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&1688商学院LED照明/显示基础知识第一章 LED 照明基础知识 ............................................................................................................................................3 1、半导体照明的概念 ...........................................................................................................................................3 2、LED 基本发光原理 ............................................................................................................................................3 3、LED 光源的特点 ................................................................................................................................................4 4、LED 的优点 ........................................................................................................................................................4 5、LED 发展历史 ....................................................................................................................................................5 6、LED 显示屏常用术语解释 ................................................................................................................................6 7、LED 极限参数的意义 ......................................................................................................................................13 8、LED 的分类 ......................................................................................................................................................14 9、LED 的适用范围和各类应用 ..........................................................................................................................16 10、LED 产业链分布 ............................................................................................................................................17 11、LED 发展现状 ................................................................................................................................................18 12、LED 发展趋势 ................................................................................................................................................18 总结：LED 照明设计 ............................................................................................................................................19 第二章 LED 衬底材料的基本知识 ..............................................................................................................................19 1、LED 衬底的概念和作用 ..................................................................................................................................19 2、LED 衬底材料的种类 ......................................................................................................................................20 3、LED 衬底选择的原则 ......................................................................................................................................22 4、LED 衬底的工艺流程 ......................................................................................................................................23 第三章 LED 外延片基础知识 ......................................................................................................................................24 1、LED 外延生长的概念和原理 ..........................................................................................................................24 2、LED 外延片衬底材料选择特点 ......................................................................................................................24 3、LED 外延片衬底材料种类 ..............................................................................................................................25 4、LED 外延片生长工艺 ......................................................................................................................................27 第四章 LED 芯片基础知识 ..........................................................................................................................................31 1、LED 芯片的概念 ..............................................................................................................................................31 2、LED 芯片的组成元素 ......................................................................................................................................31 3、LED 芯片的分类 ..............................................................................................................................................31 4、LED 芯片特性表（详见下表介绍） ..............................................................................................................34 5、LED 芯片的工艺流程 ......................................................................................................................................34 第五章 LED 封装基本知识 ..........................................................................................................................................42 1、LED 封装的概念 ..............................................................................................................................................42 2、LED 封装的分类 ..............................................................................................................................................43 3、LED 封装工艺流程 ..........................................................................................................................................47 4、LED 封装器件的性能 ......................................................................................................................................51 5、提高 LED 发光效率的技术 .............................................................................................................................52 