LED外延片技術(shù)解析

LED的快速發(fā)展，使得它很快占據(jù)了市場，變幻出各種各樣的產(chǎn)品，為我們的生活帶來方便，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(jù)不同的電壓，波長，亮度進(jìn)行全自動化分檢，也就是形成led晶片(方片)。然后還要進(jìn)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(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)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200 mm產(chǎn)品的生產(chǎn)。

外延產(chǎn)品

外延產(chǎn)品應(yīng)用于4個方面，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器應(yīng)用方面的閃速存儲器和DRAM(動態(tài)隨機(jī)存取存儲器)。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，200 mm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]價格低廉;[9]大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。

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(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。

評價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(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，是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結(jié)構(gòu)相同、晶格識別度非常小，禁帶寬度接近(能帶不連續(xù)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(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)體材料生長的設(shè)備尚未研制成功。

藍(lán)寶石：用于GaN生長最普遍的襯底是Al2O3。其優(yōu)點是化學(xué)穩(wěn)定性好，不吸收可見光、價格適中、制造技術(shù)相對成熟。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，目前中國的晶能光電的江風(fēng)益教授在Si襯底上生長出了可以用來商業(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GaN LED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，使器件在包裝前對外延膜進(jìn)行完全測試成為可能，增強(qiáng)了SiC作為襯底材料的競爭力。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，這將大大簡化器件的結(jié)構(gòu);但是同時由于其層狀結(jié)構(gòu)，在襯底的表面常有給外延膜引入大量的缺陷的臺階出現(xiàn)。實現(xiàn)發(fā)光效率的目標(biāo)要寄希望于GaN襯底的LED，實現(xiàn)低成本，也要通過GaN襯底導(dǎo)致高效、大面積、單燈大功率的實現(xiàn)，以及帶動的工藝技術(shù)的簡化和成品率的大大提高。半導(dǎo)體照明一旦成為現(xiàn)實，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)程將會取得長足發(fā)展。這就需要我們的技術(shù)人員不斷開發(fā)出更加優(yōu)質(zhì)的外延片，這樣我們的社會才能更加快速向前走。