台灣師範大學機電科技學系 -1-
LED LED 製程與應用技術 製程與應用 技術
LED fabrication process and application technology
楊 啟 榮 博士
教 授
國立台灣師範大學 機電科技學系
Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University
Tel: 02-23583221 ext. 14 E-mail:ycr@ntnu.edu.tw
Prof. CR Yang, NTNU MT
綱 綱 要 要
z LED原理與應用
z 基礎LED製程模組技術
z LED技術未來展望
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LED原理與應用 LED 原理與應用
Prof. CR Yang, NTNU MT
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愛迪生1847-1931
半導體發光元件1962
1880年所發明的電燈
LED (發光二極體)
LD (雷射二極體)
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What is
What is GaN GaN LED? LED?
z GaN LED means “gallium nitride light emitting diode.
- GaN LED is a kind of blue LED.
Ref: N. Shibata, Phys. stat. sol., Vol.2 , pp.254-260, 2002 z
Cross-section of conventional GaN LED.
P-type Active region N-type light
z
Theorem of LED.
(Mg doped )
(Si doped) (Multi quantum well)
(AlN+undoped GaN) (ITO glass)
(In1-xGax N)
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Light Emitting Diode (LED) Light Emitting Diode (LED)
p-electrode
n-electrode transparent contact layer
n-GaN p-GaN
MQWs
Sapphire substrate
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What is
What is “ “ active region “ active region “? ?
cladding layer (high bandgap material ) active region
light light
量子井發光層材料與結構:1. 決定發光波長;2. 提升發光效率
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半導體發光元件材料 半導體發光元件材料
Nitride-based is the most suitable material
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半導體發光元件材料 半導體發光元件材料
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光的三原色:
光的三原色: RGB RGB
目前白光LED 的製作技術主要有以下五種:
1. 以UV LED激發螢光物質,產生紅、藍、綠三種色光後再混合成白光。
2. 利用綠色與紅色螢光物質塗抹在藍光LED 上,以發出白光。
3. 運用黃色的螢光粉以及藍光LED,使黃光與藍光混合後發出白光。
4. 混合紅、藍、綠三顆三原色LED 的發光,以得到白光。
5.使用ZnSe 材料的白光LED,且不需螢光體。(發光效率較差)
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GaN GaN 與 與 ZnSe ZnSe 白光 白光 LED 結構比較 LED 結構比較
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Advantages and defects of
Advantages and defects of LEDs LEDs
Defects:
Defects:
z z The cost of high brightness is The cost of high brightness is higher.
higher.
z
z The efficiency of The efficiency of LEDs LEDs is not is not very well.
very well.
z
z Heat problem is serious. Heat problem is serious.
Advantages:
Advantages:
z z Color rendering and Color rendering and chromaticity is well.
chromaticity is well.
z
z It’ It ’s kind of luminescence s kind of luminescence
z
z Long life time. Long life time.
z z Don’ Don ’t need mercury. t need mercury.
z z Response is fast. Response is fast.
z
z Smart lighting. Smart lighting.
(冷光) (顯色性)
(色度)
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發光效率、強韌設計、彈性、環保為其主要優勢
發光效率、強韌設計、彈性、環保為其主要優勢
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LED應用市場分類 LED 應用市場分類
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Applications of LED Applications of LED
z All kinds of LEDs.