第六章 白光 LED 的基础知识 .....................................................................................................................................54 1、白光 LED 的概念 .............................................................................................................................................54 2、白光 LED 发光原理 .........................................................................................................................................553、白光 LED 技术指标 .........................................................................................................................................56 4、白光 LED 技术难点 .........................................................................................................................................57 5、大功率白光 LED 的封装技术研究 .................................................................................................................57 第七章 LED 应用的基础知识 ......................................................................................................................................64 1、信息显示 .........................................................................................................................................................64 2、交通信号灯 .....................................................................................................................................................67 3、汽车用灯 .........................................................................................................................................................68 4、LED 背光源 ......................................................................................................................................................70 5、半导体照明 .....................................................................................................................................................73第一章 LED 照明基础知识1、半导体照明的概念又名LED照明。 LED（Lighting Emitting Diode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发 光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、 白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。2、LED 基本发光原理LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，这些半导体 材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生P、N架构。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿 特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流 向p、n架构。当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量。 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复 合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴 复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由 于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数?m以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即 ????λ≈1240/Eg（mm） 式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26 ～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本 、价格很高，使用不普遍。 它所发出的光的波长（决定颜色），是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。由于硅和锗是间接带隙材 料，在这些材料在常温下电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，所以硅和锗二极管不能发光。但 在极低温的特定温度下则会发光，必须在特殊角度 发现，而该发光的亮度不明显。发光二极管所用的 是直接带隙型的，这些禁带能量对应着近红外线、 或近紫外线波段的光能量。 发展初期，采用砷化镓（GaAs）的发光二极管只 红外线或红光。随着材料科学的进步，各种颜色的 极管，现今皆可制造。电流从LED 阳极流向阴极时 流，便可调节光的强度。 如右图所示。 光原理图 图 能发出 发光二 ，调节电 1：LED发 下才可 材料都 可见光、不同颜色的LED,所使用的不同的元素图 2：LED颜色和元素对应图3、LED 光源的特点1）电压： led使用低压电源，供电电压在6-24v之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全 的电源，特别适用于公共场所。 2）效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 3）适用性：很小，每个单元 led小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环 境 4）稳定性： 10万小时，光衰为初始的50% 5）响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级， led灯的响应时间为纳秒级 6）对环境污染：无有害金属汞 7）颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿 兰橙多色发光。如小电流时为红色的 led，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色 8）价格：led的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只led的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信 号灯需由上300～500只二极管构成4、LED 的优点1）高节能 节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比 传统光源节能80%以上。 2）寿命长LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存 在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。 3）多变幻 LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生 256?256?256＝种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。 4）利环保 环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染 不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。红光LED含有大量的As（砷），剧毒。 5）高新尖 与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处 理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升 级，灵活多变的特点。 6）体积小 LED基本上是一块很小的芯片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。 7）高亮度、低热量 比HID或白炽灯更少的热辐射。5、LED 发展历史1）1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生 ，效率0.1lm/W,比白炽灯低100倍，售价45$/只。 2）1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出 红光、橙光和黄色光。 3）1971年，GaP绿色芯片LED。 用途：指示用，长寿命10万小时，可靠 4）80年代AlGaAs技术使得LED效率达到10流明/瓦，90年代的AlGaInP技术使得LED效率达到100流明/瓦。 用途：显示，信号用。用于室外的运动信息发布以及汽车的高位刹车灯。 5）1994年，中村修二研制出了第一只GaN基高亮度蓝色发光二极管。 用途：由于蓝光LED的出现，人们首次实现红黄蓝LED的全色显示，从90年代中期开始，许多广告、体育和娱乐场 所开始应用LED大屏幕显示。6.1997年，中村修二和美国人修博特先后研制出了GaN蓝色发光二极管激发黄光荧光粉得 到白光LED，效率不足10 lm/W。 6）2000年，日亚报道了15 lm/W白光LED。 7）2003年，日亚报道的光效达到60 lm/W， 2006年3月，其光效达到100 lm/W。8）2006年7月，Cree公司报道了130 lm/W白光LED。 9）2006年11月，日亚报道的光效达到150 lm/W，其效率已经超过节能灯，实现了真正意义上的照明。 10）2007年3月，美国CREE公司光效达到157 lm/W，目前LED的效率向200 Lm/W前进。6、LED 显示屏常用术语解释1）LED的颜色 LED的颜色是一个很重要的一项指标,是每一个LED相关灯具产品必须标明,目前LED的颜色主要有红色,绿色,蓝色 ,青色,黄色,白色,暖白,琥珀色等其它的颜色。 全球第一颗LED采用的材料是砷(As) 化镓(Ga)，工作电压为1.424V，其发出的光线为红外光谱。之后，业界发展 出以磷(P)化镓(Ga)作为LED的材料，工作电压为2.261V，发出的光为绿光。