Производство светодиодов (LED), материалы, технологии

История появления светодиодов, технология производства

Светодиоды были разработаны после окончания Второй мировой войны. Возник большой интерес к материалам для детекторов света и микроволнового излучения. В ходе этих исследований были разработаны различные полупроводниковые материалы, детально исследованы их свойства взаимодействия со светом. 

Полезные статьи:

Полупроводниковые приборы, виды принцип работы

Основные характеристики диодов, виды, параметры

Все статьи

В 1950-х годах стало ясно, что те же самые материалы, которые использовались для обнаружения света, можно использовать и для генерации света. Исследователи из AT&T Bell Laboratories первыми использовали светогенерирующие свойства этих новых материалов в 1960-х годах. Светодиод был предшественником и случайным побочным продуктом усилий по разработке лазера. Крошечные цветные лампочки представляли некоторый интерес для промышленности, потому что у них были преимущества перед лампочками аналогичного размера.

Первые светодиоды не были такими надежными и полезными, как те, что продаются сегодня. Часто они могли работать только при температуре жидкого азота (-104 градуса по Фаренгейту или -77 градусов по Цельсию) или ниже и сгорали всего за несколько часов. Они были очень неэффективны - потребляли энергию и излучали очень мало света. 

Все эти проблемы можно объяснить отсутствием надежных технологий производства соответствующих материалов в 1950-х и 1960-х годах. Когда материалы были улучшены, последовали и другие достижения в технологии: методы электронного соединения устройств, увеличение диодов, повышение их яркости и создание большего количества цветов.

Преимущества светодиода перед лампочкой для практического применения, требующих небольшого источника света, воодушевили таких производителей, как Texas Instruments и Hewlett Packard для коммерческого производства светодиодов. 

Внезапное широкое признание на рынке в 1970-х годах стало результатом снижения производственных затрат, а также грамотного маркетинга, благодаря которому продукты со светодиодными дисплеями (например, часы) казались «высокотехнологичными».  Предприятия смогли производить множество светодиодов подряд для создания различных дисплеев, в часах, научных приборах и компьютерных считывателях карт. Технология все еще развивается сегодня, поскольку производители ищут способы сделать устройства более эффективными, менее дорогими и в большем количестве цветов.

Сырье для светодиодов

Диоды, как правило, сделаны из очень тонких слоев полупроводникового материала. Один слой будет иметь избыток электронов, а следующий будет иметь дефицит электронов. Эта разница заставляет электроны перемещаться из одного слоя в другой, тем самым генерируя свет. Теперь производители могут делать эти слои толщиной до 0,5 микрона/

Для изготовления полупроводниковых пластин галлий, мышьяк и/или люминофор сначала смешивают вместе в камере и переводят в раствор. Чтобы они не попали в сжатый газ в камере, их часто покрывают слоем жидкого оксида бора. Затем в раствор погружают стержень и медленно вытягивают. Раствор охлаждается и кристаллизуется на конце стержня, когда его поднимают из камеры, образуя длинный цилиндрический кристаллический слиток. Затем слиток разрезают на пластины.

Полупроводник — это кристаллический материал, который проводит электричество только при наличии в нем высокой плотности примесей. Примеси внутри полупроводника используются для создания необходимой электронной плотности. 

Срез или пластина полупроводника представляет собой единый однородный кристалл, а примеси вводятся позже в процессе производства. Думайте о вафле как о пироге, который смешивают и выпекают в установленном порядке, а о примесях — как о орехах, взвешенных в пироге. Конкретными полупроводниками, используемыми для производства светодиодов, являются арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) или фосфид арсенида галлия (GaAsP). Различные полупроводниковые материалы (называемые подложками) и различные примеси приводят к разным цветам света от светодиода.

Примеси - это как "орехи в пироге", которые вводятся позже в производственном процессе, чтобы светодиод работал правильно. Этот процесс называется допингом. Обычно добавляются примеси цинка или азота, но также используются кремний, германий и теллур. Как упоминалось ранее, они заставят полупроводник проводить электричество и заставят светодиод функционировать как электронное устройство. Именно за счет примесей может быть создан слой с избытком или недостатком электронов.

Для комплектации устройства необходимо провести к нему и от него электричество. Таким образом, провода должны быть прикреплены к подложке, хорошо прилипать к полупроводнику. Быть достаточно прочными, чтобы выдерживать последующие такие обработки, как пайка и нагрев. Для этой цели чаще всего используются соединения золота и серебра, поскольку они образуют химическую связь с галлием на поверхности пластины.

Светодиоды заключены в прозрачный пластик, как пресс-папье из люцита, в котором подвешены предметы. Пластик может быть любого сорта, и его точные оптические свойства будут определять, как будет выглядеть выходной сигнал светодиода. Некоторые пластики являются диффузионными, что означает, что свет будет рассеиваться во многих направлениях. 

