1、关于 LED 芯片制造工艺的探讨摘要：当前大力畅导环保、节能，发展绿色照明设备，LED 芯片制造工艺已成为未来的电子原器件发展的重要趋势。近年来 LED 以其热量低、亮度高、寿命长、零污染、可回收等无可比拟的优点，成为全球瞩目的新一代绿色光源，具有广阔的发展前景。文章首先介绍了 LED 芯片的制作工艺流程、制作方案，对当前国内 LED 芯片的主流制造工艺技术进行探讨。 关键词：LED 芯片；制造工艺；技术探讨 中图分类号： TM543 文献标识码： A 一、引言 LED 是发光二极体( Light Emitting Diode, LED)的简称，也被称作发光二极管，由美国无线电公司（Radio
2、 Corporation of America）Rubin Braunstein 发现。其发光原理是电子与空穴之间，通过加压，电子从一个空穴跳到另一个空穴，而另外一个空穴所能承受的能量比较少，多的那部分能量就以光的形势出来了专业点说的话，就是能量跃迁原理，电子从高能级跳到了低能级，把多余的能量以光的形式发出来。 图 1 能级跃迁复合模型 随着国际社会对环保、节能的大力畅导，发展绿色照明设备，已经成为未来的电子原器件发展的重要趋势。LED 以其热量低、亮度高、寿命长、零污染、可回收等无可比拟的优点，已经成为全球瞩目的新一代光源，LED 光源也被称为最有发展前景的绿色光源。因此，加强 LED 芯片
3、制造工艺的探讨具有重要意义。 二、LED 芯片工艺技术方案 1. 外延生长工艺 在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。 图 2 外延生长工艺设备示意图 为了克服外延工艺中的某些缺点，外延生长工艺已有很多新的进展。减压外延：自掺杂现象是使用卤素化合物作源的外延过程中难以避免的现象，即从基片背面、加热体表面以及从前片向后片，都会有掺杂剂迁移到气相而再进入到外延层。自掺杂使外延层杂质浓度不均匀。若将反应管中的压力降到约 160 托,即可有效地减少自掺杂。低温外延:为得到衬底与薄外延层之间的突变结,需要降低生长温度,以减少基片中的
4、杂质向外延层的自扩散。采用 He-SiH4 分解、SiH2Cl2 热分解以及溅射等方法都可明显降低温度。选择外延：用于制备某些特殊器件，衬底上有掩模并在一定区域开有窗口，单晶层只在开窗口的区域生长，而留有掩模的区域不再生长外延层。液相外延：将生长外延层的原料在溶剂中溶解成饱和溶液。当溶液与衬底温度相同时，将溶液覆盖在衬底上，缓慢降温，溶质按基片晶向析出单晶。这种方法常用于外延生长砷化镓等材料。异质外延：衬底与外延层不是同一种物质，但晶格和热膨胀系数比较匹配。这样就能在一个衬底上外延生长出不同的晶膜，如在蓝宝石或尖晶石衬底上外延生长硅单晶。分子束外延：这是一种最新的晶体生长技术（图 2） 。将衬
5、底置于超高真空腔中，将需要生长的单晶物质按元素不同分别放在喷射炉中。每种元素加热到适当的温度,使其以分子流射出,即可生长极薄（甚至是单原子层）的单晶层和几种物质交替的超晶格结构。 2. 芯片加工工艺 清洗 1：对 Wafer 进行清洗。 涂胶：涂胶是涂在外延片表面的高分子保护膜，主要过程为：首先配胶，将 DNQ 胶、树脂和丙酮按大约 1:0.05:12 的比例配合，然后进行涂胶，涂胶为自动涂胶。此过程有溶剂挥发，经集气系统收集，并经活性炭吸附后排放。 前烘：前烘目的使胶膜体内溶剂充分地挥发，挥发的溶剂，经集气系统收集，并经活性炭吸附后排放。 曝光：把印有图形的母片放在涂好光刻胶的外延片表面上，
6、通过紫外线照射复印到外延片上。使胶与感光部分发生化学反应。 显影：用溶剂把曝光过程中未感光部分溶解去除，得到所需的图形并露出 Wafer 表面。此过程有溶剂挥发，经集气系统收集，并经活性炭吸附后排放。 坚膜：使胶膜与 Wafer 之间紧贴得更牢，现时也增强胶膜本身的抗蚀能力。 刻蚀：用氢氟酸刻蚀液处理外延片，使其形成一个“窗口” 。 清洗 2：对刻蚀后的 Wafer 进行清洗，去除氢氟酸等杂质。清洗废水汇入废水中和装置。 烘干：对清洗后的 Wafer 进行烘干。 介质沉积：向“窗口”中加入半导体介质，结合成完整的 LED。然后进行快速热处理。 研磨和抛光：对器件进行研磨和抛光，此过程会产生粉尘
