В последнее время, в связи с бурным развитием науки и техники, применение светодиодных технологий в области освещения и отображения информации становится всё более обширным. Процесс производства и эксплуатационные характеристики светодиодных кристаллов, являющихся ключевым компонентом светодиодной технологии, привлекают большое внимание.
Основная цель производства светодиодных чипов — создание эффективного и надежного низкоомного контактного электрода, обеспечение малого падения напряжения между контактируемыми материалами и обеспечение подходящей контактной площадки для проводов при максимальном увеличении светоотдачи. Процесс нанесения покрытия в основном осуществляется методом вакуумного испарения. В условиях высокого вакуума (4 Па) материал плавится методом резистивного нагрева или электронно-лучевой бомбардировки. Затем под низким давлением материал переходит в парообразное состояние и осаждается на поверхность полупроводникового материала. Для контактов p-типа обычно используются сплавы АуБе, AuZn и другие, а для контактов n-типа — сплавы AuGeNi. Слой сплава, сформированный в результате нанесения покрытия, необходимо подвергнуть фотолитографии для максимального раскрытия светоизлучающей поверхности, чтобы оставшийся слой сплава соответствовал требованиям, предъявляемым к низкоомным контактным электродам и контактным площадкам для проводов. После завершения процесса фотолитографии необходимо провести процесс легирования, который обычно проводится в атмосфере H2 или N2. Время и температура легирования определяются такими факторами, как характеристики полупроводникового материала и форма легирующей печи. При использовании процесса получения чип-электрода, например, сине-зелёного, необходимо добавить более сложные процессы, такие как выращивание пассивирующей плёнки и плазменное травление.
В процессе производства светодиодного кристалла множество звеньев оказывают существенное влияние на его оптоэлектронные характеристики. Как правило, после завершения эпитаксиального производства светодиода основные электрические свойства в основном устанавливаются. Хотя производство кристалла не меняет его структуру, ненадлежащие условия в процессе нанесения покрытия и легирования могут привести к ухудшению некоторых электрических параметров. Например, слишком высокая или слишком низкая температура легирования приводит к плохому омическому контакту, что является основной причиной высокого прямого падения напряжения ВФ при производстве кристалла. После резки край кристалла подвергается коррозии для улучшения обратного тока утечки. Это связано с тем, что после резки алмазным шлифовальным кругом на краю кристалла остается большое количество стружки. Если эта стружка прилипает к ПН-переходу светодиодного кристалла, это может легко привести к утечке или даже пробою. Кроме того, если фоторезист с поверхности кристалла не будет удален должным образом, это приведет к таким проблемам, как трудности при сварке проводов на лицевой стороне и холодной сварке, а также к высокому падению напряжения на обратной стороне. В процессе производства микросхем интенсивность света можно эффективно повысить, сделав поверхность шероховатой и разделив ее на перевернутую трапециевидную структуру.
Светодиодные чипы делятся на чипы малой, средней и высокой мощности в зависимости от мощности и могут быть разделены на категории однотрубчатых, цифровых, матричных и декоративного освещения в соответствии с потребностями заказчика. Конкретный размер чипа зависит от фактического уровня производства различных производителей чипов, и не существует единого стандарта. Пока процесс соответствует стандарту, меньшие чипы могут увеличить единичную производительность и снизить затраты, а оптоэлектронные характеристики принципиально не изменятся. Рабочий ток чипа связан с плотностью тока, протекающего через чип. Чем меньше чип, тем меньше рабочий ток, и чем чип больше, тем больше рабочий ток, а удельная плотность тока в основном одинакова. Учитывая, что рассеивание тепла является ключевой проблемой при высоком токе, световая эффективность высокомощных чипов ниже, чем у слаботочных. С другой стороны, из-за увеличения площади чипа и уменьшения сопротивления корпуса, прямое напряжение проводимости уменьшится.
Площадь кристаллов мощных светодиодов, используемых на рынке для белого света, обычно составляет около 40 мил. Под так называемым «мощным кристаллом» обычно подразумевают кристалл с электрической мощностью более 1 Вт. Поскольку квантовая эффективность обычно менее 20%, большая часть электроэнергии преобразуется в тепло, поэтому рассеивание тепла для кристаллов высокой мощности крайне важно, что требует от кристалла большей площади.