Некоторые из них прозрачны, и их можно превратить в линзы, которые будут направлять свет прямо от светодиода узким лучом. Пластмассы могут быть окрашены, что изменит цвет светодиода, позволяя проходить большему или меньшему количеству света определенного цвета.

При его разработке необходимо учитывать несколько особенностей светодиода, поскольку он представляет собой как электронное, так и оптическое устройство. Желаемые оптические свойства, такие как цвет, яркость и эффективность, должны быть оптимизированы без чрезмерной электрической или физической конструкции. На эти свойства влияют размер диода, конкретные полупроводниковые материалы, используемые для его изготовления, толщина слоев диода, а также тип и количество примесей, используемых для «легирования» полупроводника.

Производство светодиодов

Изготовление полупроводниковых пластин

1.  Сначала изготавливается полупроводниковая пластина. Конкретный состав материала — GaAs, GaP или нечто среднее — определяется цветом изготавливаемого светодиода. Кристаллический полупроводник выращивают в камере с высокой температурой и высоким давлением. Галлий, мышьяк и/или фосфор очищаются и смешиваются вместе в камере. Тепло и давление разжижают и сжимают компоненты вместе, так что они превращаются в раствор. Чтобы они не попали в сжатый газ в камере, их часто покрывают слоем жидкого оксида бора, который изолирует их, так что они должны «слипаться». Это известно как инкапсуляция жидкости, или Метод выращивания кристаллов Чохральского. 

После того, как элементы смешаны в однородный раствор, в раствор погружают стержень и медленно вытягивают. Раствор охлаждается и кристаллизуется на конце стержня, когда его поднимают из камеры, образуя длинный цилиндрический кристаллический слиток (или булю) GaAs, GaP или GaAsP.

2. Затем материал нарезается на очень тонкие полупроводниковые пластины толщиной примерно 10 мм. или примерно толщиной с мешок для мусора. Пластины полируются до тех пор, пока их поверхности не станут очень гладкими, чтобы на их поверхность можно было легко наносить больше слоев полупроводника. Принцип аналогичен шлифовке стола перед его покраской. 

Каждая пластина должна представлять собой монокристалл материала однородного состава. К сожалению, иногда в кристаллах могут быть дефекты, из-за которых светодиод работает плохо. Дефекты также могут быть результатом процесса полировки; такие недостатки также ухудшают работу устройства. Чем больше дефектов, тем меньше пластина ведет себя как монокристалл. Без правильной кристаллической структуры материал не будет функционировать как полупроводник.

3. Затем пластины проходят тщательную химическую и ультразвуковую очистку с использованием различных растворителей. Этот процесс удаляет грязь, пыль или органические вещества, которые могли осесть на полированной поверхности пластины. Чем чище обработка, тем качественнее будет полученный светодиод.

Добавление эпитаксиальных слоев

4. Дополнительные слои полупроводникового кристалла выращены на поверхности пластины, как добавление дополнительных слоев к "пирогу". Это один из способов добавления примесей или примесей в кристалл. На этот раз кристаллические слои выращиваются с помощью процесса, называемого жидкофазной эпитаксией (ЖФЭ). 

В этом методе эпитаксиальные слои - это полупроводниковые слои, которые имеют ту же кристаллическую ориентацию, что и подложка внизу. Наносятся на пластину, когда она вытягивается под резервуарами с расплавленным GaAsP. В резервуарах есть соответствующие примеси, смешанные с ними. Пластина опирается на графитовую пластину, которая проталкивается через канал под емкостью с расплавленной жидкостью (или расплавом). Различные примеси могут быть добавлены в последовательные расплавы или несколько в один и тот же расплав, создавая слои материала с различной электронной плотностью. Осажденные слои станут продолжением кристаллической структуры пластины.

ЖФЭ создает исключительно однородный слой материала, что делает его предпочтительным методом выращивания и легирования. Образующиеся слои имеют толщину в несколько микрон.

5. После нанесения эпитаксиальных слоев может потребоваться добавление дополнительных легирующих примесей для изменения характеристик диода по цвету или эффективности. Если делается дополнительное легирование, пластина снова помещается в трубу высокотемпературной печи, где она погружается в газовую атмосферу, содержащую легирующие примеси. Азот или аммоний цинка являются наиболее распространенными. Азот часто добавляют в верхний слой диода, чтобы сделать свет более желтым или зеленым.

Добавление металлических контактов

6. Затем на пластине определяются 6 металлических контактов. Схема контакта определяется на этапе проектирования и зависит от того, будут ли использоваться диоды по отдельности или в комбинации. Контактные узоры воспроизведены на фоторезисте, светочувствительном соединении.

Жидкий резист наносится каплями, пока пластина вращается, распределяя его по поверхности. Резист затвердевает в результате кратковременного обжига при низкой температуре (около 215 градусов по Фаренгейту или 100 градусов по Цельсию). Затем мастер-шаблон или маска дублируется на фоторезисте, помещая его поверх пластины и экспонируя резист в ультрафиолетовом свете (так же, как делается фотография с негатива). Экспонированные участки резиста смываются проявителем, остаются неэкспонированные участки.

