显微镜在战略新兴产业LED中的应用

 LED（Light-Emitting Diode，缩写LED）是发光二极管的简称，2009年下半年开始，LED市场出现大飞跃，作为高成长性的新兴产业，预计到2015年，LED产业规模将突破5000亿元，其中普通照明行业1600亿元，大尺寸液晶电视背光行业1200亿元，汽车照明行业200亿元、普通照明行业1600亿元，景观、显示等行业1000亿元。

　　LED产业链条大致可以分为三个部分，分别是上游基片生长、外延片制造，中游的芯片封装和下游的应用产品。在整个产业链中，最核心的部分在基片生长和外延片制造环节，二者技术含量比较高，占全行业近70%的产值和利润。

　　LED产业发展趋势当前，受国际、国内市场的影响，在“国家半导体照明工程”的推动下，我国的LED产业初步形成了包括LED上游的衬底材料、LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。

　　众所周知半导体发光二极管具有高转换效率、寿命长等优点，被认为是下一代光源并将会取代目前使用的传统光源。然而就目前发光二极管的性能来看，要达到这一目的还有很多技术难点有待克服，需要在材料分析表征、器件分析技术等方面加大研究力度。在发光二极管器件的封装结构以及芯片的结构、组分和界面状况的分析技术中光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线能谱、二次离子质谱仪等设备成为器件的失效及结构分析，外延工艺的监控、改进和提高必不可少的分析工具。

　　下文将简单介绍蔡司的光学显微镜、扫描电子显微镜在LED生产中过程中的部分应用。

　　一、蔡司光学显微镜、扫描电子显微镜在LED上游衬底材料中（蓝宝石材料）的具体应用：

　　1、蓝宝石衬底材料介绍

　　由于蓝宝石的绝缘性好，介电损耗小，耐高温，耐腐蚀。导热性好，在机械强度足够高。且能加工成平整的表面。透光波段宽。因此广泛用于工业，国防，科研多个领域。同时也是一种用途广泛的发光二极管的上好的衬底材料。在生成的发光二极管是最有前途成为高亮度发光二极管族类中蓝宝石衬底基片所下一代日光灯光源的半导体发光器衬底材料。目前这些高亮度的发光二极管已经被广泛地应用在广告、交通灯、仪表灯；及手术灯等领域。随着高亮度发光二极管应用的日益广泛。

　　LED蓝宝石(Sapphire)是一种氧化铝的单晶，又称刚玉。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作。根据研究表明，目前能应用于LED的衬底材料只有四种。蓝宝石作为一种重要的技术晶体，目前已在LED行业形成了较为风尚和成熟的应用。

　2、应用

　　采用蔡司的偏光显微镜可以鉴定蓝宝石晶体的异常双折射现象。在特定情况下，借助锥光镜，可以观察晶体的干涉图,确定晶体的轴性，用于观察各个晶圆的方向是否统一，以此来判断基片的好坏。

　　二、蔡司显微镜，扫描电镜在LED外延片的生产、LED芯片的制备流程中的应用

　　1、LED外延片介绍

　　LED外延片生长的基本原理是：在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法（MOCVD）

　　2、LED芯片介绍

　　LED芯片也称为LED发光芯片，是led灯的核心组件，也就是指的P-N结。其主要功能是：把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

　　3、应用：

　　a)利用扫描电镜检测外延片生长后晶面的位错腐蚀形貌信息；

　　晶面的位错腐蚀形貌提供的意义：各个样品的位错腐蚀呈现不同的形状和晶体所属点群和晶体的结构所决定，化学腐蚀剂的作用就是破坏晶体内部分子和原子间相互作用键，键力较小的首先被破坏，从而形成某种特定形状的腐蚀斑，因此良好的成像，已经腐蚀斑细节的完美呈现，能完全体现出晶体生长的质量形态。

　　提高外延晶格质量和降低材料缺陷，是生产出高性能及高可靠性LED器件的前提，否则通过其他途径是难以弥补的。明确了LED外延材料晶体质量对器件可靠性的影响，通过对外延材料的质量控制，以期减少材料缺陷密度，提高外延层晶体质量和有效提高LED器件的可靠性。

　　b)封装前的芯片检验：用光学显微镜检查材料表面，确定是否有机械损伤及麻点、芯片尺寸及电极大小是否符合工艺要求，电极图案是否完整。

　　c)LED芯片氧化厚度：检测技术包括颜色比较、边缘记数、干涉、椭偏仪、刻纹针振幅仪和扫描电子显微镜；

　　d)芯片晶圆结深的测量：扫描电镜对LED芯片晶圆PN结结深的厚度检测

　　e)扫描电镜在LED芯片刻蚀过程中表面粗化工艺研究的应用：表面粗化技术解决因为半导体材料折射率（平均3.5）大于空气折射率而使入射角大于临界角的光线发生全反射无法出射所造成的损失。光在粗化表面的出射有很大的随机性，需要大量实验来研究粗糙度与粗化尺度对出光率的影响。光从高折射率的LED窗口层材料GaP入射到低折射率的空气中，会产生全反射现象，而损失大量的出射光。用表面粗化法可以抑制全反射提高光提取效率。扫描电镜能够直接观察表面粗化后样品表面的结构，对比粗化处理前后表面的粗糙度。扫描电镜景深大，图象富有立体感，可观察经过粗化处理的表面三维岛状结构。

　　三、蔡司光学显微镜及扫描电镜在LED成品器件失效分析中的应用。

　　采用扫描电镜和X射线能谱分析仪可以对由于热过载引起的大功率发光二极管分层和发黑失效进行分析。分析结果表明,由于发光二级管的输入电流增大,芯片结温升高产生热过载引起芯片与环氧树脂透镜之间出现热应力失配,加之环氧树脂材料容易受潮膨胀而产生应力,最终导致发光二极管在芯片表面与环氧树脂的界面产生分层。与芯片表面接触的环氧树脂材料在高温的作用下产生老化,降解后的环氧树脂内部结构发生明显改变,形成C的单质及其氧化物沉积在芯片表面,这是芯片表面发黑的主要原因