Ref: N. Shibata, Phys. stat. sol., Vol.2 , pp.254-260, 2002
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LED照明燈 TOYOTA 汽車前燈
LED走廊裝飾燈(波士頓)
LED 公園路燈
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z 藍光CD/ DVD讀寫頭
●UV Curing 紫外光治療
z 醫療器材(手術燈)
●鏡片黏著 (epoxy)
z 郵票與貨幣檢驗
●刑式犯罪鑑識( 微物鑑識)
半導體紫外光元件應用
半導體紫外光元件應用
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我國 我國 LED LED 產業結構 產業結構
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我國白光LED 我國白光 LED 照明產業結構 照明產業結構
光連 Optolink, 八十九年九月, 第29 期
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LED efficiency LED efficiency
e / I
) hv /(
= P second per LED into injected electrons
of number
second per region active from emitted photons
of number
=
η
int int) hv /(
P ) hv /(
= P second per region active from emitted photons of
number
second per space free into emitted photons of
number
= η
int extraction
extraction int
ext
= η × η
e / I
) hv /(
= P second per LED into injected electrons of
number
second per space free into emitted photons of
number
= η
z Internal quantum efficiency (IQE):
z Extraction efficiency:
z External quantum efficiency (EQE):
IV
= P LED to provided power
electrical
space free into emitted power total
= η
powerz Power efficiency:
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Loss due to critical angle Loss due to critical angle ( I ) ( I )
θ
1θ
22 air 1
GaN
• Sin θ = n • sin θ n
23.6 n =
sin 1
= θ
90
= θ critical, is θ When
GaN 1 - c
2 1
o o
total internal reflection
n-GaN p-GaN
active layer
substrate
light台灣師範大學機電科技學系 -27-
) cos 1 2 ( 1 P
P
r 4
) cos 1 ( r P 2
P
) cos 1 ( r 2 rd sin r 2 dA A
c source
ecape
2 c 2
source ecape
c 2
0 c
θ
−
=
π θ
−
= π
θ
− π
= θ
⋅ θ π
=
= ∫ ∫
θ 2c 2
c source
ecape
4 ) 1 1 2 ( - 2 1 1 P
P ⎥ = θ
⎦
⎢ ⎤
⎣
⎡ − θ
≅
z GaN LEDs emits ratio of photon:
r·sinθ
2πr sinθ · rdθ dθ
r dθ
θ r θ
Area=2πr2( 1-cosθ ) r
Loss due to critical angle ( II ) Loss due to critical angle ( II )
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Truncated T runcated- -inverted inverted -pyramid - pyramid (TIP) LEDs (TIP) LEDs
Ref: M. R. Krames et al., Applied Physics Letters, 75 (2006) 2365-2367.
z
EQE can increase 1.4 times with
TIP structure.
台灣師範大學機電科技學系 -29-
Ref: I. Schnitzer et al., Applied physics letters, 63(16) (1993) 2174-2176.
GaAs GaAs LEDs LEDs with textured surface with textured surface
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Typical Process Steps of the Conventional Typical Process Steps of the Conventional
LEDs on Sapphire LEDs on Sapphire
Sapphire u-GaN n-GaN MQW
p-GaN
p-GaNn-GaN u-GaN
sapphire
Mesa Semitransparent metal 或ITO導電玻璃
p-type contact Ni/Au n-type contact Ti/Al
sapphire u-GaN n-GaN
MQW p-GaN
MQW
(1) 磊晶結構 (2) 定義大小區塊
(4)P電極製作 (5)N電極製作
(3)透明接觸層製作
(6)熱處理
(7)點燈測試
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LASER LIFT
LASER LIFT- -OFF (LLO) GaN LED OFF (LLO) GaN LED
C. F. Chu et. al. JJAP, Vol.42, L147, 2003 and JAP, 95, pp. 3916, 2004
一般p-side up GaN LED結構 P-side down GaN LED結構
*基板不導電
*電極製作複雜
*需p型透明電極
*電流分佈不均勻
*基板導熱效果差
*無法耐高電流操作
*大面積發光製作困難
*基板導電佳
*電極製作簡單
*無需透明電極
*電流分佈均勻
*基板導熱效果佳
*耐高電流操作,輸出功率與波長穩定
*可實現大面積及高功率發光
缺點: 優點:
P-透明電極 P-electrode
N-electrode Sapphire
substrate sapphire
u-GaN n-GaN MQW p-GaN
Cu substrate N-electrode
P-electrode
Cu Bonding metals
p-GaN n-GaN MQW
300μm 300μm
300μm 300μm
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Fabrication of
Fabrication of InGaN InGaN LED membranes by laser lift- LED membranes by laser lift -off off
Ref: W. S. Wong et al., Applied physics letters, Vol.75 , pp.1360-1362, 1999 adhesive
Si
GaN
heat
Al
2O
3Si
GaN
adhesiveSi
GaN
z Process of LLO (laser lift-off ).
台灣師範大學機電科技學系 -33-
LASER LIFT
LASER LIFT- -OFF (LLO) GaN LED OFF (LLO) GaN LED
The process scheme for fabrication of the LLO undoped GaN.
