垂直led的特色、工艺参数和性能比较

 
 
1.  蓝宝石长晶方法
   （1）柴氏拉晶法(Czochralski method)，简称CZ法。先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭。 
   （2）凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法，也叫泡生法。其原理与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种(SeedCrystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇。
 
 
蓝宝石晶体的生长技术发展：


各种蓝宝石长晶方法的比较：
 
 
2.  蓝宝石衬底加工流程
 蓝宝石基片的原材料是晶棒，晶棒由蓝宝石晶体加工而成。其相关制造流程如下:
 
蓝宝石晶体  晶棒
 
 
 
基片
 
       
蓝宝石晶棒制造工艺流程：
    1）长晶： 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体
    2）定向： 确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工
    3）掏棒：以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒
    4）滚磨：用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削，得到精确的外圆尺寸精度
    5）品检：确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格蓝宝石基片制造工艺流程：
    1）定向：在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置，以便于精准切片加工
    2）切片：将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片
    3）研磨：去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度
   4）倒角：将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷
   5）抛光：改善晶片粗糙度，使其表面达到外延片磊晶级的精度
   6）清洗：清除晶片表面的污染物（如：微尘颗粒,金属,有机玷污物等）
   7）品检：以高精密检测仪器检验晶片品质（平坦度、表面微尘颗粒等），以合乎客户要 求
 
3.  蓝宝石基板应用种类
      广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种：
（1）C-Plane蓝宝石基板
     这是广大厂家普遍使用的供GaN生长的蓝宝石基板面。这主要是因为蓝宝石晶体沿C轴生长的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定，在C面进行磊晶的技术成熟稳定。
（2）R-Plane或M-Plane蓝宝石基板
     主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜，以提高发光效率。通常在蓝宝石基板上制备的GaN外延膜是沿c轴生长的，而c轴是GaN的极性轴，导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建电场，发光效率会因此降低，发展非极性面GaN外延，克服这一物理现象，使发光效率提高。
（3）图案化蓝宝石基板(Pattern Sapphire Substrate简称PSS)
     以生长(Growth)或蚀刻(Etching)的方式，在蓝宝石基板上设计制作出纳米级特定规则的微结构图案藉以控制LED之输出光形式，并可同时减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。
     
 
 
                                     
                                                                          
三．LED芯片制作工艺与结构设计
 
1.  led外延生长工艺
   外延生长的基本原理是：MO源及NH3由载气传输到反应室，以质量流量计控制气体流量，反应物进入反应室后经载气传输到衬底表面反应形成特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法(MOCVD）。
Led外延生长制程：                

 
 
各种LED外延生长工艺：
          
                                                                    Multi-Buffer Layers                                                                                                                                     SiN/GaN Buffer Layers
 
         
 
                                                Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO)                                                                                           Patterned Sapphire Substrate (PSS)
 
 
2.  led芯片制作工艺介绍
    led芯片工艺一般分为前工艺、后工艺、点测分选三部分， 前工艺主要工作就是在外延片上做成一颗颗晶粒。简单的说就是Chip On Wafer的制程。利用光刻机、掩膜版、ICP、蒸镀机等设备制作图形，在一个2英寸的wafer片上做出几千~上万颗连在一起的晶粒 。后工艺是将前工艺做成的含有数目众多管芯的晶片减薄，然后用激光切割成一颗颗独立的管芯。 点测分选的主要工作：

