半导体照明基础讲座二
第七讲 芯片技术发展趋势
目前的外延技术可以使得InGaN有源层在常温和普通注入电流条件下的内量子效率达到90-95%，但当温度升高时，内量子效率会有较大的下降，因此要提高发光效率必须控制结温和提高出光效率。基于这点，技术发展趋势如下：
1)衬底剥离技术(Lift-off)
这项技术首先由美国惠普公司在AlGaInP/GaAs LED上实现， GaAs衬底使得LED内部光吸收损失非常大，通过剥离GaAs衬底，然后粘接在透明的GaP衬底上，可以提高近2倍的发光效率。蓝宝石衬底激光剥离技术(LLO)是基于GaN的同质外延发展的一项技术，利用紫外激光照射衬底，熔化缓冲层而实现衬底的剥离。2003年2月，OSRAM用LLO工艺将蓝宝石去除，将LED出光效率提至75%，是传统LED的3倍，目前他们已拥有了第一条LLO生产线。
2)表面粗化技术
可以提高出光效率，但直接粗化容易对有源层造成损伤，同时透明电极更难制备。目前通过改变外延片生长条件得到表面粗化是一个较为可行的工艺。
3)制备基于二维光子晶体的微结构
这也是提高出光效率的一个途径，2003年9月日本松下电器制备出光子晶体的LED,其直径1.5微米,高0.5微米的凹凸可以增加60%的出光。
4)倒装芯片技术(Flip-Chip)
较好地解决电极挡光和蓝宝石不良散热问题，从蓝宝石衬底面出光。根据美国Lumileds公司的结果，倒装芯片约增加出光效率1.6倍。
5)芯片表面处理技术
主要技术途径采用了用表面微结构或表面纹理结构(Surface Texture)化提升正面出光效率。紫外光LED表面通过图形转换(Patterning)技术提高光功率,对表面进行加工后，提高了紫外光LED的取光效率。
6)全方位反射膜
7)发展大功率大尺寸芯片
大尺寸芯片设计要注意到两个问题，一是大驱动电流下光效下降问题;二是低扩散电阻的P电极设计，尽量降低电功率耗散产生的热效应。
8)提高侧向出光的利用效率
需要对发光区底部的衬底(正面出光)或者外延层材料(背面出光)进行特殊的几何规格设计、并在适当的区域涂覆高反层薄膜，从而提高器件的侧向出光利用率，提高输出功率。
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第八讲 LED外延片--衬底材料
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，需要不同的外延生长技术、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。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面：
[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。
衬底的选择要同时满足以上九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。
表2-4：用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较
衬底材料 |
Al2O3 |
SiC |
Si |
ZnO |
GaN |
|
晶格失配度 |
差 |
中 |
差 |
良 |
优 |
|
界面特性 |
良 |
良 |
良 |
良 |
优 |
| 化学稳定性 |
优 |
优 |
良 |
差 |
优 |
|
导热性能 |
差 |
优 |
优 |
优 |
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第九讲 LED外延片--外延工艺
由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 Vapor Deposition，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：
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。
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。
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。
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。到目前为止，MOCVD是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看，还没有其它方法能与之相比。
国际上MOCVD设备制造商主要有三家：德国的AIXTRON公司、美国的EMCORE公司(Veeco)、英国的Thomas Swan 公司(目前Thomas Swan公司被AIXTRON公司收购)，这三家公司产品的主要区别在于反应室。