业界早期就透过这2种型态LED所需的材料 ，调配出从红外线到绿色光范围内所有波长的LED产品，发展出常见的红光LED、黄光LED、橙光LED等等，这3大类LED 因为使用了镓、砷、磷3种元素，故被称为3元素LED，而蓝光LED、绿光LED与红外光LED则被称为2元素LED。业界后来 发展出采用混合铝(Al)、钙(Ca) 、铟(In)和氮(N)共4种元素的4元素LED，就能够发出所有可见光范围与部份紫外线 光谱的光线。 2）LED的电流 LED的正向极限(IF) 电流多在20mA,而且LED的光衰电流不能大于IF/3,大约15mA和18mA..LED的发光强度仅在一 定范围内与IF成正比,当IF&20mA时,亮度的增强已经无法用内眼分出来.因此LED的工作电流一般选在17-19MA左右比 较合理.前面所针对是普通小功率LED(0.04-0.08W)之间的LED而言,但大功率的LED就必须查其规格。 3）LED的电压 我们通常所说的是LED的正向电压,就是说LED的正极接电源正极,负极接电源负极. 电压与颜色有关系，红、黄、 黄绿的电压是1.8-2.4v之间。白、蓝、翠绿的电压是3.0-3.6v之间,可能同样一批LED的电压会有一些差异,,要根据厂 家提供的为准. 在外界温度升高时，VF将下降。 LED的反向电压VR:所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 4）LE发光强度（I、Intensity） 简称光度，指光源的明亮程度。是说从光源一个立体角（单位为Sr）所放射出来的光通量，也就是光源或照明灯 具所发出的光通量在空间选定方向上分布密度，也即表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。 单位是坎德拉cd；1000ucd（微坎德拉）=1 mcd（毫坎德拉）, 1000mcd=1 cd（也称烛光）. 发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。这个量是表明发光体在空间发 射的会聚能力的。可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述 。发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电 都用这个参数。现在LED也用这个单位来描述，比如某LED是15000 的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是 15cd。之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比较暗，比如1984 年标准5mm的LED其发光 强度才0.005cd，因此才用mcd表示，用发光强度来表示“亮度”的缺点是如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好 的发光强度就高。因此，还要看照射角度。很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现。 室内用单只LED的光强一般为500ucd-50 mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100 mcd-1000 mcd，甚至1000 mcd 以上。 发光强度为1cd的光源可放射出l2.57lm光通量。 5）光通量（F，Flux） 为一光源所放射出光能量的速率或光的流动速率，为说明光源发光的能力的基本量，即光源每秒钟所发出的可见 光量之总和。单位：流明（Lm：Lumen）。 这个量是对光源而言，是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。光源的光通量越大，则发出的光线越多对 于各向同性的光（即光源的光线向四面八方以相同的密度发射），则 F = 4πI(π为发光角度)。也就是说，若光源 的I为1cd，则总光通量为4π =12.56 lm。 人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。对于人眼最敏感的555nm的黄 绿光，1W = 683 lm，也就是说，1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为683 流明。这个是最大的光转换效率，也 是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。对于其它颜色的光，比如650nm的红色，1W的光仅相当于73 流明，这是因 为人眼对红光不敏感的原因。对于白色光，要看情况了，因为很多不同的光谱结构的光都是白色的。例如LED的白光 、 电视上的白光以及日光就差别很大， 光谱不同。 常用白光LED 流明举例： 0.06W→3-5LM, 0.2W→13-15LM,1W→60-80LM 。 一个l00瓦 （w）的灯泡可产生l750lm，而一支40w冷白日光灯管则可产生3l50lm的光通量。 6）照度（E，I luminance）单位勒克斯即lx（以前叫lux） 即受照平面上接受光通量的密度，可用每一单位面积的光通量来测量。1lm的光通量均匀分布在l平方公尺（m2） 的表面， 即产生1勒克新 （LUX， 的照度1lm的光通量落在l平方英尺 lX） （ft2） 的表面， 其照度值为l尺烛光 （Foot candle ，fC）。桌面、工作面的照度不应少于150lX。起居室的照明采用光线柔合的半直接型照明灯具较理想，其平均照度 应达到l00lX左右。阅读和书写用的灯具功率可大些，照度应达到200lX。 7）亮度 亮度是指物体明暗的程度，定义是单位面积的发光强度。单位：尼特（nit） 8）光效 光源发出的光通量除以光源的功率。它是衡量光源节能的重要指标，是以其所发出光的流明除以其耗电量所得之 值。单位：每瓦流明（Lm/w）。 光源效率（Lm/w）=流明（Lm）/耗电量（W）也就是每一瓦电力所发出光的量，其数值越高表示光源的效率越高 ，也越为节能。所以效率通常是我们经常要考虑的一个重要的因素。 9）波长 光的色彩强弱变化，是可以通过数据来描述，这种数据叫波长。我们能见到的光的波长，范围在380至780nm之间 。单位：纳米（nm） 波长分类：图 3：波长分类图 Wavelength(nm) RELATIVE INTENSITY Vs WAVELENGTH ( )1 2 3 4 5430nm/Blue, 470nm/Blue 568nm/Yellow Green 585nm/Yellow 610nm/Amper 635nm/Orange6 7 8 9 10655nm/Red 660nm/super Red 700nm/Bright Red GaAlAs 880nm GaAs/GaAs & GaAlAs/GaAs 940nm10）显色性 光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度；通常叫做&显色指数&，单位：Ra。光源的 显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜 色特性。显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我 们所见到的颜色偏差也较大。国际照明委员会 CIE 把太阳的显色指数定为 100 ，各类光源的显色指数各不相同，如 ：高压钠灯显色指数 Ra=23 ，荧光灯管显色指数 Ra=60~90 。 显色分两种：忠实显色：能正确表现物质本来的颜色 需使用显色指数 (Ra) 高的光源，其数值接近100 ，显色性最好。 色坐标（CIE）：图 4：色坐标图 11）色温 光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。 单位：开尔文（k）。 色温究竞是指什么? 我们知道，通常人眼所见到的光线，是由光的三原色（红绿蓝）组成的7种色光的光谱所组 成。色温就是专门用来量度光线的颜色成分的。 用以计算光线颜色成分的方法，是19世纪末由英国物理学家洛德?凯尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算 法，而其具体界定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来的波长。 凯尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量 全部以“光”的形式释放出来的话， 它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。 例如， 当黑体受到的热力相当于500 ―550℃时，就会变成暗红色，达到℃时，就变成黄色??因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力 温度相对应的。只不过色温是用凯尔文(°K、也就是绝对温度)的色温单位来表示，而不是用摄氏温度（℃）单位表 示的。在加热铁块的过程中，黑色的铁在炉温中逐渐变成红色，这便是黑体理论的最好例子。当黑体受到的热力使它 能够放出光谱中的全部可见光波时，它就由红转变橙黄色、黄色最后变成白色，通常我们所用灯泡内的钨丝就相当于 这个黑体。色温计算法就是根据以上原理，用°K来表示受热钨丝所放射出光线的色温。根据这一原理，任何光线的 色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的“温度”。颜色实际上是一种心理物理上的作用。所有颜色印象的产生，是由于时断时续的光谱在眼睛上的反应，所以色温 只是用来表示颜色的视觉印象。摄影人都知道：有光才有色，没有光就没有色。 彩色胶片的设计，一般是根据能够真实地记录出某一特定色温的光源照明来进行的，分为5500 °K日光型、3200 °K灯光型等多种。因而，摄影家必须懂得采用与光源色温相同的彩色胶卷，才会得到准确的色彩再现。如果光源的 色温与胶卷的色温互相不平衡，就不会对色彩进行准确的还原。这时，我们就要靠滤光镜来提升或降低光源的色温， 使曝光条件与胶卷拟定的色温相匹配，才会有准确的色彩再现。而数码照相机、摄像机等要求进行白平衡调整，实际 上也就是对数码机器进行拍摄环境的基础色温定位。目的是同样的：为了色彩的准确再现。 如何准确地进行色温定位？这就需要使用到“色温计”啦。一般情况下，正午10点至下午2点，晴朗无云的天空 ，在没有太阳直射光的情况下，标准日光大约在°K。新闻摄影灯的色温在3200°K；一般钨丝灯、照相馆 拍摄黑白照片使用的钨丝灯以及一般的普通灯泡光的色温大约在2800°K；由于色温偏低，所以在这种情况下拍摄的 照片扩印出来以后会感到色彩偏黄色。而一般日光灯的色温在°K左右，所以在日光灯下拍摄的相片会偏青 色。这都是因为拍摄环境的色温与拍摄机器设定的色温不对造成的。一般在扩印机上可以进行调整。但如果拍摄现场 有日光灯也有钨丝灯的情况，我们成为混合光源，这种片子很难进行调整。 不同光源环境的相关色温度。 光源 北方晴空 阴天 夏日正午阳光 金属卤化物灯 下午日光 冷色莹光灯 高压汞灯 暖色营光灯 卤素灯 钨丝灯 高压钠灯 色温 k k -k k k k k k蜡烛光2000k光源色温不同，光色也不同，色温在3000k 以下有温暖的感觉，达到稳重的气氛；色温在k 为中间色 温，有爽快的感觉；色温在5000k 以上有冷的感觉。 12）眩光 视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，所造成的视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。 13）发光角度 二极管发光角度也就是其光线散射角度，主要靠二极管生产时加散射剂来控制，有三大类： A指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。发光角度5°~20°或更小，具有很高 的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 B准型。通常作指示灯用，其发光角度为20°~45°。 C散射型。这是视角较大的指示灯，发光角度为45°~90°或更大，散射剂的量较大。 LED 的发光角度是LED 应用产品的重要参数。 14、同步性 两个或两个以上LED灯在不规定时间内能正常按程序设定的方式运行，一般指内控方式的LED灯，同步性是LED灯 实现协调变化的基本要求。 15）防护等级 IP防护等级是将灯具依其防尘、防湿气之特性加以分级，由两个数字所组成，第一个数字代表灯具防尘、防止外 物侵人的等级（分0-6级），第二个数字代表灯具防湿气、防水侵人的密封程度（分0-8级），数字越大表示其防护等 级越高。 16）光谱 光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图 案。 