Процесс изготовления чипов и технологическое оборудование для производства эпитаксиальных материалов GaN существенно отличаются от Зазор, GaAs и InGaAlP. Подложки обычных светодиодных красных и желтых чипов и четырехэлементных красных и желтых чипов высокой яркости используют полупроводниковые материалы, такие как Зазор и GaAs. Обычно их можно изготовить в виде подложек N-типа, которые затем обрабатываются методом влажной фотолитографии и затем разрезаются на чипы алмазными дисками. Сине-зеленый чип из материала GaN использует сапфировую подложку. Из-за своей изоляции он не может использоваться в качестве одного полюса светодиода. Необходимо одновременно изготовить два электрода P/N на эпитаксиальной поверхности с помощью процесса сухого травления, а также требуются некоторые процессы пассивации. Из-за твердости сапфира его трудно разрезать на чипы алмазными дисками, и этот процесс сложнее, чем для светодиодов из материалов Зазор и GaAs.
Прозрачные электроды имеют уникальную структуру и характеристики. Так называемый прозрачный электрод должен обладать двумя свойствами: проводимостью и светопропусканием. В настоящее время оксид индия-олова (ИТО) широко используется в процессе производства жидких кристаллов, но его нельзя использовать в качестве паяльной площадки. При его изготовлении необходимо сначала изготовить омический электрод на поверхности чипа, затем покрыть его слоем ИТО, а затем нанести паяльную площадку на поверхность ИТО. Таким образом, ток, идущий от вывода, может равномерно распределяться по каждому омическому контактному электроду через слой ИТО. При этом показатель преломления ИТО находится между показателями преломления воздуха и эпитаксиального материала, что позволяет увеличить угол выхода света и увеличить световой поток.
С развитием технологии полупроводниковых светодиодов их применение в освещении, особенно в светодиодах белого света, стало популярным, но ключевые технологии производства и упаковки кристаллов всё ещё нуждаются в совершенствовании. Что касается кристаллов, будущее за высокой мощностью, высокой светоотдачей и сниженным тепловым сопротивлением. Увеличение мощности означает увеличение тока, потребляемого кристаллом. Самый прямой путь — увеличение размера кристалла. Размер распространённого в настоящее время кристалла высокой мощности составляет около 1 мм × 1 мм, а потребляемый ток — около 350 мА. Из-за увеличения потребляемого тока проблема рассеивания тепла стала более острой. Метод переворота кристалла в настоящее время практически решил эту проблему.
Синие светодиоды часто используют подложки из Al2O3, которые обладают высокой твердостью и низкой тепло- и электропроводностью. При использовании положительной структуры не только возникнут проблемы со статикой, но и рассеивание тепла станет серьезной проблемой при высоких токах. В то же время, поскольку передний электрод обращен вверх, он будет блокировать часть света и снижать световую эффективность. Мощные синие светодиоды могут получить более эффективную светоотдачу благодаря технологии переворота кристалла (чип подбросить-чип) по сравнению с традиционной технологией упаковки. Основной процесс изготовления структуры переворота кристалла (подбросить-чип) заключается в следующем: сначала подготавливается крупногабаритный синий светодиодный кристалл с электродами, подходящими для эвтектической сварки, и одновременно подготавливается кремниевая подложка немного большего размера, чем синий светодиодный кристалл, и наносится на нее золотой проводящий слой и слой выводных проводов (ультразвуковое соединение шариков золотой проволоки) для эвтектической сварки. Затем, используя оборудование для эвтектической сварки, высокомощный синий светодиодный кристалл приваривается к кремниевой подложке. В этой структуре эпитаксиальный слой непосредственно контактирует с кремниевой подложкой, а тепловое сопротивление кремниевой подложки значительно ниже, чем у сапфировой, что эффективно решает проблему рассеивания тепла. После переворачивания сапфировая подложка оказывается обращенной вверх, становясь светоизлучающей поверхностью. Благодаря своей прозрачности, она также решает проблему светоизлучения.
Эксперты отрасли заявили, что благодаря постоянному прогрессу науки и техники технология светодиодных чипов будет и дальше совершенствоваться, и ожидается, что будущие светодиодные лампы добьются еще больших успехов в плане высокой эффективности и долговечности, что принесет больше удобства в жизнь людей.