LED用外延片知識介紹

發布日期：2012-09-18

外延片的生產制作過程是非常復雜，展完外延片，接下來就在每張外延片隨意抽取九點做測試，符合要求的就是良品，其它為不良品（電壓偏差很大，波長偏短或偏長等）。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，根據不同的電壓，波長，亮度進行全自動化分檢，也就是形成LED晶片（方片）。然后還要進行目測，把有一點缺陷或者電極有磨損的，分撿出來，這些就是后面的散晶。此時在藍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，也就是目前市場上的LED大圓片（這里面也有好東西，如方片等）。

　　半導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80年代早期開始使用外延片，它具有標準PW所不具有的某些電學特性并消除了許多在晶體生長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）一次加工多片，也可加工單片。單片反應器可生產出質量最好的外延層（厚度、電阻率均勻性好、缺陷少）；這種外延片用于150mm“前沿”產品和所有重要200mm產品的生產。

　　外延產品

　　外延產品應用于4個方面，CMOS互補金屬氧化物半導體支持了要求小器件尺寸的前沿工藝。CMOS產品是外延片的最大應用領域，并被IC制造商用于不可恢復器件工藝，包括微處理器和邏輯芯片以及存儲器應用方面的閃速存儲器和DRAM（動態隨機存取存儲器）。分立半導體用于制造要求具有精密Si特性的元件。“奇異”（exotic）半導體類包含一些特種產品，它們要用非Si材料，其中許多要用化合物半導體材料并入外延層中。掩埋層半導體利用雙極晶體管元件內重摻雜區進行物理隔離，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，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

　　襯底材料是半導體照明產業技術發展的基石。不同的襯底材料，需要不同的外延生長技術、芯片加工技術和器件封裝技術，襯底材料決定了半導體照明技術的發展路線。襯底材料的選擇主要取決于以下九個方面：

　　1、結構特性好，外延材料與襯底的晶體結構相同或相近、晶格常數失配度小、結晶性能好、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

　　3、化學穩定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕

　　4、熱學性能好，包括導熱性好和熱失配度小

　　5、導電性好，能制成上下結構

　　6、光學性能好，制作的器件所發出的光被襯底吸收小

　　7、機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等

　　8、價格低廉

　　9、大尺寸，一般要求直徑不小于2英寸。

　　襯底的選擇要同時滿足以上九個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術的變更和器件加工工藝的調整來適應不同襯底上的半導體發光器件的研發和生產。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產的襯底目前只有三種，即藍寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底以及Si襯底。

　　評價襯底材料必須綜合考慮下列因素：

　　1.襯底與外延膜的結構匹配：外延材料與襯底材料的晶體結構相同或相近、晶格常數失配小、結晶性能好、缺陷密度低；

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

　　3.襯底與外延膜的化學穩定性匹配：襯底材料要有好的化學穩定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質量下降；

　　4.材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產業化發展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。

　　當前用于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，即藍寶石和碳化硅以及硅襯底。其它諸如GaN、ZnO襯底還處于研發階段，離產業化還有一段距離。

　　氮化鎵：

　　用于GaN生長的最理想襯底是GaN單晶材料，可大大提高外延膜的晶體質量，降低位錯密度，提高器件工作壽命，提高發光效率，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，是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近（能帶不連續值小，接觸勢壘小）。但是，ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。目前，ZnO半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件，主要是材料質量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有得到真正解決，適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成功。

　　藍寶石：

　　用于GaN生長最普遍的襯底是Al2O3.其優點是化學穩定性好，不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟。導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作為襯底材料應用的廣泛程度僅次于藍寶石，目前中國的晶能光電的江風益教授在Si襯底上生長出了可以用來商業化的LED外延片。Si襯底在導熱性、穩定性方面要優于藍寶石，價格也遠遠低于藍寶石，是一種非常有前途的襯底。SiC襯底有化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等，但不足方面也很突出，如價格太高，晶體質量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差，另外，SiC襯底吸收380納米以下的紫外光，不適合用來研發380納米以下的紫外LED.由于SiC襯底有益的導電性能和導熱性能，可以較好地解決功率型GaNLED器件的散熱問題，故在半導體照明技術領域占重要地位。

　　同藍寶石相比，SiC與GaN外延膜的晶格匹配得到改善。此外，SiC具有藍色發光特性，而且為低阻材料，可以制作電極，使器件在包裝前對外延膜進行完全測試成為可能，增強了SiC作為襯底材料的競爭力。由于SiC的層狀結構易于解理，襯底與外延膜之間可以獲得高質量的解理面，這將大大簡化器件的結構；但是同時由于其層狀結構，在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺階出現。

　　實現發光效率的目標要寄希望于GaN襯底的LED,實現低成本，也要通過GaN襯底導致高效、大面積、單燈大功率的實現，以及帶動的工藝技術的簡化和成品率的大大提高。半導體照明一旦成為現實，其意義不亞于愛迪生發明白熾燈。一旦在襯底等關鍵技術領域取得突破，其產業化進程將會取得長足發展。

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