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1、LED倒装芯片的制备,目 录,研究背景研究内容结论致谢,研究背景,随着工业化程度的提高，世界能源消耗迅速增加，能源紧张问题日益突出。发光二极管(LED) 是一种新型固态照明光源，具有体积小、安全性高、稳定性好、高光效、绿色环保等优点，有可能取代传统的白炽灯、荧光灯而成为第四代照明光源。目前，国内大部分都在使用荧光灯等传统光源，若用LED取代后可以减少22%的照明用电。,目前市场上的白光LED大部分采用正装蓝光LED和黄光荧光粉组合，而正装蓝光GaN LED芯片存在以下问题： 1.蓝宝石的热导率比较低，影响器件的散热性能 2.光出射时存在 p 电极的阻挡，降低了光提取效率 3.驱动电流小,正装L
2、ED的结构与灯,针对上述正装LED芯片遇到的瓶颈问题，本文提出采用倒装LED芯片结构以改善其光电性能，主要内容如下：（1）介绍LED的各种参数、LED芯片的基本制备工艺流程以及相关设备的工作原理；（2）制备倒装LED芯片，与正装芯片作对比，并对其发展前景进行了展望。,研究内容,LED的基本理论,发光二极管是由-族化合物，如GaAs、Ga、GaAsP等半导体制成的PN结光电子器件。发光是因为电子跃迁复合产生光子，在LED的结构中，载流子会被限制在有源层内，这大大提高了少数载流子浓度，从而电子与空穴进行辐射复合的可能性更大，提高了LED的发光效率。,GaN基LED的基本结构,复合发光原理,LED的
3、光电参数,光学特征参数,电学特征参数,综合性能参数,实验过程,本研究的目标是15*30mil倒装蓝光LED芯片，其制备工艺流程主要有：,蒸镀机,合金炉,Samco的RIE-212ICP刻蚀机,PVA-Tepla-AG等离子去胶机,MA-100e自动曝光机,Oxford Plasmalab 80Plus PECVD,所用设备,(1)外延片的清洗,制备工艺流程,主要化学药品：ACE（丙酮）、IPA（异丙醇）、HCL、 H2SO4、H2O2等。,在55的ACE中浸泡5min、IPA中浸泡1min、在HCL(HCL：H2O为1：1）中浸泡5min、70的511（H2SO4、H2O2、H2O为5：1：1
4、）中浸泡3min,QDR清洗，即用去离子水喷淋后，当水阻大于15M之后，结束淋洗，最后甩干。,外延片,目的：清洗晶片表面的颗粒、有机物残留、无机物残留、需要去除的氧化层等。,(2)ITO的蒸镀、光刻与刻蚀,光刻版,先在ITO蒸镀机上蒸镀一层ITO，厚度在1200左右,MESA光刻，先进行涂正胶，接着前烘、曝光、显影,去胶：将晶片浸入NMP（二甲基吡咯烷酮）中，在超声波加热器中5min，温度为75；接着进行浸入IPA中两次，每次1min；接着进行QDR清洗,合金：在合金炉中进行合金，设定温度550，时间为90s,ITO的刻蚀：先在ITO刻蚀液中刻蚀，温度为60左右，然后再进行ICP刻蚀适当时间,
5、(3)ICP深刻沟槽,沉积SiO2 :厚度大约为10000,光刻：先涂增粘剂，然后涂正胶、前烘，曝光，显影、坚膜、等离子去胶；,ICP刻蚀：时间约15min,去胶、QDR清洗,SiO2腐蚀：所用溶液为BOE，其成分为HF、NH4F，刻蚀约2min,光刻版,（4）蒸镀N区引导层,清洗:在55的ACE中浸泡5min、IPA中浸泡1min，QDR清洗,光刻：先涂增粘剂，然后涂负胶、前烘，曝光，显影、坚膜、等离子去胶；,蒸镀N区引导层：蒸镀Cr/Al/Cr，厚度分别为20、1500、2000，设定蒸镀速度为1/s、20/s、1/s,撕金、去胶、QDR清洗,SiO2腐蚀：所用溶液为BOE，其成分为HF、
6、NH4F，刻蚀约1min,沉积SiO2 :厚度大约为3000,光刻版,（5）蒸镀反射电极,清洗:在55的ACE中浸泡5min、IPA中浸泡1min，QDR清洗,光刻：先涂增粘剂，然后涂负胶、前烘，曝光，显影、坚膜、等离子去胶；,蒸镀反射电极：蒸镀Ni/Ag/Cr，厚度分别为5、2000、1000，蒸镀速度为1/s、5/s、1/s,撕金、去胶、QDR清洗,SiO2腐蚀：所用溶液为BOE，其成分为HF、NH4F，刻蚀约2min,光刻版,（6）光刻PAD电极,清洗:在55的ACE中浸泡5min、IPA中浸泡1min，QDR清洗,光刻：先涂增粘剂，然后涂负胶、前烘，曝光，显影、坚膜、等离子去胶；,去胶