（1）点测大圆片或方片上每一颗晶粒电性和光学性能；                             

（2） 将大圆片按照条件表分成规格一致的方片；

（3） 吸除外观不良部分，并贴
上标签。
 
 Led晶圆级制程工艺：  

 
3．Led芯片的光刻工艺与电极制作工艺
   1）光刻工艺：
 
2）电极制作工艺：
 
4．  Led的结构发展介绍
     从LED的结构上讲，可以将LED划分为正装结构、倒装结构、垂直结构和3维垂直结构。
（1）正装结构：
     当前较为成熟的III-V族氮化物蓝光芯片是用蓝宝石材料作为衬底的，由于蓝宝石衬底的绝缘性，所以普通的GaN 基LED 采用正装结构。由于正装结构LED p、n 电极在LED 的同一侧，电流须横向流过n-GaN 层，导致电流拥挤，局部发热量高，限制了驱动电流；而且蓝宝石衬底的导热性差，严重的阻碍了热量的散失。
（2）倒装结构：
     对于蓝光LED芯片来讲，其蓝宝石衬底的导热率比较低，为了解决散热的问题，芯片的倒装结构被提出，发光效率和散热效果都有了改进。通常的LED倒装焊结构仍然是横向结构，仍然有电流拥塞现象，且不能进行表面粗化。
（3）垂直结构：
     为了解决蓝光LED倒装焊芯片的不足之处，借鉴于红光垂直结构LED芯片，蓝光垂直结构芯片被提出。垂直结构与倒装焊LED的主要区别如下：首先把LED芯片的P外延层的倒装焊在支持衬底上，然后剥离生长衬底，形成垂直结构LED。
（4）3维垂直结构
     通常把无需打金线的垂直结构LED芯片统称为“3维垂直结构LED芯片”。 2005年：Cree提出3维垂直结构LED，采用如下的工艺制程：首先采用晶片键合(wafer bonding)，然后，在支持衬底上形成通孔(via)，在通孔中形成金属栓(metal plug)，再形成N-电极。由于该工艺制程比较复杂，良品率较低，一直没有产品推上市场。2007年2月：Lumileds把无需打金线的蓝光垂直结构LED芯片封装(Rebel)投入市场。其主要特点是：支持衬底上的N电极穿过发光层与N外延层的中间部分相连接。2008年7月：秦皇岛鹏远光电、山东华光、上海蓝宝、半导体所等合作开了3维红光和蓝光LED芯片的样品。与垂直结构LED芯片相比，3维垂直结构LED芯片的主要优势如下：
（1）无需打线带来的优势：如3维垂直结构led芯片的封装的厚度更薄等；
（2）当把LED芯片应用于传输信息时，3维垂直结构LED芯片可以更快地传输信息；
（3）更容易引入较大的驱动电流。
 
四、垂直结构led介绍
  1. 垂直结构的LED芯片的定义：
    为了便于理解垂直结构的LED，一种基于电流在P类型外延层中流动的方向的垂直结构的LED的定义被提出：LED芯片带有较高电阻的外延层(P-外延层)的大部分被一导电层覆盖(例如，金属层)；导电层上的每一点基本为等电位；导电层与电极相连；电流基本上垂直流过高电阻的外延层。基于这一定义：(1)对于垂直结构的LED芯片，不一定必须在芯片两侧制作电极。(2)外界电源可以在不同的位置与具有较低电阻的外延层(N-外延层)进行电连接，例如：在N-外延层的项部，或在N-外延层的中间部分(例如，Lumileds的Rebel)。
(3)外部的电源与导电层可以以不同的方式连接，如：共晶焊、植金球、导电胶连接。
2.  垂直结构led的特色与性能优势
    与传统的平面结构LED 相比，垂直结构LED 具有许多优点： 
    (1) 平面结构LED 的p、n 电极在同一侧，电流须横向流过n-GaN 层，导致电流拥挤，发热量高；而垂直结构LED 两个电极分别在LED 的两侧，电流几乎全部垂直流过外延层，没有横向流动的电流，电流分布均匀，产生的热量减少。 
    (2) 传统的正装结构采用蓝宝石衬底，由于蓝宝石衬底不导电，所以需要刻蚀台面，牺牲了有源区的面积。另外，由于蓝宝石衬底的导热性差（35Ｗ/(m℃）， 还限制了LED 芯片的散热；垂直结构LED 采用键合与剥离的方法将蓝宝石衬底去除，换成导电性好并且具有高热导率的衬底，不仅不需要刻蚀台面，可充分的利用有源区，而且可有效地散热。 
    (3) 正装结构GaN 基LED，p-GaN 层为出光面，由于该层较薄，不利于制作表面微结构。但是对于垂直结构LED，n-GaN 层为出光面，该层具有一定的厚度， 便于制作表面微结构，以提高光提取效率。 
    总之，与传统平面结构相比，垂直结构在出光、散热等方面具有明显的优势。 
 