7. Теперь контактный металл напыляется на шаблон, заполняя открытые участки. Испарение происходит в другой высокотемпературной камере, на этот раз вакуумной. Кусок металла нагревают до температуры, при которой он испаряется. Далее конденсируется и прилипает к открытой полупроводниковой пластине, подобно тому как пар запотевает на холодном окне. Затем фоторезист можно смыть ацетоном, оставив только металлические контакты. 

В зависимости от окончательной схемы монтажа светодиода на обратную сторону пластины может быть напылен дополнительный слой металла. Любой наплавленный металл должен пройти процесс отжига, в котором пластину нагревают до нескольких сотен градусов и оставляют в печи (с протекающей через нее инертной атмосферой водорода или азота) на период до нескольких часов. За это время металл и полупроводник химически связываются друг с другом, поэтому контакты не отслаиваются.

8. Одна пластина, изготовленная таким образом, будет иметь один и тот же рисунок, повторяющийся на ней до 6000 раз. Это дает представление о размере готовых диодов. Диоды разрезаются либо скалыванием (отламыванием пластины вдоль плоскости кристалла), либо распиливанием алмазной пилой. 

Каждый небольшой сегмент, вырезанный из пластины, называется штампом. Сложный и подверженный ошибкам процесс, резка дает гораздо менее 6000 пригодных для использования светодиодов и является одной из самых больших проблем в ограничении производственных затрат на полупроводниковые устройства.

Монтаж и упаковка

9.  Индивидуальные штампы монтируются на соответствующую упаковку. Если диод будет использоваться сам по себе в качестве индикатора или, например, для украшений, он устанавливается на два металлических провода длиной около 5 сантиметров. Обычно в этом случае тыльная сторона пластины покрыта металлом и образует электрический контакт с выводом, на который она опирается. 

Крошечная золотая проволока припаяна к другому проводу и соединена проволокой с узорчатыми контактами на поверхности кристалла. При соединении проводов конец провода прижимается к контактному металлу очень тонкой иглой. Золото достаточно мягкое, чтобы деформироваться и прилипать к металлической поверхности.

10. Наконец, вся сборка запечатана пластиком. Проволоки и матрица подвешены внутри формы, которая имеет форму в соответствии с оптическими требованиями упаковки (с линзой или разъемом на конце), а форма заполняется жидким пластиком или эпоксидной смолой. Эпоксидка затвердела, и упаковка готова.

Контроль качества

Качество в производстве полупроводников принимает две формы. Первая проблема связана с конечным продуктом, а вторая — с производственными мощностями. Каждый светодиод проверяется при подключении проводом на рабочие характеристики. Определенные уровни тока должны давать определенную яркость. Точный цвет света проверяется для каждой партии пластин, и некоторые светодиоды будут подвергаться стресс-тестированию, включая испытания на срок службы, тепловые и энергетические пробои и механические повреждения.

Для стабильного производства продукции производственная линия должна работать надежно и безопасно. Многие из вышеперечисленных этапов обработки можно автоматизировать, но не все. Общая чистота объекта и поступающие чистые пластины тщательно контролируются. Строятся специальные помещения («чистые помещения»), которые поддерживают чистоту воздуха до одной части на 10 000 для определенных этапов обработки (в частности, номера 1-5 выше). Все эти проверки возникают из-за желания повысить выход или количество успешных светодиодов на пластину.

Будущее светодиодов

Оптоэлектроника расцветает с появлением все более и более совершенных методов обработки. Теперь можно производить вафли с чистотой и однородностью, невиданной 5 лет назад. Это повлияет на то, насколько яркими и эффективными будут светодиоды, и как долго они прослужат. По мере улучшения они подходят для все более требовательных приложений, таких как связь. Средний срок службы маленькой лампочки составляет 5-10 лет, но средний современный светодиод должен прослужить 100 лет до выхода из строя. Это делает их пригодными для приложений, где трудно или невозможно заменить детали, например, в подводной или космической электронике. Хотя светодиоды не подходят для оптоволокна большой дальности передачи, они часто используются для оптической передачи на короткие расстояния, такой как дистанционное управление, связь между чипами или возбуждение оптических усилителей.

Разрабатываются другие материалы, которые позволят производить светодиоды синего и белого света. Синий свет не только делает возможным большее разнообразие индикаторов и игрушек с большим количеством цветов, но и предпочтительнее для некоторых приложений, таких как оптические накопители и визуальные дисплеи. Синий и белый свет менее опасны для глаз. Дополнительные цвета, безусловно, открыли бы новые области применения.

Наконец, по мере развития технологии обработки и появления возможности включения большего количества устройств в один чип, светодиодные дисплеи станут более «интеллектуальными». Один микрочип будет содержать всю электронику для создания буквенно-цифрового дисплея и сделает приборы меньше и сложнее.