这些公司生产MOCVD设备都有较长的历史，但对氮化镓基材料而言，由于材料本身研究时间不长，对材料生长的一些物理化学过程还有待认识，因此目前对适合氮化镓基材料的MOCVD设备还在完善和发展之中。国际上这些设备商也只是1994年以后才开始生产适合氮化镓的MOCVD设备。目前生产氮化镓中最大MOCVD设备一次生长24片(AIXTRON公司产品)。国际上对氮化镓研究得最成功的单位是日本日亚公司和丰田合成，恰恰这些公司不出售氮化镓生产的MOCVD设备。日本酸素公司生产的氮化镓-MOCVD设备性能优良，但该公司的设备只在日本出售。
MOCVD设备的发展趋势：
研制大型化的MOCVD设备。为了满足大规模生产的要求，MOCVD设备更大型化。目前一次生产24片2英寸外延片的设备已经有商品出售，以后将会生产更大规模的设备，不过这些设备一般只能生产中低档产品;
研制有自己特色的专用MOCVD设备。这些设备一般只能一次生产1片2英寸外延片，但其外延片质量很高。目前高档产品主要由这些设备生产，不过这些设备一般不出售。
1)InGaAlP
四元系InGaAlP化合物半导体是制造红色和黄色超高亮度发光二极管的最佳材料，InGaAlP外延片制造的LED发光波段处在550～650nm之间，这一发光波段范围内，外延层的晶格常数能够与GaAs衬底完善地匹配，这是稳定批量生产超高亮度LED外延材料的重要前提。AlGaInP超高亮度LED采用了MOCVD的外延生长技术和多量子阱结构，波长625nm 附近其外延片的内量子效率可达到100%，已接近极限。目前MOCVD生长InGaAlP外延片技术已相当成熟。
InGaAlP外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的GaAs衬底基片上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到GaAs衬底表面，生长出具有特定组分，特定厚度，特定电学和光学参数的半导体薄膜外延材料。III族与V族的源物质分别为TMGa、TEGa、TMIn、TMAl、PH3与AsH3。通过掺Si或掺Te以及掺Mg或掺Zn生长N型与P型薄膜材料。对于InGaAlP薄膜材料生长，所选用的III族元素流量通常为(1-5)×10-5克分子，V族元素的流量为(1-2)×10-3克分子。为获得合适的长晶速度及优良的晶体结构，衬底旋转速度和长晶温度的优化与匹配至关重要。细致调节生长腔体内的热场分布，将有利于获得均匀分布的组分与厚度，进而提高了外延材料光电性能的一致性。
2)lGaInN
氮化物半导体是制备白光LED的基石，GaN基LED外延片和芯片技术，是白光LED的核心技术，被称之为半导体照明的发动机。因此，为了获得高质量的LED，降低位错等缺陷密度，提高晶体质量，是半导体照明技术开发的核心。
GaN外延片的主要生长方法：
GaN外延片产业化方面广泛使用的两步生长法，工艺简述如下：
由于GaN和常用的衬底材料的晶格失配度大，为了获得晶体质量较好的GaN外延层，一般采用两步生长工艺。首先在较低的温度下(500～600℃)生长一层很薄的GaN和AIN作为缓冲层，再将温度调整到较高值生长GaN外延层。Akasaki首先以AIN作为缓冲层生长得到了高质量的GaN晶体。AlN能与GaN较好匹配，而和蓝宝石衬底匹配不好，但由于它很薄，低温沉积的无定型性质，会在高温生长GaN外延层时成为结晶体。随后Nakamura发现以GaN为缓冲层可以得到更高质量的GaN晶体。
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第十讲 LED分选
人眼对于光的颜色及亮度的分辨率非常高，特别是对于颜色的差异和变化非常敏感。图2-14所示的是人眼对颜色变化的敏感曲线。从图中可以看出对于不同颜色波长的光人眼的敏感度是不同的。例如，对于波长为585 nm的光，当颜色变化大于1nm时，人眼就可以感觉到。而对于波长为650 nm的红光，当颜色变化在3nm的时候，人眼才能察觉到。对于波长为465 nm的蓝光和525 nm的绿光，人眼的分辨率分别为～2 nm和～3nm。
在早期，由于LED主要被作用指示或显示灯用，而且一般以单个器件出现，所以对于其波长的分选和亮度的控制要求并不高。可是随着LED的效率和亮度的不断提高，其应用范围越来越广。当LED作为阵列显示和屏幕元件时，由于人眼对于颜色波长和亮度的敏感性，用没有分选过的LED就产生了不均匀的现象，就而影响到人们的视觉效果。不论是波长不均匀或是光亮度的不均匀都会给人产生不舒服的感觉。这是各LED显示器制造厂家不愿看到的，也是人们无法接受的。LED的分选不可能将光学、电学特性和寿命及可靠性等所有参数都做，而是按照通常大家所关心的几个关键参数进行分类分选。这些关键参数有：主波长、发光强度、光通量、色温、工作电压、反向击穿电压等。