光波是由原子内部运动的电子产生的．各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同． 研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科――光谱学． 吸收光谱高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产 生的光谱，叫做吸收光谱。例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气（在酒精灯的灯心上放一些食盐，食盐受 热分解就会产生钠气），然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线。这就是钠原子 的吸收光谱．值得注意的是，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应．这 表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光．因此，吸收光谱中的谱线（暗线），也是原子 的特征谱线，只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少． 在我们眼里大部分光源所发出的光皆通称为白光， 实际上肉眼看上去的不同光源所发出的白光会因色温的高低而 呈现不同的颜色。光色愈偏蓝，色温愈高 偏红则色温愈低。人的眼睛有时会被自己的感觉所愚弄，感到差异不大，但在我们拍摄照片上，可以看到最直接的效果，比如在睛空下拍摄的照片，可能会发蓝发冷，而在灯光下拍摄的照片 （不打开闪光灯），会呈现明显暖调的橙红色。 17）色表 是指人眼直接观察光源时所看到的颜色。街道高压钠灯发出的光既亮且白，但当看到被照射的人的面孔时显表灰 色，这说明高压钠灯的色表并不差，但显色性不好。 18）平均寿命 指一批灯至50%的数量损坏时的小时数。单位：小时（h）。 19）经济寿命 在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至特定的小时数。室外的光源为70%，室 内的光源为80%。 20）LED象素模块 LED排列成矩阵或笔段，预制成标准大小的模块。室内显示屏常用的有8*8象素模块、8字7段数码模块。户外显示 屏象素模块有4*4、8*8、8*16象素等规格。户外显示屏用的象素模块因为其每一象素由两只以上LED管束组成，固又 称其为集管束模块。 21）象素(Pixel)与象素直径 LED显示屏中每一个可被单独控制的LED发光单元(点)称为象素(或象元)。象素直径∮是指每一象素的直径，单位 是毫米。 对于室内显示屏，一般一个为单个LED，外形为圆形。室内显示屏象素直径校常见的有∮3.0、∮3.75、∮5.0、 ∮8.0等，其中以∮3.75和∮5.0最多。 在户外环境，为提高亮度，增加视距，一个象素含有两只以上集束LED；由于两只以上集束LED一般不为圆形，固 户外显示屏象素直径一般用两两象素平均间距表示：□10、□11.5、□16、□22、□25。 22）点间距、象素密度与信息容量 LED 显示屏的两两象素的中心距或点间距(Dot Pitch)；单位面积内象素的数量称为象素密度；单位面积内所含 显示内容的数量称为信息容量。这三者本质是描述同一概念：点间距是从两两象素间的距离来反映象素密度，点间距 和象素密度是显示屏的物理属性；信息容量则是象素密度的信息承载能力的数量单位。 点间距越小，象素密度越高，信息容量越多，适合观看的距离越近。 点间距越大，象素密度越低，信息容量越少，适合观看的距离越远。 23）分辨率 LED显示屏象素的行列数称为LED显示屏的分辨率。分辨率是显示屏的象素总量，它决定了一台显示屏的信息容量 。 24）灰度 灰度是指象素发光明暗变化的程度，一种基色的灰度一般有8级至1024级。例如，若每种基色的灰度为256级，对于双基色彩色屏，其显示颜色为256?256=64K色，亦称该屏为256色显示屏。 25）双基色 现今大多数彩色LED显示屏是双基色彩色屏，即每一个象素有两个LED管芯：一为红光管芯，一为绿光管芯。红光 管芯亮时该象素为红色，绿光管芯亮时该象素为绿色，红绿两管芯同时亮时则该象素为黄色。其中红，绿称为基色。 26）全彩色 红绿双基色再加上蓝基色，三种基色就构成全彩色。由于构成全彩色的蓝色管和纯绿色管芯较贵，故目前全彩色 屏相对较少。 下面为主要的LED照明需要的性能指标：名称符 号单 位说 明光通量Φ流明Lm发光体每秒种所发出的光量之总和，即光通量光强I坎德 拉cd发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量照度E勒克 斯Lm/m2发光体照射在被照物体单位面积上的光通量亮度L尼脱cd/m2发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量光效每瓦流明Lm/w电光源将电能转化为光的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示平均寿 命小时指一批灯至百分之五十的数量损坏时的小时数在同时考虑灯的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至一 经济寿 命 小时 特定的小时数。 此比例用于室外的光源为百分之七十，用于室内的光源如日光灯则为百分 之八十。7、LED 极限参数的意义1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。 2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。 4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作 ，效率大大降低。8、LED 的分类1）按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极 管中包含二种或三种颜色的芯片。 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透 明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。 2）按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm 、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。 国外通常用“T”，代表“Tube”，表示管状的灯管直径，T后面的数字表示灯管直径；T8就是有8个“T”，一个 “T”就是1/8英寸。 1英寸=25.4mm。那么每一个“T”就是25.4÷8＝3.175mm 如：T8灯管：T8灯管的直径就是(8/8)?25.4＝25.4mm [T8的刚好是直径一英寸的灯管] 3）从发光强度角分布图来分有三类： （1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具 有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 （2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。 （3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。 4）按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 5）按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度10mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极 管。达到或超过100mcd 的称超高亮度。 一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 6）按照封装式样和用途分 ★SMD型LEDSMD是目前LED最新的发展，目前主要被应用于3C科技商品上，如手机屏幕背光源.音响背光源.手机按键光源.汽 车面板背光源.电器按键讯号灯等应用上，照射角度大所以光束能够均匀扩散，但是制作成本极高! 表面贴装二极管或表面贴装元器件都是他的叫法，这个里面也有多中类别： 按形状大小分：、、1010等等，一般SMD都是菱形的，所以其叫法都是根据长*宽的尺寸来 叫，行业善用的都是英寸，不是毫米，也有用毫米叫的，不如*0.8mm)等。 发光颜色和胶体的种类和LAMP LED产品一样，只是产品的形状发生了很大的变化。 ★LAMP型LED LAMP的体积大且照射角度较小因而光束为聚光型，主要应用在户外广告牌.指示灯.电器讯号灯.交通号志灯。 有叫它P2产品的、也有叫它插件LED的，不管怎么样只要是直插式的都归与一种。而LED种类里面还有很多种类： 按胶体形状分：3mm、4mm、5mm、8mm、10mm、12mm、方形、椭圆形、墓碑形、还有一些特殊形状等等； 按胶体颜色分：无色透明、有色透明、有色散射、无色散射等； 按颜色分：红色（red）、橙色（orange）、黄色（yellow）、黄绿色（green yellow）、绿色 （green）、蓝 绿色（blue green）、蓝色（blue)、紫色（pink）、紫外线（uv）、白色（white）、红外线等等； ★食人鱼型LED 食人鱼则是兼具了SMD及LAMP的优点，且照射角度也比LAMP大，加上防水技术成熟，且拥有高亮度、省电力、长 寿命的特性，可对应汽车室内灯较大之车种，超优质量超低价格已成为目前场上最物美价廉的最佳车内照明选择， 而因技术已成熟所以制作成本较SMD便宜，目前均被广泛的应用在汽车照明系统，物超所值所以深受开车族的喜爱。 这个是因LED的发光效率不能满足汽车使用其要求，所以就开发了这个产品，是小功率产品，其驱动电流一般在 50MA、一般LED用的20MA，最高电流可以达到70mA，就是因为其散热比较好，一般用在汽车后尾灯。 ★大功率（power led） 现有照明的LED产品,它有以下分类： 按功率分：1w、3w、5w、等等 按顶部发光透镜分:平头、聚光、酒杯形状等 按工艺还有铝基板的和防luminous的。 ★数码管（Display） 最早用在来做显示屏和数码显示用的： 按外形分：1位、2位、3位、4位等等 表面颜色：灰面黑胶的、也有黑面白胶的，等等 极性：共阴、共阳 颜色也和LAMP LED一样可以做很多种类。★点阵（LED Dot Matrix） 这个产品和数码管差不多，都是应用在信息显示的。其间距和孔的直径有改变都是不同的产品，现在一般分5*7 和8*8的，其颜色有单色、双色、三基色的 等等。 按颜色分：单红，单绿，双基色，三基色等； 按孔的直径分：Φ2.0，Φ3.0，Φ3.75，Φ5.0等； 按点数分：5*7，8*8，16*16等 还有一些其它的产品： 如像素管 （cluster） 测光源 、 （LED Side Light Source） 红外线接收和发射产品 、 （Infrared & Photodiode）等等。 红外线(IR LED)--&三元芯片(GaAlAs/GaAs)，波长940nm，工作电压/电流1.3V/50mA，遥控器用的比较多。 红外线(IR LED)--&三元芯片(GaAlAs)，波长850nm，工作电压/电流1.5V/50mA，红外线监视器辅助照明。 正红光LED--&三元芯片(GaAlAs)，波长660nm，工作电压/电流1.7~2.0V/20mA，亮度较低，衰减快，用途少。 红光LED--& 四元芯片(AlGaInP)，波长630nm，工作电压/电流1.8~2.2V/20mA，亮度高，寿命长，一般用来取代 正红光，用途有红绿灯的红灯、汽机车尾灯煞车灯、全彩LED广告牌的红光.....等。 橘光LED--& 四元芯片(AlGaInP)，波长610nm，工作电压/电流1.8~2.2V/20mA，亮度高但用途少。 黄光LED--& 四元芯片(AlGaInP)，波长592nm，工作电压/电流1.8~2.2V/20mA，亮度高，寿命长，用途有红绿灯 的黄灯、汽机车方向灯....等。 黄绿光LED--& 四元芯片(AlGaInP)，波长570nm，工作电压/电流1.8~2.2V/20mA，亮度较低但用途不少，计算机 机壳电源灯、红绿双色字幕机...等。 草绿光LED--& GAN芯片( InGaN/SiC)，波长525nm，工作电压/电流3.0~3.6V/20mA，亮度高，用途大部分是全彩 LED广告牌的绿光。 绿光LED--& GAN芯片( InGaN/SiC)，波长515nm，工作电压/电流3.0~3.6V/20mA，亮度高，一般用途。 