C. F. Chu et. al. JJAP, Vol.42, L147, 2003 and JAP, 95, pp. 3916, 2004
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Process steps of GaN chip:
(a) AlN deposition, (b) n-GaN deposition, (c) MQW deposition, (d) p-GaN deposition, (e) electroforming Cu,
(f) bombarding the buffer layer through sapphire by KrF laser,
(g) sapphire departed from the whole chip,
(h) up-side down and n-face up, (i) surface roughing,
(j) epoxy packaged (k) chip packaged.
次世代電鑄銅基板
次世代電鑄銅基板LED LED製程 製程
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基礎 基礎 LED製程模組技術 LED 製程模組技術
MQW transparency
electrode
n-face(0001)
substrate
buffer layer n-GaN
p-GaN
Ga-face(0001)
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基礎 基礎 IC製程技術 IC 製程技術 (LED (LED製程基礎 製程基礎) )
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LED製程流程 LED 製程流程
台灣師範大學機電科技學系 -39-
Ref. http://www.tdii.com/ganbulk.htm
藍寶石基板之長晶法 藍寶石基板之長晶法
Crystal Growth for Sapphire Substrate Crystal Growth for Sapphire Substrate
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薄膜沉積 薄膜沉積
Chemical Vapor Deposition (CVD) Chemical Vapor Deposition (CVD)
z
PECVD
z
LPCVD
z
APCVD
z
MOCVD
(光電薄膜沉積)台灣師範大學機電科技學系 -41-
有機金屬氣相磊晶
有機金屬氣相磊晶 (Metal- (Metal -Organic CVD) Organic CVD)系統 系統
GaN磊晶成長系統與技術 GaN 磊晶成長系統與技術 ( I ) ( I )
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Sputtering Sputtering
Physical Vapor Deposition (PVD) Physical Vapor Deposition (PVD)
Joule heat or Electron beam
Joule heat or Electron beam
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分子束磊晶 ( Molecular Beam Epitaxy, MBE) 系統
GaN磊晶成長系統與技術 GaN 磊晶成長系統與技術 ( II ) ( II )
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分子束磊晶 ( Molecular Beam Epitaxy, MBE) 系統
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基板
光罩 光阻 紫外光曝光
薄膜
基板 基板
薄膜
正光阻 顯影 負光阻
薄膜
基板 薄膜
蝕刻
薄膜 基板
基板 薄膜
光阻去除
薄膜 基板
正、負光阻微影製程示意圖
黃光微影製程 黃光微影製程
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光阻的微影程序 光阻的微影程序
Dehydration Bake
resist resist
Vacuum Spin Coating
Soft Bake
Exposure UV Post Exposure Bake
Vacuum Spin Drying
Hard Bake 10-15min @ 250℃
(optional)
? min @ ?℃
? dosage/?thickness Development
(agitation)
? min @ ? ℃
(Rinse)
(Priming)
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濕式蝕刻法 乾式蝕刻法
溼式與乾式蝕刻 溼式與乾式蝕刻
電 漿
蝕刻 遮罩層 結構層
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反應性離子蝕刻(RIE)系統,
NTNU MOEMS Lab.
濕式蝕刻槽 加熱與磁石攪拌器
蝕刻槽
溫控器
冷凝管
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High
High- -aspect aspect- -ratio, Anisotropic Silicon Etching ratio, Anisotropic Silicon Etching Techniques Techniques by by Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching (ICP Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching (ICP- -RIE) RIE)
感應耦合電漿之高深寬比非等向性
感應耦合電漿之高深寬比非等向性乾式 乾式矽蝕刻技術 矽蝕刻技術
Mask材料選擇的原則:高選擇比, 蝕刻深度, 非等向性…
Etching mask Substrate
Plasma
etch stop
感應耦合電漿蝕刻(ICP-RIE)系統, ITRC
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Deep Reactive Ion Etching (DRIE) Deep Reactive Ion Etching (DRIE)
