

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N-GaP-Si

基板（衬底）

N-GaP-Si

基板（衬底）

GaInP-Al 发光层

基板（衬底）

GaAs

LED 制程工艺

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N-GaP-Si

基板（衬底）

GaInP-Al 发光层P-GaP-Mg

蒸镀 Au （ P面）

蒸镀 AuBe （ P面）

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蒸镀 Au （ P面）

蒸镀 Au （ N面）

蒸镀 AuGeNi （ N面）

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蒸镀 Ni （ N面）

蒸镀 Au （ N面）

黄光室涂胶

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光罩作业

掩膜版

光 照

显影、定影

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腐蚀金、铍

去胶清洗

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蒸镀钛（ P面）

蒸镀铝（ P面）

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套刻前涂胶

光 照

光罩作业（套刻）

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显影、定影

腐蚀铝、钛

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Wafer 半切

Wafer 全切

切割 上视图

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经过封装后的 LED

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高亮度发光二极管是国内刚起步的一个新兴的行业，这里只是所有 LED 制作工艺中的一种，不同的厂家都有自己独到的一套制作工艺，各厂家所使用的设备都可能不一样，各道工序的作业方式、化学配方等也不一样，甚至不同的厂家其各道制作工序都有可能是互相颠倒的。

但是万变不离其宗，其主要的思想都是一样的：外延片的生长（ PN 结的形成） ---电极的制作（有金电极，铝电极，并形成欧姆接触） ---封装。

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相关设备• 用于 LED 光罩对准曝光微影制程。该设备是利用照相的技术，定义出所需要的图形，因为采用感光剂易曝光，得在黄色灯光照明区域内工作，所以其工作的区域叫做「黄光区」

单电子枪金属蒸镀系统

光罩对准曝光机

• 用于金属蒸镀（ ITO， Al， Ti，Au ， Ni ， Mo ， Pd ， Pt ， Ag）；金属薄膜欧姆接触蒸镀 ( 四元 LED ，蓝光 LED ，蓝光 LD) 制程。

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• 介电质薄膜厚度及折射率量测

光谱解析椭圆测厚仪

高溫快速熱處理系統

• 雜質熱退火處理• 金半接面合金處理

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（续）

晶片研磨機

晶片研磨機／拋光機

• 晶片研磨（ Sapphire 、 GaN 、Si ）• 晶片拋光

• 晶片研磨（ GaAs、 InP）• 晶片拋光

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切割机

• Dicing Saw

用于中道工序Wafer 的切割。

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贴膜机

清洗机

• 用于 Wafer切割前，把Wafer很好的贴于切割用膜的表面。

• 用于 Wafer切割后，把Wafer表面经切割后留下的污物冲洗干净。