青绿光LED--& GAN芯片( InGaN/SiC)，波长525nm，工作电压/电流3.0~3.6V/20mA，亮度高，大部分用在红绿灯 的绿灯。 蓝光LED--& GAN芯片( InGaN/SiC)，波长470nm，工作电压/电流3.0~3.6V/20mA，亮度高，用途很广，包括全彩 LED广告牌的蓝光。 白光LED--& GAN芯片( InGaN/SiC)，工作电压/电流3.0~3.6V/20mA，亮度高寿命长，光色稳定不闪烁，现在已经 可以做小区域照明之用，明年开始将会全面取代中小型LCD面板的冷阴极管当背光源。9、LED 的适用范围和各类应用LED照明灯具里，底灯，吊灯，投射灯等装饰用，反射用途的LED照明灯具可以完全胜任于任何场合，包括美术馆 ，博物馆等对颜色度要求较高的场所。但是对于商场，写字楼等大规模设施来说，作为大范围照明的LED灯具虽然已 经诞生，但是其指向性(LED芯片发出的光是直线，发散性不好)太高，造成大面积内设计平均的照度很困难。灯管型LED照明灯具排列过密，设计成本过高，失去节能效果。因此，现阶段装饰用途场合，LED照明灯具完全可用，大面积 室内照明还不成熟。分类材料应用领域 家电、信息产品、通讯产品、消 费性电子产品传统亮度GaP、GaAsP、AlGaAs可见光LED (450~780nm) 高亮度AlGaInP(红、橙、黄光)大型广告牌、交通号志、背光源 、汽车第三煞车灯GaInN(蓝、绿光)GaInN+萤光粉(白光) LED的应用主要可分为三大类：LCD屏背光、LED照明、LED显示。 1）小尺寸1.5寸到3.5寸LCD屏的背光： 例如手机、PDA、MP3/4等便携设备的LCD屏都需要LED来背光。 2）7寸LCD屏的背光（如数码相框）： 3）大尺寸LCD屏的背光（如LCD TV/Monitor、笔记本电脑）：照明用目前大部分LCD TV/Monitor、笔记本电脑的LCD屏是采用的CCFL荧光灯管做背光，因CCFL寿命、环保等不利原因 目前正朝向采用LED背光发展。按LCD屏的尺寸大小一般需要数十个到上百个白光LED做背光，而其LED驱动IC市场潜力 将会很大。 4）LED手电筒： 小功率LED手电筒、强光LED手电筒、LED矿灯。 5）LED草地灯： 6）LED照明： 照明经过白炽灯、日光灯，到现在比较普遍的节能灯，再下个阶段应该就是LED照明灯的普及了，这里需要超高 亮度的LED，超长寿命、极低功耗将是LED灯很大的优势，同时成本考虑也是一个关键。 7）LED显示： 我们在公交车、地铁里都能看到各样的LED字幕显示屏，并且在户外也有不少大屏幕LED点阵显示屏幕，从远处看 就是一个比较清晰的超大屏幕电视机。这里需要用到专用的LED显示控制芯片。10、LED 产业链分布11、LED 发展现状当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产 品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED 为代表的新型照明光源时代。 中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯 片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了 上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄七个国家半导体照明工程产业化基地。长三角、珠三角、闽三角以及 北方地区则成为中国LED产业发展的聚集地。 目前，中国半导体照明产业发展向好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企业规模继续保持较快增长、照明应 用取得较大进展。2007年中国LED应用产品产值已超过300亿元，已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用 产品世界最大的生产和出口国，新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形成一定特色，其中户外照明 发展最快，已有上百家LED路灯企业并建设了几十条示范道路，但在室内通用照明市场方面仍显落后。 2008年北京奥运会对LED照明的集中展示让人们对LED有了全新的认识，有力推动了中国半导体照明产业的发展。 当前中国半导体产业产业大而不强，核心竞争力仍有待于进一步提升。对国内企业而言，壮大规模、提高产品质量与 技术水平是首要任务，提高未来取得大厂专利授权时的要价能力，或逐步通过研发突破核心专利。12、LED 发展趋势LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、 显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的 技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹 计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。 多年来，LED照明以其 节能、环保的优势，已受到国家和各级政府的重视，各地纷纷出台相关政策和举措加快LED灯具的发展；大众消费者 也对这种环保新型的照明产品渴求已久。但是，由于投入在技术和推广上的成本居高不下，使得令万千消费者翘首 以待的LED照明产品一直可望而不可及，迟迟未能揭开其神秘的贵族面纱！随着国内部分厂家技术和生产成本的降低，LED照明叫好而不叫座的局面行将改变。价廉物美的LED照明产品，将 给中国照明行业带来革命性的冲击，为广大消费者带来光明的福音！总结：LED 照明设计LED照明灯具备受期待的原因就是节能、使用寿命长。确实，与白炽灯相比，目前的球泡型LED灯效率更高。但是 荧光灯与LED照明灯具相比，还是荧光灯较高。这是因为，虽然单独的LED芯片比荧光灯效率高，但是由于发热降低了 发光效率，交流电转换成直流电时，电源效率变低以及由于配光分布变换和使用扩散板导致光效降低，进而造成整个 LED照明灯具的效率下降。 因此，为了实现LED的节能，长寿命，必须对热、电、光进行各种设计。单纯依靠LED封装并不能发挥LED的优势 。第二章 LED 衬底材料的基本知识1、LED 衬底的概念和作用衬底又称基板，也有称之为支撑衬底。衬底只要是外延层生长的基板，在生产和制作过程中，起到支撑和固定的 作用。它与外延层的特性配合要求比较严格，否则会影响到外延层的生长或是芯片的品质。2、LED 衬底材料的种类对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件 的要求进行选择。目前市面上GaN基系列一般有三种材料可作为衬底： 蓝宝石（Al2O3）；硅 (Si)；碳化硅（SiC） 。 除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAS、AlN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。 1）蓝宝石衬底 通常，GaN基材料和器件的外延 生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底 的优点：首先， 蓝宝石衬底的生产 熟、器件质量较好；其次，蓝宝石 性很好，能够运用在高温生长过程 后，蓝宝石的机械强度高，易于处 洗。因此，大多 数工艺一般都以蓝 为衬底。图5示例了使用蓝宝石衬底 LED芯片。 使用蓝宝石作为衬底也存在 题，例如晶格失配和热应力失配， 外延层中产生大量缺陷，同时给后 件加工工艺造成困难。蓝宝石是一 体，常温下的电阻率大于1011Ω? 这种情况下无法制作垂直结构的 通常只在外延层 上表面制作n型 电极（如图1所示）。在上表面制 电 极 ， 造 成 了 有 效 宝石作为衬底的LED芯片 发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率 降低、成本增加。由于P型GaN掺 杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电 极一般 要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀 过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。 蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和 切割（从400nm减到100nm左右）。添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。 蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m?K））。因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别 是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件 直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。 2）硅衬底 一些问 这会在 续的器 种绝缘 cm ， 在 器件； 和p型 作两个 图5 蓝 层主要 有许多 技术成 的稳定 中；最 理和清 宝石作 做成的目前有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是L接触（Lateral-contact , 水 平接触）和V接触（Vertical-contact，垂直接触），以下简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，LED芯片 内部的电流可以是横 向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，从而提 高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体，所以器件的导热性 能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。 3）碳化硅衬底 SiC是IV-IV族二元化合物，也是元素周期表IV族元素中唯一的稳定固态化合物，一种重要的半导体材料。它具有 优良的热学、力学、化学和电学性质，不但是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一，同时又可以用作基 于GaN的蓝色 二极管的衬底 。带宽隙半导 料SiC所制功 件可以承受更 压、更大电流 尽层可以做的 ，因而工作速 快，可使器件 更小、重量更 图6：采用蓝 衬底与碳化 底的LED芯片 碳化硅衬 美国的CREE公 能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。采用碳化硅衬底的LED芯片如图6所示。 碳化硅衬底的导热性能（碳化硅的导热系数为490W/(m?K)）要比蓝宝石衬底高出10倍 以上。蓝宝石本身是热的 不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯片电极为L 型，两个电极分布在器 件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层， 因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高， 实现其商业化还需要降低相应的成本。另外，SiC衬底吸收380纳米以下的紫外光，不适合用来研发380纳米以下的紫 外LED。 4）氮化镓 用于GaN生长的最理想衬底是GaN单晶材料，可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命 ，提高发光效率，提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难，到目前为止还未有行之有效的办法。 5）氧化锌 ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底，是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非 常小，禁带宽度接近（能带不连续值小，接触势垒小）。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的 温度和气氛中易分解和腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达 底（ 司专 发光 材料 体材 率器 高电 、耗 更薄 度更 体积 轻。 