7、，设备自带除尘装置，经处理后经排气筒排放。 清洗 3、4：采用纯水冲洗器件，以去除机械杂质。清洗废水汇入废水中和装置。划片、分片：对 Wafer 器件进行切割，此过程会产生少量固体废物。 3、芯片封装工艺方案 芯片检验 镜检：材料表面是否有机械损伤及麻点麻坑（lockhill）芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求电极图案是否完整 扩片 由于 LED 芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约 0.1mm） ，不利于后工序的操作。我们采用扩片机对黏结芯片的膜进行扩张，是 LED 芯片的间距拉伸到约 0.6mm。也可以采用手工扩张，但很容易造成芯片掉落浪费等不良问题。 点胶 在 LED 支架的相应位置点上
8、银胶或绝缘胶。 （对于 GaAs、SiC 导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光 LED 芯片，采用绝缘胶来固定芯片。 ）工艺难点在于点胶量的控制，在胶体高度、点胶位置均有详细的工艺要求。 备胶 和点胶相反，备胶是用备胶机先把银胶涂在 LED 背面电极上，然后把背部带银胶的 LED 安装在 LED 支架上。备胶的效率远高于点胶，但不是所有产品均适用备胶工艺。 三、芯片制造工艺技术探讨 LED 芯片制造工艺流程 图 3LED 芯片制造工艺流程示意图 2.优化芯片发光层结构 通过设计不同的发光层结构，可以提高 LED 的光效。主要采用两种发光层结构：
9、双异质结和量子阱结构。双异质结的 P 区和 N 区有带隙不同的半导体组分，两个势垒层对注入的载流子起限域作用，即通过第一个异质结界面扩散进入活性层的载流子，会被第二个异质结界面阻挡在活性层中，只是双异质结的活性层厚度远小于同质结，从而有效地提高注入载流子浓度和复合效率。量子阱结构取决于活性层的厚度，不同的厚度活性层对载流子的限域和效率提高有不同作用。采用量子阱结构的活性层可以更薄。 3.提高光引出效率的芯片技术 现在主要采用以下几种技术和方法提高 LED 的光引出效率： 1、 在芯片与电极之间加入后窗口层，可以有效地扩大光引出角锥提高出光效率； 2、 双反射 DR 和分布式布拉格反射 DBR
10、结构 提高 LED 发光效率的方法根本上上可分为两种，分别是增加芯片(chip)本身的发 光量；另一种方法是有效利用芯片产生的光线，增加光线照射至预期方向的照射量。前者是设法提高芯片活性层的发光效率，以及改善芯片形状增加外部取光效率，或是将芯片大型化利用高密度电流增加发光量；后者是利用光波控制技术，亦即利用封装树脂形成特殊的光学结构，使芯片产生的光线照射至预期的方向。 DB LED 采用在环氧树脂与空气接口处形成全反射面，利用一个反射镜使全反射面全反射的光线先前反射，是光线朝预订方向射出，从而大大减小光损失。如下图 3 所示： 图 3 DBR LED 由交替的多层高折射率和低折射率的材料组成，
11、每层的光学厚度为发射波长的 1/4.周期越多，折射率差越大，DBR 的反射率就越高，从而减少衬底吸收量，适用于难以实现透明衬底的材料，如以 GaAs做衬底的 AlGaAs 和 AlInGaP 器件。DBR 结构直接利用 MOCVD 设备进行生长，无须再次进行加工处理。其结构如下图 4 所示： 图 4 生长在衬底和外延片之间的 DBR 结构 四、结束语 总之，LED 具有体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、低热量、环保、坚固耐用、可控性强等优点，在未来发展中具有广阔前景。目前LED 出光效率、散热等技术得到较大提高，仍有较大的研发空间。建议对以下几种技术进一步探索、研究。： 1、大面积无损激光剥离技术； 2、高反射率 P 型欧姆接触技术包括 p-GaN 欧姆接触电极制备技术和高反射率的反射镜的制备； 3、表面微纳加工技术：包括湿法刻蚀表面微结构、干法（ICP 或RIE）刻蚀表面微结构等。 相信 LED 芯片制造工艺技术，一定会为人类的光明未来做出更大的贡献。 参考文献 1 费翔,钱可元,罗毅.大功率 LED 结温测量及发光特性研究J. 光电子.激光. 2008 (03) 2 齐昆,陈旭.大功率 LED 封装界面材料的热分析J. 电子与封装. 2007(06). 3 田大垒,关荣锋,赵文卿,王杏.LED 光取出技术研究进展J. 电子元件与材料. 2008 (04)