LED的测试与分选是LED供应商的一项必要的工序。而且目前它是许多LED芯片厂商的产能瓶颈，也是LED芯片成本的一个重要来源。在外延片的均匀度得到控制以前，比较行之有效的方法是解决快速低成本的芯片分选问题。
(1)LED的分选方法：
LED的分选有两种方法进行：一是以芯片为基础的测试分选，二是对封装后的LED管子进行分选。
1)以LED管子的形式进行分选：
封装好的LED管子可以按照波长、发光强度、发光角度以及工作电压等分类。其结果是把LED分成很多档次和类别，然后测试分选机会自动地根据设定把LED分装在不同的Bin内。由于人们对于LED的要求越来越严，早期的分选机是32Bin后来增加到64Bin。现在已有72Bin的商用分选机。即使这样，分Bin的数量仍然无法满足生产和市场的需求。
对于LED封装厂来说，如果他们的客户是用在大型显示屏上或是其它高档应用上，他们对LED的质量就会有较高的要求。特别是在波长与亮度的一致性上的要求会很严格。假如LED封装厂在采购芯片上没有提出严格的要求，则这些封装厂在做了大量的封装后会发现，他们还是无法提供足够多的LED给他们的客户。因为在他们已封装好的LED中很少的数量能满足某一客户的要求。当封装厂把他们其中的一少部分提供给其中的一个客户后，其余大部分变成为放在仓库里的存货。这种情形迫使LED封装厂在采购LED芯片时提出严格的要求，特别是对波长、亮度和工作电压的指标。比如，过去人们的波长要求是±2 nm，而现在则要求为±1 nm，甚至在某些应用上，人们已提出±0.5 nm的要求。这样对于芯片厂就产生了巨大的压力，因为他们在卖芯片时必须进行严格的分选。
2)以芯片的形式分选
相比较封装好的LED，芯片分选的难度很大，主要的原因是LED的芯片一般都很小，从9mil—14mil(0.22 mm—0.35 mm)的尺寸。这样小的芯片在抓放的过程中需要比较精确的机械和图像识别系统，而测试则需要微探针才能够完成。这使得设备的造价变得较高，而且测试速度受到限制。目前典型的芯片分选测试系统，平均每台在100万元左右，而每小时的分选数量大约为2000个左右。这使得芯片分选测试的产能每月不到1KK。这与封装好的LED的分选相比显得既昂贵又缓慢，性价比很低。
目前芯片的分选有两种方法：一是测试分选由同一台机器完成，它的优点是可靠，但速度太慢，产能太低。另一种是测试与分选由两台机器完成。一台设备，如图2-16所示，专门用于测试，并记录下每个芯片的位置及参数，然后把这些数据传递到另一台专门用于分选的设备上，进行快速分选。这样做的优点是快速，但它的缺点是可靠性比较低，容易出现差错。因为在测试与分选两个步骤之间通常还有衬底减薄和芯片分离的工艺过程，而在这个过程中，外延片有可能碎裂或局部残缺。碎裂或局部残缺的片子使得实际的芯片分布与储存在分选机里的数据不符，这样会造成分选困难。
从以上的讨论可以看出，芯片分选的成本高，产能比较低。一台6片的MOCVD需要大约5台测试分选机与之配套，仅初期设备上的投资就需60万美元。
从根本上解决分选瓶颈问题的关键是改善外延片的均匀性。
如果一片外延片上它的波长分布在2 nm之内，亮度的变化在±15%之内，则我们可以将这个片子上的所有芯片归为一个Bin，只要通过测试把不合格的芯片去除就可以了。这样做将大大增加芯片的产能和降低芯片的成本。当然，在均匀性不是很好的情况下，人们也可以用测试并把“不合格”的芯片用喷墨涂抹的方式处理掉，从而快速地得到想要的“合格”芯片。但这样做的成本太高，把很多符合其他客户要求的芯片都做为不合格的废品处理了。最后核算出的成本可能是市场无法接受的水平。
从以上关于LED管子与芯片分选的比较中可以看出，比较经济的做法是对LED管子进行分选。但是由于LED管子的种类繁多，从不同的形式到不同的形状，从不同的直径到不同的发光角度，不同的客户有不同的要求，不同的应用有不同的要求，这使得全部在LED管子上进行分选变得很难操作，不太现实。况且目前LED的应用主要分布在几个波长段和亮度段的范围，一个封装厂很难准备各种各样的客户和需求能消化掉所有的各种形式和种类的LED。比较实际的做法还是购买客户所需要的芯片来封装成所需要的LED管子。所以问题的关键又回到了MOCVD的外延工艺过程。如何生长出所需波长及亮度的LED外延片是降低成本的关键点，这个问题不解决，LED的产能及成本仍将是一个不能完全解决的问题。在外延片的均匀度得到控制以前，比较行之有效的方法是解决快速低成本的芯片分选问题。
(2)分选设备
目前，LED芯片的分选设备主要由美国和日本厂商提供，而LED管子的分选机大多由台湾厂商提供，大陆还没有可提供类似设备的厂家。LED芯片分选机主要包括两大硬件部分和一套系统软件。硬件部分：一是机器手，另一部分是微探针和光电测试仪。而这人眼的分辨率分别为～2 nm和～3nm
这些关键参数有：主波长、发光强度、光通量、色温、工作电压、反向击穿电压等。