宝石 硅衬门采用SiC材料作为衬底）的LED芯片电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。 6）衬底的性能比较 （1）蓝宝石、硅和碳化硅三种衬底的性能比较 前面的内容介绍的就是制作LED芯片常用的三种衬底材料。这三种衬底材料的综合性能比较可参见下表。（2）用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较衬底材料Al2O3SiCSiZnOGaN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3、LED 衬底选择的原则1）晶体结构匹配 外延材料与衬底材料的晶体结构和组分相同或相近、晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低。 2）晶格匹配 衬底材料和外延膜晶格匹配至关重要。晶格匹配包含两个 内容：一是与外延生长面内的晶格匹配，即生长界面 所在平面的某一方向上衬底与外延膜相匹配；另一个是沿衬底表面法线方向上的匹配，如果这个方向上失配度较大， 则衬底表面的任何不平或微小起伏都可能引入缺陷，并延伸到外延膜中。 3）热膨胀原则 热膨胀系数的匹配非常重要，外延膜与衬底材料在热膨胀系数应相近，相差过大不仅可能使外延膜在生长过程中 质量下降，还可能会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏。4）稳定性原则 衬底材料要有好的化学稳定性，在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外 延膜质量下降 5）大尺寸原则 所有的衬底易于生长出较大尺寸的晶体。衬底尺寸一般不小于2英寸。 6）集成与散热 易于集成，散热效果好。 7）价格与其它 考虑到产业发展的需要，要求衬底材料的制备工艺简单、易于加工，且成本不能太高；要求衬底的导电性能要好 ，这样有利于制作。4、LED 衬底的工艺流程1）蓝宝石的制作流程如下：蓝宝石晶体晶棒晶棒基片图 7：蓝宝石衬底制作工艺流程 长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体 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 掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒 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 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 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 切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的芯片 研磨:去除切片时造成的芯片切割损伤层及改善芯片的平坦度倒角:将芯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 抛光:改善芯片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除芯片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等) 品检:以高精密检测仪器检验芯片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求第三章 LED 外延片基础知识1、LED 外延生长的概念和原理外延生是在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬 底表面，生长出特定单晶薄膜。 LED外延片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LED外延片生长技术、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。 在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有蓝宝石和SiC，Si）上，气态物质In, Ga, Al, P有控制的输送到衬底 表面，生长出特定单晶薄膜。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。 外延片的生产制作过程是非常复杂，展完外延片，接下来就在每张外延片随意抽取九点做测试，符合要求的就是 良品，其它为不良品（电压偏差很大，波长偏短或偏长等）。良品的外延片就要开始做电极（P极，N极），接下来就 用激光切割外延片，然后百分百分捡，根据不同的电压，波长，亮度进行 化分检，也就是形成LED芯片（方片）。然后还要进行目测，把有一点缺 电极有磨损的，分捡出来，这些就是后面的散晶。此时在蓝膜上有不符合 货要求的芯片，也就自然成了边片或毛片等。不良品的外延片（主要是有 数不符合要求），就不用来做方片，就直接做电极（P极，N极），也不做 ，也就是目前市场上的LED大圆片 。 图8：外延片照片 全自动 陷或者 正常出 一些参 分检了2、LED 外延片衬底材料选择特点1）衬底与外延膜的结构匹配，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易分解和腐蚀，不能因为与外延膜的化学反应使外延膜质量下 降。 4）热学性能好，包括导热性好和热失配度小。外延膜与衬底材料在热膨胀系数应相近，相差过大不仅可能使外 延膜在生长过程中质量下降，还可能会在器件工作过程中，由于发热而造成器件的损坏。 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，所有的衬底易于生长出较大尺寸的晶体。衬底尺寸一般不小于2英寸。 10）容易得到规则形状衬底(除非有其它特殊要求)，与外延设备托盘孔相似的衬底形状才不容易形成不规则涡流 ，以至于影响外延质量。 11）在不影响外延质量的前提下，衬底的可加工性尽量满足后续芯片和封装加工工艺要求。 衬底的选择要同时满足以上十一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。下表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。3、LED 外延片衬底材料种类当前用于GaN基LED的衬底材料比较多，但是能用于商品化的衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底。其它诸 如GaN、Si、ZnO衬底还处于研发阶段，离产业化还有一段距离。 1）红黄光LED 红光LED以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)为主，主要采用GaP和GaAs作为衬底，未产业化的还 有蓝宝石Al2O3和硅衬底。 （1）GaAs衬底 在使用LPE生长红光LED时，一般使用AlGaAs外延层，而使用MOCVD生长红黄光LED时，一般生长AlInGaP外延结构 。外延层生长在GaAs衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射 镜或芯片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。 （2）GaP衬底 在使用LPE生长红黄光LED时， 一般使用GaP外延层， 波长范围较宽565-700使用VPE生长红黄光LED时， 生长GaAsP外延层，波长在630-650nm 之间;而使用MOCVD时，一般生长AlInGaP外延结构，这个结构很好的解决了GaAs衬底吸光 的缺点，直接将LED结构生长在透明衬底上，但缺点是晶格失配，需要利用缓冲层来生长InGaP和AlGaInP结构。另外 ，GaP基的III-N-V材料系统也引起广泛的兴趣，这种材料结构不但可以改变带宽，还可以在只加入0.5 %氮的情况下 ，带隙的变化从间接到直接，并在红光区域具有很强的发光效应(650nm)。采用这样的结构制造LED，可以由GaNP 晶 格匹配的异质结构，通过一步外延形成LED结构，并省去GaAs衬底去除和芯片键合透明衬底的复杂工艺。 2）蓝绿光LED 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。 （1）氮化镓衬底 用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料，这样可以大大提高外延片膜的晶体品质，降低位错密度 ，提高器件工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止 尚未有行之有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其它衬底(如Al2O3、SiC、LGO)上生长氮化镓厚膜，然后通过剥 离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样获得的氮化镓厚膜优点非常明 显，即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位错密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化镓薄膜的位错密度要明显低;但价格 昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底之用受到限制。 （2）蓝宝石Al2O3衬底 目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相 对成熟;不足方面虽然很多，但均一一被克服，如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、 N电极所克服，机械性能差不易切割通过雷射划片所克服，很大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是， 差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。 （3）SiC衬底 除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第2，目前还未有第三种衬底用 于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等， 但不足方面也很突出，如价格太高、晶体品质难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。 另外，SiC衬底吸 收380 nm以下的紫外光，不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要 像Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以比较好的解决功率 型氮化镓LED器件的散热问题。目前国际上能提供商用的高品质的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。 （4）Si衬底 在硅衬底上制备发光二极体是本领域中梦寐以求的一件事情，因为一旦技术获得突破，外延片生长成本和器件加 工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许多优点，如晶体品质高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电 性、导热性和热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程 中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级品质的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严 重，LED出光效率低。 （5）ZnO衬底 之所以ZnO作为GaN外延片的候选衬底，是因为他们两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配 度非常小，禁带宽度接近(能带不连续值小，接触势垒小)。