7、、QDR清洗,SiO2腐蚀：结合湿法刻蚀与干法刻蚀，即BOE与ICP刻蚀,沉积SiO2 :厚度大约为15000,光刻版,（7）蒸镀PAD电极,蒸镀PAD电极：蒸镀Al/Ni/Au，厚度分别为8000、1000、1500,撕金、去胶、QDR清洗,光刻：先涂增粘剂，然后涂负胶、前烘，曝光，显影、坚膜、等离子去胶,光刻版,后续工艺的处理,倒装芯片,使用研磨机将蓝宝石衬底磨掉 130m,抛光处理,用激光划片机进行划片,用裂片机将晶片分裂为独立的 LED 芯片,正装LED（8*15mil）的制备,正装蓝光芯片,正装LED（8*15mil）的制备,正装蓝光芯片,倒装工艺需要六次光刻，而正装工艺只需三次光刻
8、在封装时，倒装只需将芯片与基板进行贴装，就不需要焊线工序，比正装更简单，但其精度要求较高 总的来说，倒装芯片的工艺尽管省去了焊线过程，但工艺较之正装还是比较复杂的，仍需要研究者们对工艺进行研究，从而简化工艺流程。,与正装LED制备对比,对制备的芯片进行测试，其结果如表所示： 从数据对比中，可以看出：在主波长与正向电压方面，二者的差别不大倒装芯片的驱动电流较之正装有显著的提升，解决了正装LED的驱动电流小的问题，而大电流驱动下，光效则更高，在大功率照明应用中具有显著的优势及广阔的前景。,在结构上，倒装具有以下优点：倒装结构无需通过蓝宝石散热，从与基板的结合处散热，由于基板的热传导比蓝宝石更好，使
9、得散热性能好；倒装结构芯片由于电极结构的设计，表现出良好的电流扩展性能和欧姆接触性能，在大电流驱动下，光效更高，可以作为大功率照明光源；采用免金线封装，避免了因金线损伤而产生的问题，提高了其安全性与可靠性；对于倒装结构，光的输出要经过蓝宝石、荧光粉和硅胶，它们的折射率依次为1.8、1.7、1.45。故其全反射临界角大约为60，而正装结构的临界角在40左右。因此倒装结构全反射临界角更大，降低了因光线全反射造成的损失，提高了光提取效率；倒装芯片的尺寸可以做得更小，光电参数更容易匹配，且成本低，封装性好。,正装与倒装LED的结构如图a、b,倒装芯片以其优异的性能，可靠性高，散热好，光效高，驱动电流大
10、，并且性价比很高，在LED市场竞争中具有很大的优势。因为其驱动电流大，免金线封装，使“倒装芯片+芯片级封装”成为LED行业研究的热门和发展趋势。 虽然LED正装芯片依然占据着照明市场的大多份额，但倒装芯片的散热好，光效高，驱动电流大，并且性价比很高，使其在一些高端照明、背光源等要求较高的场合发挥着越来越重要的作用，在超大功率照明、户外照明、汽车照明、大尺寸背光、投影仪、闪光灯等领域有着广阔的应用前景。,发展与应用,1.倒装芯片的制备工艺流程主要有六次光刻： ITO光刻、ICP深刻沟槽、N区引导层光刻、反射电极光刻、光刻PAD、蒸镀PAD电极光刻。其中，ICP深刻沟槽与光刻PAD有一定的难度，前
11、者的沟槽只有十几微米，且要刻蚀到N-GaN层，对光刻的精度要求较高；后者为了防止芯片漏电，沉积了很厚的SiO2，刻蚀SiO2时，可能会出现光刻胶被完全刻蚀而SiO2却没被刻蚀的情况。在实验中，通过严格控制ICP刻蚀的参数及干法与湿法相结合刻蚀SiO2来解决上述两个问题。 2.倒装工艺与正装相比，光刻过程更复杂些；封装时，较简单，只需将芯片与基板进行贴装，不需要焊线工序，但其对精度的要求较高。总的来说，倒装芯片制备工艺还有很大的提升空间； 3.与正装结构相比，倒装结构具有更多的优势： 散热性能好；在大电流驱动下，光效更高，可以作为大功率照明光源；采用免金线封装，提高了其安全性与可靠性；全反射临界角更大，提高了光提取效率；尺寸可以做得更小，光电参数更容易匹配，且成本低，封装性好。,结 论,致 谢,感谢梁建老师的细心指导！ 感谢飞虹光电科技公司徐小红工程师、贾志刚老师、卢太平老师和董海亮学长的指导与帮助！ 感谢我的同学和朋友对我的关心和帮助！,Thanks！,