Rimple
Rimple現象現象鏡面品質 鏡面品質
垂直結構側壁放大圖 交替蝕刻與高分子鈍化過程(C4F8/SF6):
1. 矽壁沈積鈍化高分子
C4F8被電漿分解成活性機,並進 行高分子沈積反應,使壁上形成 鈍化膜
2. 矽底部的高分子與矽被蝕刻 SF6被電漿分解成F-,先蝕刻鈍化 膜再蝕刻Si
3. 交替反覆,平衡鈍化沈積與蝕刻步驟 選擇適當的反應氣體,以維持蝕 刻與鈍化的平衡沈積膜必須具有 良好的一致性,並足以保護側壁
台灣師範大學機電科技學系 -53-
擴散法 擴散法(diffusion) (diffusion) 離子植入(Ion implantation)
離子佈植是將所需的摻雜元素(如砷)電離 成正離子,並施加高偏壓,使其獲得一定 的動能,以高速射入矽晶圓的技術。
擴散時摻雜物質經由氣體帶入爐管中,藉 由一定時間的高溫擴散,擴散為所需的濃 度分佈曲線。
離子摻雜 離子摻雜 (doping) (doping)
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NMOS PMOS
IC離子摻雜 IC 離子摻雜(doping) (doping)的目的 的目的
台灣師範大學機電科技學系 -55-
基板薄化製程 基板薄化製程
( a ) 研磨法 (lapping) ( b ) 切削法 (grinding)
為了方便切割或減少元件的串聯電阻,通常將晶圓減薄到250μm
(一般半導體基板)或85μm (藍寶石基板)
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晶粒切割製程 晶粒切割製程
( a )
( a ) 輪刀式 輪刀式
( b )
( b ) 鑽石式 鑽石式
( c )
( c ) 雷射式 雷射式
台灣師範大學機電科技學系 -57-
Chip on the sapphire wafer
Chip on the sapphire wafer 大半圓片on the blue tape 大半圓片 on the blue tape
研磨、拋光、切割、崩裂 研磨、拋光、切割、崩裂
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Schematic of an electrochemical cell Schematic of an electrochemical cell
Power supply
Cathode Anode
e
-e
-Cu → Cu
2+→ Cu 2e
-2e
-2H
2O + 2e
-→ H
2+ 2OH
-↑
H2 ↑
H2
↑ H2
↑
H2 Cu deposition H2evolution Cu dissolution
結合精密電鑄技術之 結合精密電鑄技術之次 次
世代銅基板製程
世代銅基板製程
台灣師範大學機電科技學系 -59-
Principle of an Electroforming Technology Principle of an Electroforming Technology
PMMA微齒輪 鎳金屬微齒輪
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氣泡所造成的缺陷 後處理所造成的缺陷
一般常見之電鑄缺陷與解決之道 一般常見之電鑄缺陷與解決之道
內應力導致電鑄層嚴重變形 內應力已獲得控制之鑄層
台灣師範大學機電科技學系 -61-
電鑄金屬 電鑄起始層 光阻
避免鑄層沈積厚度差異過大之製程示意
避免鑄層沈積厚度差異過大之製程示意
(a) (a) 改良
改良 前;前;(b) 改良後 (b)
改良後( a ) ( b )
電源 供應器
陰陽極間電流密度分布 陰陽極間電流密度分布
陰極 陽極
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Surface Surface roughing roughing
表面粗化以增加光萃取效率 表面粗化以增加光萃取效率
● Solution: KOH, 40-50 wt%.
● Temperature: 90~92 ℃
● Etching time: 4 min for each piece
● Various surfactant added
台灣師範大學機電科技學系 -63-
Special surface roughing technology Special surface roughing technology
by our surface by our surface roughing technology roughing technology
zz
The cone by surface roughing can increase photon escaping at
The cone by surface roughing can increase photon escaping atside part, and it also should be better shape than hexagonal
side part, and it also should be better shape than hexagonalcone.
cone.
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LED技術未來展望 LED 技術未來展望
台灣師範大學機電科技學系 -65-
資料來源:日本綜合技術研究所/材料世界網整理
白光LED 白光 LED發光效率成長趨勢 發光效率成長趨勢
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白光LED 白光 LED的課題與解決之道 的課題與解決之道
‧Flip-chip構裝
可靠性‧降低晶片製造時的參差不一
‧強化晶片的選別
輝度的均一性‧晶片發光效率的提高
成本‧基板設計的改善(採用陶瓷基板或金屬基板)
‧晶片發光效率的提高
散熱性‧晶片的高功率化(功率超過2W的產品)
‧多晶片化(構裝達20個以上的產品)
‧晶片發光效率的提高
光通量解 決 之 道 課 題
材料世界網整理
台灣師範大學機電科技學系 -67-
Our Earth at Night Our Earth at Night
LED可讓落後地區有一盞明燈,使夜晚的地球更明亮
Keep on moving !
By Dr. Yang, National Taiwan Normal University
Prof. CR Yang, NTNU MT
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