Micro LED芯片制备

1、LED发光工作原理

　　led发光二极管是一种固态的半导体器件，它可以直接把电能转化成光能。它和其他半导体器件一样，都是由一个P-N结组成，也具有单向导电性。在给led加上正向电压时N区的电子会被推向P区，在P区与空穴复合，P区空穴被推向N区，在N区里电子和空穴复合，然后以光子的形式发出能量。P-N 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

●发光二极管L ED的要素:合适的发光材料;pn结结构;正偏压下注入电子-空穴对，提供能量:电子-空穴复合发射光子。
●LED通常是用直接带隙材料制成，也可以用含有等离子陷阱的间接带隙材料制成。
●正偏置pn结时，在(L n +L,)的区域中形成了高浓度的电子-空穴对。复合时发射的光子能量近似等于带隙。
●电子-空穴对复合发光的区域为有源区。正偏压作用下少子的注入和电子空穴对复合的物理过程为注入式电荧光。

●异质LED:窄带材料作有源区，宽禁带的材料作限制层。
●间接带隙LED:等电子杂质。例如，GaP掺入大量的N，引进了等电子陷阱，形成一-个杂质带，形成一杂质带尾，能够提供大量的电子，发射绿光(~565nm)。同质结构LED常常是pnt结。在n+型一-边，施主杂质浓度Ng比p型边的N高得多。n+边的耗尽层很薄。由n+边注入至p边的电子浓度比由p边注入到n

●电子-空穴对复合发光的区域为有源区。正偏压作用下少子的注入和电子-空穴对复合的物理过程为注入式电荧光。

2.结构

　　不同LED芯片，其结构大同小异，有外延用的芯片基板(蓝宝石基板、碳化硅基板等)和掺杂的外延半导体材料及透明金属电极等构成，倒装芯片制作工艺包括： 焊球成形、球金属下沉积（UBM）、焊料凸点技术沉积、焊料凸点回流焊、热压缩。以上都会会涉及三次光刻、剥离和两次热处理过程

　　LED器件结构的外延生长技术——垂直结构、平面结构

倒装结构

　　传统的LED芯片采用正装结构,上面通常涂敷一层环氧树脂,下面以蓝宝石作为衬底。一方面,由于蓝宝石的导热性较差,有源层产生的热量不能及时地释放,而且蓝宝石衬底会吸收有源区的光线,即使增加金属反射层也无法完全解决吸收的问题;另一方面,由于环氧树脂的导热能力很差,热量只能靠芯片下面的引脚散出。因此前后两方面都造成散热的难题,影响了器件的性能和可靠性。鉴于此,LED的倒装焊接技术应运而生。 

　　2001年,LumiLeds研制出了AIGalnN功率型倒装芯片结构,LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样大功率LED产生的热量不必经由芯片的蓝宝石衬底,而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底,再传到金属底座,由于其有源发热区更接近于散热体,可降低内部热沉热阻。这种结构的热阻理论计算最低可达到1.34K/W,实际做到6-8K/W,出光率也提高了60%左右。但是,热阻是与热沉的厚度成正比的,由于受硅片机械强度与导热性能所限,很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻,这就制约了其传热性能的进一步提高。 

垂直结构

　　LED芯片有横向和垂直两种基本结构。所谓的横向结构LED芯片是指芯片两个电极在外延片的同侧,由于电极在同一侧,电流在n-和p-类型限制层中横向流动不利于电流的扩散以及热量的散发。相反,垂直结构LED芯片是指两个电极分布在外延片的异侧,以图形化电极和全部的p型限制层作为第二电极,使得电流几乎全部垂直流过LED外延层,极少横向流动的电流。目前垂直结构LED可以按材料分为GaP基LED、GaN基LED和ZnO基LED。LED的分别用红色和黑色表示)分别与热沉或PCB或电路板上的正、负极(分别用红色和黑色表示)电联接。外界电源与电路板上的“十”和“一”极相联接。 

　　由SemiLedS研发的以蓝宝石为衬底的垂直结构GaN基LED芯片从2005年11月开始进入市场。制造垂直结构LED芯片有两种基本方法:剥离生长衬底和不剥离生长衬底。相比横向结构的LED芯片,垂直结构的LED芯片具有以下明显的优势:

(l)所有的制造工艺都是在晶片水平进行的。

(2)抗静电能力高。

(3)无需打金线,一方面封装厚度薄,可用于制造超薄型的器件,如背光源,大屏幕显示等;另一方面,良品率和可靠性均得以提高。

(4)在封装前进行老化,降低生产成本。

(5)可以采用较大直径的通孔/金属填充塞和多个的通孔/金属填充塞进一步提高衬底的散热效率。这一特点对大功率LED尤其重要。

3.lED芯片的封装结构分类
　　Chip结构:又分为单极芯片封装结构和双极芯片封装结构。单极芯片封装结构是芯片负极通过银胶与PCB板铜箔链接，正极通过铝线绑定与PCB铜箔相连接。主要用于底背光。双
极芯片封装结构芯片正负极均通过铝线绑定与PCB铜箔相连接。 