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是在GaN外延生 长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料品质达不到器件水准和P型掺杂问题没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研发的重 点是寻找合适的生长方法。但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。 ZnO的禁带宽度为3.37 eV，属直接带隙，和GaN 、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380 nm附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫 光半导体激光器的候选材料。ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。 （6）ZnSe衬底 有人使用MBE在ZnSe衬底上生长ZnCdSe/ZnSe等材料，用于蓝光和绿光LED器件，最先由住友公司推出，由于其不 需要荧光粉就可以实现白光LED的目标，故可降低成品，同时电源回路构造简单，其操作电压也比GaN白光LED低。但 是其并没有推广，这是因为由于使用MOCVD，p型参杂没有很好解决，试验中需要用到Sb来参杂，所以一般采用MBE生 长，同时其发光效率较低，，而且由于自补偿效应的影响，使得其性能不稳定，器件寿命较短。 实现发光效率的目标要寄希望于GaN衬底的LED，实现低成本，也要通过GaN衬底导致高效、大面积、单灯大功率 的实现，以及带动的工艺技术的简化和成品率的大大提高。半导体照明一旦成为现实，其意义不亚于爱迪生发明白炽 灯。一旦在衬底等关键技术领域取得突破，其产业化进程将会取得长足发展。4、LED 外延片生长工艺早期在小积体电路时代，每一个6嫉耐庋悠现谱魇郧Ъ频男酒衷诖挝⒚紫呖淼拇笮VLSI，每一个8嫉 外延片上也只能完成一两百个大型芯片。外延片的制造虽动辄投资数百亿，但却是所有电子工业的基础。 外延片技术与设备是外延片制造技术的关键所在。气相外延（VPE）、液相外延（LPE）、分子束外延（MBE）和 金属有机化合物气相外延（MOCVD）都是常用的外延技术。大量实践证明，MOCVD是一种工业化的实用技术。当前MOCVD 工艺已经成为绝大多数光电子材料的基本技术。 1）外延片的简单工艺流程如图：衬底见图9. 2）什么是MOCVD MOCVD是金属有机化合物化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition)的英文缩写。MOCVD是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的 新型气相外延生长技术.它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的 物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长 Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。通常 系统中的晶体生长都是在常压或低压(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不锈 应室中进行，衬底温度为500-1200℃,用射频感应加热石墨基座(衬底基片在 基座上方),H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。 3）MOCVD技术的优点 (l)适用范围广泛，几乎可以生长所有化合物及合金半导体； (2)非常适合于生长各种异质结构材料；外延片 图 9 外延片工艺流程图 退火 P 型 GaN 层生长 多量子阱发光层生长 N 型 GaN 层生长 结构设计缓冲层生长一种 氢化 各种 MOCVD 钢)反 石墨检测 （光荧光、 射线） X(3)可以生长超薄外延层，并能获得很陡的界面过渡； (4)生长易于控制； (5)可以生长纯度很高的材料； (6)外延层大面积均匀性良好； (7)可以进行大规模生产。 4）MOCVD系统组成 因为MOCVD生长使用的源是易燃、易爆、毒性很大的物质，并且要生长多组分、大面积、薄层和超薄层异质材料 。因此在MOCVD系统的设计思想上，通常要考虑系统密封性，流量、温度控制要精确，组分变换要迅速，系统要紧凑 等。不同厂家和研究者所产生或组装的MOCVD设备是不同的，但一般来说,MOCVD设备是由源供给系统、气体输运和流 量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理及安全防护报警系统、自动操作及电控系统等组成。 （1）源供给系统 包括Ⅲ族金属有机化合物、V族氢化物及掺杂源的供给。金属有机化合物装在特制的不锈刚的鼓泡器中，由通入 的高纯H2携带输运到反应室。为了保证金属有机化合物有恒定的蒸汽压，源瓶置入电子恒温器中，温度控制精度可达 0.2℃以下。氢化物一般是经高纯H2稀释到浓度5%一10%后，装入钢瓶中，使用时再用高纯H2稀释到所需浓度后，输运 到反应室。掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物 源的输运相同。 （2）气体输运系统 气体的输运管都是不锈钢管道。 为了防止存储效应， 管内进行了电解抛光。 管道的接头用氢弧焊或VCR及Swagelok 方式连接，并进行正压检漏及Snoop液体或He泄漏检测，保证反应系统无泄漏是MOCVD设备组装的关键之一。流量是由 不同量程、响应时间快、精度高的质量流量计和电磁阀、气动阀等来实现。在真空系统与反应室之间设有过滤器，以 防油污或其它颗粒倒吸到反应室中。为了迅速变化反应室内的反应气体，而且不引起反应室内压力的变化，设置 “run”和“vent，，管道。 （3）反应室和加热系统 反应室是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀、超薄层、异质结构的化合物半导体材料，各生产厂家和 研究者在反应室结构的设计上下了很大功夫，设计出了不同结构的反应室。石墨基座是由高纯石墨制成，并包裹SIC 层。加热多采用高频感应加热，少数是辐射加热。由热电偶和温度控制器来控制温度，一般温度控制精度可达到0.2 ℃或更低。 （4）尾气处理系统 反应气体经反应室后大部分热分解，但还有部分尚未完全分解，因此尾气不能直接排放到大气中，必须先进行处 理，处理方法主要有高温热解炉再一次热分解，再用硅油或高锰酸钾溶液处理;也可以把尾气直接通入装有H2SO4+H2O 及装有NaOH溶液的吸滤瓶处理;也有的把尾气通入固体吸附剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等。 （5）安全保护及报警系统 为了安全，一般的MOCVD系统还备有高纯从旁路系统，在断电或其它原因引起的不能正常工作时，通入纯N2保护 生长的片子或系统内的清洁。在停止生长期间也有常通高纯N2保护系统。（6）手动和自动控制系统 一般MOCVD设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能。在控制系统面板上设有阀门开关、各个管路气体流量 、温度的设定及数字显示，如有问题会自动报警，使操作者能及时了解设备运转的情况。此外，MOCVD设备一般都设 在具有强排风的工作室内。 5）LPE、VPE和MOCVD的比较6）外延片的检测 外延片的检测一般分为两大类: 一是光学性能检测，主要参数包括工作电压，光强，波长范围，半峰宽，色温，显色指数等等，这些数据可以用 积分球测试。 二是可靠性检测，主要参数包括光衰，漏电，反压，抗静电，I-V曲线等等，这些数据一般通过老化进行测试。 5、LED外延片的分类 不同的材料、不同的生长条件以及不同的外延层结构都可以改变发光的颜色和亮度。不同的衬底材料、不同的发 光层材料，对应不同的波长，也对应不同的颜色。其实，在几微米厚的外延层中，真正发光的也仅是其中的几百纳米 （1微米＝1000纳米）厚的量子阱结构。 根据颜色来分，磷化铝、磷化镓和磷化铟的合金（AlGaInP或AlInGaP）,可以做成红色、橙色和黄色的LED；另一 个是氮化铟和氮化镓的合金（InGaN），可以做成绿色、蓝色和白色的LED。由于蓝绿光和白光是未来的发展方向，也 是现在的主流产品，蓝宝石作为衬底使用最多。 下表为LED外延片材料分类。
第四章 LED 芯片基础知识1、LED 芯片的概念LED芯片是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的芯片，芯片的一端附在 一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个芯片被环氧树脂封装起来。半导体芯片由两部分组成，一 部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的 时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空 穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材 料决定的。 LED芯片为LED的主要原材料， LED主要依靠芯 发光。 以前面所讲述的衬底和外延片的知识，芯片就是在 片上的基础上经过下面一系列流程，最终完成如右图的 -芯片。 外延片→清洗→镀透明电极层透 (Indium Tin Oxide， ITO)→透明电极图形光刻→腐蚀→去胶→平台图 刻→干法刻蚀→去胶→退火→SiO2沉积→窗口图形光刻 SiO2腐蚀→去胶→N极图形光刻→预清洗→镀膜→剥离 火→P极图形光刻→镀膜→剥离→研磨→切割→芯片→ 测试。 图10： 外延片成品示意图 形光 → →退 成品 外延 成品 片来2、LED 芯片的组成元素LED芯片的元素主要为III-V族元素，主要有砷(AS)、铝(AL)、镓(Ga、)铟(IN)、磷(P)、氮(N)、锶(Si)这几种元 素中的若干种组成。3、LED 芯片的分类1）按发光亮度分 A、一般亮度：RpHpGpYpE等 B、高亮度：VGpVYpSR等 C、超高亮度：UGpUYpURpUYSpURFpUE等 D、不可见光(红外线)：RpSIRpVIRpHIRE、红外线接收管：PT F、光电管：PD 2）按组成元素分 A、二元芯片(磷p镓)：HpG等 B、三元芯片（磷p镓p砷）：SRpHRpUR等 C、四元芯片(磷p铝p镓p铟)：SRFpHRFpURFpVYpHYpUYpUYSpUEpHE、UG 3）按照制作工艺分 LED芯片分为MB芯片，GB芯片，TS芯片，AS芯片等4种，下文将分析介绍这4种芯片的定义与特点 （1）MB芯片定义与特点 定义： MB 芯片：Metal Bonding (金属粘着）芯片；该芯片属于UEC 的专利产品 特点s ① 采用高散热系数的材料---Si 作为衬底，散热容易。 Thermal Conductivity GaAs: 46 W/m-K GaP: 77 W/m-K Si: 125 ～ 150 W/m-K Cupper:300~400 W/m-k SiC: 490 W/m-K ② 通过金属层来接合(wafer bonding)磊芯层和衬底，同时反射光子，避免衬底的吸收. ③ 导电的Si 衬底取代GaAs 衬底，具备良好的热传导能力(导热系数相差3~4 。 ④ 底部金属反射层，有利于光度的提升及散热。 ⑤ 尺寸可加大o应用于High power 领域oeg : 42mil MB （2）GB芯片定义和特点 定义s GB 芯片：Glue Bonding (粘着结合）芯片；该芯片属于UEC 的专利产品 特点： 倍)，更适应于高驱动电流领域① 透明的蓝宝石衬底取代吸光的GaAs衬底o其出光功率是传统AS (Absorbable structure)芯片的2倍以上，蓝 宝石衬底类似TS芯片的GaP衬底。 ② 芯片四面发光o具有出色的Pattern图。 ③ 亮度方面o其整体亮度已超过TS芯片的水平(8.6mil)。 ④ 双电极结构o其耐高电流方面要稍差于TS单电极芯片。 （3）TS芯片定义和特点 定义： TS 芯片：transparent structure(透明衬底)芯片，该芯片属于HP 的专利产品。 特点s ① 芯片工艺制作复杂，远高于AS LED。 ② 信赖性卓越。 ③ 透明的GaP衬底，不吸收光，亮度高。 ④ 应用广泛。 （4）AS芯片定义与特点 定义： AS 芯片：Absorbable structure (吸收衬底）芯片，经过近四十年的发展努力，台湾LED光电业界对于该类型 芯片的研发、生产、销售处于成熟的阶段，各大公司在此方面的研发水平基本处于同一水平，差距不大。大陆芯片制 造业起步较晚，其亮度及可靠度与台湾业界还有一定的差距，在这里我们所谈的AS芯片，特指UEC的AS芯片，eg: 712SOL-VR, 709SOL-VR, 712SYM-VR,709SYM-VR 等。 