3.  垂直结构led的制程工艺
GaN基垂直结构LED工艺与正装结构LED工艺的最大差异在于，垂直结构LED需要引入衬底转移技术。所谓衬底转移技术是指用高热导率与高电导率的新衬底取代原有的生长衬底。具体的步骤分为两步，首先采用晶片键合的方法或者电镀的方法将新衬底与外延片粘合在一起，然后再利用激光剥离、研磨以及湿法腐蚀等方法将原生长衬底去掉。
旭明垂直led制程工艺：
            
（1）在蓝宝石衬底上生长led外延层    

（2）将外延片制作成一颗颗一定尺寸的晶粒
（3）制作反射层                                                          

（4）led侧壁钝化处理
（5）粘合铜合金层作为新衬底                              

（6）去除蓝宝石衬底
（7）制作n电极

（8）n-GaN表面粗化处理、检测
 （9）划片、包装
 
4.  垂直结构led的发展状况
   　当前全球几大LED厂商，比如，美国Cree公司、德国Osram公司、美国Philips Lumileds公司、美国SemiLEDs都拥有自己GaN基垂直结构LED产品。此外，日本、韩国、台湾以及国内各大LED厂商都在积极开发GaN基垂直结构LED芯片工艺。
　　　美国Cree公司是目前世界上采用SiC作为衬底材料制造蓝光发光二极管用外延片和芯片的专业公司之一，该公司采用衬底转移技术将发光层转移在Si衬底上，有效地解决了芯片的散热问题和提高出光效率的问题。Cree公司的功率LED芯片产品EZ系列采用薄膜芯片技术已经达到业界领先的光效水平，据2011年5月的报道显示，Cree的白光LED器件研发水平已经达到231 lm/W，这是功率型白光LED有报道以来的最好成绩。
　　2007 年初，Lumileds 公司推出了薄膜倒装（TFFC）LED 产品，实际上薄膜倒装结构也是垂直结构LED的一种。由于技术的进步，使该产品可在任何环境中都能表现出最佳性能。使用TFFC技术的Luxeon K2 是专门为在1000mA 电流下工作而进行设计、分档和检测的LED。封装后LED 的热阻仅为5.5℃/W，经分档和测试的产品（光输出最小为160lm，1A 驱动电流）其光输出在更高驱动电流下很容易就超过了220lm。
    德国Osram公司对比了四种结构的GaN基LED的光提取效率，其中“ThinGaN”芯片实际上就是垂直结构LED。该公司采用晶片键合与剥离技术将LED发光层转移到新衬底（GaAs衬底或Ge衬底）上，于2007年开始销售可发出1000lm 光通量的白色LED“OSTAR Lighting”的最新版。该产品在输入功率为27W（工作电流700mA）时，可得到1000lm 的光通量，此时的发光效率约为37lm/W。把工作电流减小至350mA 时，发光效率可提高至75lm/W。
　　美国SemiLEDs 公司成立于2004 年，是继Osram和Cree之后，采用衬底转移技术商品化生产GaN基垂直结构LED的厂商。该公司首先推出金属Cu 基底的GaN基LED。
　　在国内北京大学最早开展GaN基垂直结构的研发，此后从研究机构到各大LED公司都陆续开展此方面的研发工作。同方光电于2008年开始涉足垂直结构LED的研发，经过两年多的努力，已经积累了一套Cu衬底电镀、整平以及蓝宝石剥离的完整技术。目前制作的垂直结构LED芯片，封装白光后效率可达到100lm/W以上。目前，同方光电拥有垂直结构芯片制造专利10多项，已经有三项获得国家知识产权局授权，两项获得台湾专利局授权，一项获得美国专利局授权，为开展垂直结构的研发与生产奠定了良好基础。