　　SMD结构: (表面贴装器件): SMD是将芯片采用回流焊的形式焊接在-一个小的PCB板上，厂商提供的都是4.0x4.0mm的焊盘并用树脂固定的LED。常用于侧背光和彩屏产品。

　　LAMP结构:原理同SMD封装原理雷同，只是外形结构有差异，它主要是有两个支架PIN脚。亮度范围100-1500mcd， 主要用于侧背光产品。

4.LED芯片的分类

　　LED芯片按极性分类可分为: N/P， P/N。 按发光部位分为表面发光型(光线大部分从芯片表面发出)和五面发光型(表面，侧面都有较多的光线射出)。如果按组成分可分为:二元、三元、四元LED芯片。所谓的二元、三元、四元LED芯片，是指该芯片中所含有效元素的数目。如果按组成元素分可以分为以下几种类型:
　　A.二元芯片(磷、鎵):H、 G等(有两种有效元素)
　　B.三元芯片(磷、鎵、砷):SR、 HR、 UR等(有三种有效元素)
　　C.四元芯片(磷、铝、鎵銦):SRF、HRF、URF、 VY、HY、 UY、UYS、UE、 HE、UG等。

5.发光二极管芯片制作方法和材料的磊晶种类

　　（1）LPE:液相磊晶法GaP/GaP;

　　（2）VPE:气相磊晶法GaAsP/GaAs;

（3）MOVPE:有机金属气相磊晶法) AIGaInP、GaN;

（4）SH:单异型结构GaAlAs/GaAs;

（5）DH:双异型结构GaAlAs/GaAs;
（6）DDH:双异型结构GaAlAs/GaAlAs.
　　不同LED芯片，其结构大同小异，有外延用的芯片基板(蓝宝石基板、碳化硅基板等)和掺杂的外延半导体材料及透明金属电极等构成。

6. 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。三种衬底材料:蓝宝石(AI2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)
（1）蓝宝石衬底
　　蓝宝石衬底有许多的优点:生产技术成熟、器件质量较好;稳定性很好，能够运用在高温生长过程中;机械强度高，易于处理和清洗。

　　蓝宝石衬底存在的问题: 晶格失配和热应力失配，会在外延层中产生大量缺陷;蓝宝石是一 种绝缘体，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少；增加了光刻、蚀刻工艺过程，制作成本高。
　　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。蓝宝石衬底导热性能不是很好(在100°C约为25W/m-K),制作大功率LED往往采用倒装技术(把蓝宝石衬底剥离或减薄)。

（2）硅衬底
　　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硅衬底芯片电极采用两种接触方式:

（3）碳化硅衬底
　　碳化硅衬底(CREE公司专门采用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能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。
　　优r碳化硅的导热系数为490W/mK,要比蓝宝石衬底高出10倍以上。缺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。

　　除了以上三种常用的衬底材料之外，还有GaAS、AIN、ZnO等材料也可作为衬底，通常根据设计的需要选择使用。

7.量子阱(QW)是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。

多量子阱结构优势:
1、在MQW结构中，电子和空穴的波函数重叠较多，因此其辐射复合的效率较高;
2、在DH结构中，narrow bandgap材料形成的发光区不会长得太窄，否则会使发光区域变小，影响发光效率;也不能长得太宽，否则会超过载流子扩散长度，通常0.5-5um;

　　如果中间的narrow bandgap材料和两边的large bandgap材料晶格不匹配，长晶后，材料会产生很多缺陷，使发光效率下降;
用MQW结构，中间narrow bandgap层可以做的很薄，晶格不匹配的影响很小，不会产生缺陷;如InGaN刚好发出蓝、绿光，两边large bandgap材料用GaN,

但它们之间的Iattice constant不匹配，可以使InGaN长得很薄，两边材料长得很厚，材料不会产生松弛、开裂，但发光强度不够，因此采用MQW结构，
长很多层。材料间晶格不匹配时，要考虑用MQW结构。
3、利用MQW结构，可以使发出光子的能量有效增加。n=3
当形成QW结构时，能量会被量子化，能够有效提高载流子结合放出的能量。特别地，需要调节bandgap 
n=1时，经常使用AI，以实现所需色彩，但加AI后材料会趋近或变成间接带隙，发光性能下降。
可以做成MQW结构，利用调变MQW的宽窄，可以调节禁带大小。