特点： ① 四元芯片，采用 MOVPE工艺制备，亮度相对于常规芯片要亮。 ② 信赖性优良。 ③ 应用广泛。 4）发光二极管芯片材料磊晶种类 ① LPE：Liquid Phase Epitaxy(液相磊晶法) GaP/GaP ② VPE：Vapor Phase Epitaxy(气相磊晶法) GaAsP/GaAs ③ MOVPE：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy (有机金属气相磊晶法) AlGaInP、GaN ④ SH：GaAlAs/GaAs Single Heterostructure(单异型结构)GaAlAs/GaAs ⑤ DH：GaAlAs/GaAs Double Heterostructure， (双异型结构) GaAlAs/GaAs⑥ DDH：GaAlAs/GaAlA4、LED 芯片特性表（详见下表介绍）LED芯片型号发光颜色组成元素波长（nm）芯片型号发光颜色组成元素波长（nm） SBI蓝色lnGaN/sic 430 HY超亮黄色AlGalnP 595 SBK较亮蓝色lnGaN/sic 468 SE高亮桔色GaAsP/GaP 610 DBK较亮蓝色GaunN/GaN 470 HE超亮桔色AlGalnP 620 SGL青绿色lnGaN/sic 502 UE最亮桔色AlGalnP 620 DGL较亮青绿色LnGaN/GaN 505 URF最亮红色AlGalnP 630 DGM较亮青绿色lnGaN 523 E桔色GaAsP/GaP635 PG纯绿GaP 555 R红色GAaAsP 655 SG标准绿GaP 560 SR较亮红色GaA/AS 660 G绿色GaP 565 HR超亮红色GaAlAs 660 VG较亮绿色GaP 565 UR最亮红色GaAlAs 660 UG最亮绿色AlGaInP 574 H高红GaP 697 Y黄色GaAsP/GaP585 HIR红外线GaAlAs 850 VY较亮黄色GaAsP/GaP 585 SIR红外线GaAlAs 880 UYS最亮黄色AlGalnP 587 VIR红外线GaAlAs 940 UY最亮黄色AlGalnP 595 IR红外线GaAs 9405、LED 芯片的工艺流程1）网络上由格林机电提供的LED芯片工艺流程。 首先在衬低上制作氮化镓（GaN）基的外延片，然后是对LED PN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯 片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可以得 到所需的LED芯片。如果芯片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）会有脱 落，金属层外观变色，金泡等异常。 重点工艺的介绍： （1）金属蒸镀 又称物理镀膜 (Physical Vapor Deposition；PVD)，依原理分为蒸镀(evaporation) 与溅镀 (sputtering) 两种。PVD基本上都需要抽真空：前者在10-6~10-7Torr的环境中蒸着金属；后者则须在激发电浆前，将气室内残余空气 抽除，也是要抽到10-6~ 10-7Torr的程度。 镀膜工艺一般用真空蒸镀方法，其主要在1.33*10-4pa高真空下用电阻加热或电子束轰击加热方法使材料熔化在 低气压下变成金属蒸气沉积在半导体材料表面，一般所用P型的接触金属的包括AuBe,AuZn等，N面的接触金属常采用 AuGeNi合金，镀膜工艺中最常出现的问题是镀膜前的半导体表面清洗，半导体表面的氧化物，油污等杂质清洗不干净 往往造成镀膜不牢，镀膜后形成的合金层还需要通过光刻工艺将发光区尽可能多露出来，使留下来的合金层能满足有 效可靠的低欧姆接触电极，及焊线压垫的要求，正面最常用到的形状是圆形，对背面来说若材料是透明的也要刻出圆 形。 蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定芯片 产生夹痕（在目检必须挑除）。 （2）黄光显影 ① 黄光显影制程的流程， 大致可以分 烘烤-&涂底-&上光阻-&软烤-&曝光-&曝光 -&显影-&硬烤-&湿式去光阻-& DI超纯水 A.去水烘烤： 其目的是为了要保持干 光阻的覆盖。 B.涂底：涂上一层HMDS增加光阻的附 C.上光阻：利用旋转的离心力，使光 匀涂布在表面。 D.软烤：将光阻原有的液态转为固态 使光阻层对芯片表面的附着能力加强。 E.曝光：利用摄影的原理做一个图像 动作。 F.曝光后烘烤：可以使光阻结构重新 驻波的现象能减少。 机电芯片工艺流程图 G.显影：将曝光的成像显影出来，为 改变化学结构，应该尽快进行图像显影。 H.硬烤：进一步将光阻内多余的溶液，籍蒸发而降到最低。 I.湿式去光阻：主要是利用有机溶液对光阻进行结构性之破坏，以去除薄膜上之光组；因光阻本身也是一有机物 ，由碳元素与氢元素所组成，因此可用有机溶液（如硫酸）加以除去残余之光组。 J.DI超纯水之清洗：去光阻后，洗净残余酸、碱，以利下一清洗之步骤。 在硬烤之后，常常伴有蚀刻或离子植入等制程，随后才进行湿式去光阻。 ② 光阻的介绍 了不使 图 排列， 使 11： 格林 转移的 的薄膜， 着力。 阻能均 为： 去水 后烘烤 之清洗 燥以便 ， 因此会A. 化学性质与作用 光阻（Photoresist）是一种材料物质，在 显影成像过程中， 以它来将光罩上之图形转移至 芯片上， 当做下一站蚀刻或离子植入时之保护罩 幕。 一般光阻有正负光阻的区别， 正光阻经光线 照射后，爆到光的部分，就变得容易溶解，经显 影液处理后， 即不存在， 只留下未爆到光的部分 而形成图形。 负光阻的特性则和正光阻相反， 爆 到光的部分之光阻合成高分子聚合物， 而不易被 溶去， 所以经显影液处理后， 只留下爆到光的部 分。在制程来说，负光阻制程的优点是成本低， 产量高， 相对来说， 分辨率则因高分子聚合物会 吸收显影液而膨胀， 因此较正光阻差， 正光阻则 主要用于次微米技术之主要材料。 B. 光阻化学成分 正光阻主要组成物质有三：树脂、感光剂和溶剂（EL,MMP?）。其中树脂之主要功用为使光阻能形成一种足以当 做蚀刻或离植入时之护膜；而感光剂原本为不溶解物质，经光照射反应后，则可提高其溶解率；溶剂之作用在使光阻 形成液体状，以方便后续光覆盖之制程。 光阻的优劣除了与光阻的感光能力相关以外，好的光阻应该还具备良好的附着性（Adhesion）,抗蚀刻性（Etch resistance）,及分辨率（Resolution）。通常光阻的厚度越薄，其分辨率将越好，但若以光阻的抗蚀刻性及防范杂 质侵入的观点来看，其厚度应要厚一点。通常以照度要求不同，约在千个A到2um之间。而影响光阻进行图案转移的首 要重点，便是光阻与芯片彼此间的附着力，涂底便是一个普遍用来提升光阻与芯片表面附着性的步骤。 ③ 湿式去光阻 主要是利用有机溶液对光阻进行结构性的破坏，使光阻溶于有机溶液中，已达成去光阻之目的。以这种方法进行 光阻去除的溶剂，主要有丙酮（Acetoone）及芳香族（phenol base）有机溶液等。 另一种无机（Inorganic）溶液的去光阻方式，其原理则和有机溶液之原理不同，因为光阻本身也是有机物，主 要也是由碳和氢等元素等所构成之化合物（Compounds）.因此可以利用一些无机溶液，如硫酸（H2SO4）和双氧水（ H2O2）,把光阻之碳元素，以双氧水将其氧化为二氧化碳（CO2），氢元素则由硫酸施以去水（Dehydration）,如此则 可把光阻从晶圆表面上去除。 值得一提的是无机溶液会攻击金属铝，因此去除金属铝的光阻，一定要用有机溶液去除。 （3）化学蚀刻在黄光显影流程部分有提到， 之后， 常常伴有蚀刻或离子植入等 随后才进行湿式去光阻。 蚀刻的机 发生顺序可概分为 「反应物接近表 「表面氧化」、「表面反应」、「 离开表面」 等过程。 所以整个蚀刻 反应物接近、 生成物离开的扩散效 及化学反应两部份。 整个蚀刻的时 于是扩散与化学反应两部份所费 总和。 二者之中孰者费时较长， 整 之快慢也卡在该者，故有所谓「 reaction limited」 「diffusion 与 limited」两类蚀刻之分。 ① 湿蚀刻 最普遍、也是设备成 的蚀刻方法，其设备如图 示。其影响被蚀刻物之蚀 (etching rate) 的因素 蚀刻液浓度、蚀刻液温度 拌 (stirring) 之有无。 言，增加蚀刻温度与加入 均能有效提高蚀刻速率； 之影响则较不明确。举例 以49%的HF蚀刻SiO2， 当然 (Buffered-Oxide- Etch NH4F =1：6) 快的多；但 KOH蚀刻Si的速率却比 慢！ 一个具有高选择性的 统，应该只对被加工薄膜 作用，而不伤及一旁之蚀 或其下的基板材料。在硬烤 制程， 制，按 面」、 生成物 ，包含 应，以 间，等 时间的 个蚀刻本最低 2-10所 刻速率 有三： 、及搅 定性而 搅拌， 但浓度 来说， 比BOE ；HF： 40%的 20%KOH 蚀刻系 有腐蚀 刻掩膜湿蚀刻可分为等向性蚀刻 (isotropic etching)和非等向性蚀刻 (anisotropic etching)，这两种蚀刻的最主要 区别在于等向性蚀刻有所谓的下切或侧向侵蚀现象 (undercut)，该现象造成的图案侧向误差与被蚀薄膜厚度同数量 级，换言之，湿蚀刻技术因之而无法应用在类似「次微米」线宽的精密制程技术。而非等向性蚀刻则解决了这一问题 。薄膜遭受到的蚀刻是固定的方向，尤其是由上而下或称之为垂直方向的侵蚀，当然这种横向侵蚀是相当的弱，所以 前面所发生之下切则不会发生。这种蚀刻后的轮廓相当的直，角度将接近90度。下图为两种蚀刻的结果比较图，可以 很明显的看出其区别。 ② 干蚀刻 干蚀刻是一类较新型，但迅速为半导体工业所采用的技术。其利用电浆 (plasma) 来进行半导体薄膜材料的蚀刻加工。其中电浆必须在真空度约10至0.001 Torr 的环境下，才有可能被激发出来；而干蚀刻采用的气体，或轰击质 量颇巨，或化学活性极高，均能达成蚀刻的目的。 干蚀刻基本上包括「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反应」(chemical reaction) 两部份蚀刻机制。偏 「离子轰击」效应者使用氩气(argon)，加工出来之边缘侧向侵蚀现象极微。而偏「化学反应」效应者则采氟系或氯 系气体(如四氟化碳CF4)，经激发出来的电浆，即带有氟或氯之离子团，可快速与芯片表面材质反应。 干蚀刻法可直接利用光阻作蚀刻之阻绝遮幕，不必另行成长阻绝遮幕之半导体材料。而其最重要的优点，能兼顾 边缘侧向侵蚀现象极微与高蚀刻率两种优点，换言之，本技术中所谓「活性离子蚀刻」(reactive ion etch；RIE) 已 足敷「次微米」线宽制程技术的要求，而正被大量使用中。 （4）离子植入(Ion Implantation) 离子植入技术可将掺质以离子型态植入bandaotizujian的特定区域上，以获得精确的电子特性。因为扩散制程虽 然有批次制作、成本低廉的好处，但在扩散区域之边缘所在，有侧向扩散的误差，故限制其在次微米制程上之应用。 但诚如干蚀法补足湿蚀法在次微米制程能力不足一样，此地另有离子植入法，来进行图案更精细，浓度更为稀少精准 的杂值搀入。 离子植入法是将III族或IV族之杂质，以离子的型式，经加速 进入晶圆表面，经过一段距离后，大部份停于离晶圆表面0.1微米 深度 (视加速能量而定)，故最高浓度的地方，不似热扩散法在表 不过因为深度很浅，一般还是简单认定大部份离子是搀杂在表面 后进一步利用驱入（drive-in）来调整浓度分布，并对离子撞击 域，进行结构之修补。基本上，其为一低温制程，故可直接用光 义植入的区域。 （5）研磨 目的:将芯片背面基板磨薄以利后续切割作业。 方式:早期用钻石研磨粉，目前使用钻石砂轮。 （6）切割 目的：将整片芯片切割成单一个别芯片。 方式：早期用钻石切割刀，目前用镭射切割。 图15：研磨制成图示 后冲击 左右之 面上。 上，然 过的区 阻来定图16： 切割成品图示 （7）测试制造成芯片后，在晶圆上的不同位置抽取九个点做参数测试，如图所示： a、主要对电压、波长、亮度进行测试，能符合正常出货标准参数的晶圆片再继续做下一步的操作，如果这九点 测试不符合相关要求的晶圆片，就放在一边另外处理。 b、晶圆切割成芯片后，100%的目检（VI/VC），操作者要使用 倍数的显微镜下进行目测。 c、接着使用全自动分类机根据不同的电压，波长，亮度的预测 芯片进行全自动化挑选、测试和分类。 d、最后对LED芯片进行检查（VC）和贴标签。芯片区域要在蓝 心，蓝膜上最多有5000粒芯片，但必须保证每张蓝膜上芯片的数量 于1000粒，芯片类型、批号、数量和光电测量统计数据记录在标签 蜡光纸的背面。蓝膜上的芯片将做最后的目检测试与第一次目检标 确保芯片排列