1.  藍(lán)寶石長晶方法
   （1）柴氏拉晶法(Czochralski method)，簡稱CZ法。先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時(shí)以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進(jìn)而形成一軸對(duì)稱的單晶晶錠。 
   （2）凱氏長晶法(Kyropoulos method),簡稱KY法，也叫泡生法。其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(SeedCrystal，又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個(gè)單晶晶碇。
 
 
藍(lán)寶石晶體的生長技術(shù)發(fā)展：


各種藍(lán)寶石長晶方法的比較：
 
 
2.  藍(lán)寶石襯底加工流程
 藍(lán)寶石基片的原材料是晶棒，晶棒由藍(lán)寶石晶體加工而成。其相關(guān)制造流程如下:
 
藍(lán)寶石晶體  晶棒
 
 
 
基片
 
       
藍(lán)寶石晶棒制造工藝流程：
    1）長晶： 利用長晶爐生長尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍(lán)寶石晶體
    2）定向： 確保藍(lán)寶石晶體在掏棒機(jī)臺(tái)上的正確位置,便于掏棒加工
    3）掏棒：以特定方式從藍(lán)寶石晶體中掏取出藍(lán)寶石晶棒
    4）滾磨：用外圓磨床進(jìn)行晶棒的外圓磨削，得到精確的外圓尺寸精度
    5）品檢：確保晶棒品質(zhì)以及以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規(guī)格藍(lán)寶石基片制造工藝流程：
    1）定向：在切片機(jī)上準(zhǔn)確定位藍(lán)寶石晶棒的位置，以便于精準(zhǔn)切片加工
    2）切片：將藍(lán)寶石晶棒切成薄薄的晶片
    3）研磨：去除切片時(shí)造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度
   4）倒角：將晶片邊緣修整成圓弧狀,改善薄片邊緣的機(jī)械強(qiáng)度,避免應(yīng)力集中造成缺陷
   5）拋光：改善晶片粗糙度，使其表面達(dá)到外延片磊晶級(jí)的精度
   6）清洗：清除晶片表面的污染物（如：微塵顆粒,金屬,有機(jī)玷污物等）
   7）品檢：以高精密檢測儀器檢驗(yàn)晶片品質(zhì)（平坦度、表面微塵顆粒等），以合乎客戶要 求
 
3.  藍(lán)寶石基板應(yīng)用種類
      廣大外延片廠家使用的藍(lán)寶石基片分為三種：
（1）C-Plane藍(lán)寶石基板
     這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍(lán)寶石基板面。這主要是因?yàn)樗{(lán)寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對(duì)較低、物化性能穩(wěn)定，在C面進(jìn)行磊晶的技術(shù)成熟穩(wěn)定。
（2）R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基板
     主要用來生長非極性/半極性面GaN外延薄膜，以提高發(fā)光效率。通常在藍(lán)寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長的，而c軸是GaN的極性軸，導(dǎo)致GaN基器件有源層量子阱中出現(xiàn)很強(qiáng)的內(nèi)建電場，發(fā)光效率會(huì)因此降低，發(fā)展非極性面GaN外延，克服這一物理現(xiàn)象，使發(fā)光效率提高。
（3）圖案化藍(lán)寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡稱PSS)
     以生長(Growth)或蝕刻(Etching)的方式，在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出納米級(jí)特定規(guī)則的微結(jié)構(gòu)圖案藉以控制LED之輸出光形式，并可同時(shí)減少生長在藍(lán)寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。
     
 
 
                                     
                                                                          
三．LED芯片制作工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 
1.  led外延生長工藝
   外延生長的基本原理是：MO源及NH3由載氣傳輸?shù)椒磻?yīng)室，以質(zhì)量流量計(jì)控制氣體流量，反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)室后經(jīng)載氣傳輸?shù)揭r底表面反應(yīng)形成特定單晶薄膜。目前LED外延片生長技術(shù)主要采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積方法(MOCVD）。
Led外延生長制程：                

 
 
各種LED外延生長工藝：
          
                                                                    Multi-Buffer Layers                                                                                                                                     SiN/GaN Buffer Layers
 
         
 
                                                Epitaxial Lateral Overgrowth (ELO)                                                                                           Patterned Sapphire Substrate (PSS)
 
 
2.  led芯片制作工藝介紹
    led芯片工藝一般分為前工藝、后工藝、點(diǎn)測分選三部分， 前工藝主要工作就是在外延片上做成一顆顆晶粒。簡單的說就是Chip On Wafer的制程。利用光刻機(jī)、掩膜版、ICP、蒸鍍機(jī)等設(shè)備制作圖形，在一個(gè)2英寸的wafer片上做出幾千~上萬顆連在一起的晶粒 。后工藝是將前工藝做成的含有數(shù)目眾多管芯的晶片減薄，然后用激光切割成一顆顆獨(dú)立的管芯。 點(diǎn)測分選的主要工作：

（1）點(diǎn)測大圓片或方片上每一顆晶粒電性和光學(xué)性能；                             

（2） 將大圓片按照條件表分成規(guī)格一致的方片；

（3） 吸除外觀不良部分，并貼
上標(biāo)簽。
 
 Led晶圓級(jí)制程工藝：  

 
3．Led芯片的光刻工藝與電極制作工藝
   1）光刻工藝：
 
2）電極制作工藝：
 
4．  Led的結(jié)構(gòu)發(fā)展介紹
     從LED的結(jié)構(gòu)上講，可以將LED劃分為正裝結(jié)構(gòu)、倒裝結(jié)構(gòu)、垂直結(jié)構(gòu)和3維垂直結(jié)構(gòu)。
（1）正裝結(jié)構(gòu)：
     當(dāng)前較為成熟的III-V族氮化物藍(lán)光芯片是用藍(lán)寶石材料作為襯底的，由于藍(lán)寶石襯底的絕緣性，所以普通的GaN 基LED 采用正裝結(jié)構(gòu)。由于正裝結(jié)構(gòu)LED p、n 電極在LED 的同一側(cè)，電流須橫向流過n-GaN 層，導(dǎo)致電流擁擠，局部發(fā)熱量高，限制了驅(qū)動(dòng)電流；而且藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性差，嚴(yán)重的阻礙了熱量的散失。
（2）倒裝結(jié)構(gòu)：
     對(duì)于藍(lán)光LED芯片來講，其藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱率比較低，為了解決散熱的問題，芯片的倒裝結(jié)構(gòu)被提出，發(fā)光效率和散熱效果都有了改進(jìn)。通常的LED倒裝焊結(jié)構(gòu)仍然是橫向結(jié)構(gòu)，仍然有電流擁塞現(xiàn)象，且不能進(jìn)行表面粗化。
（3）垂直結(jié)構(gòu)：
     為了解決藍(lán)光LED倒裝焊芯片的不足之處，借鑒于紅光垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，藍(lán)光垂直結(jié)構(gòu)芯片被提出。垂直結(jié)構(gòu)與倒裝焊LED的主要區(qū)別如下：首先把LED芯片的P外延層的倒裝焊在支持襯底上，然后剝離生長襯底，形成垂直結(jié)構(gòu)LED。
（4）3維垂直結(jié)構(gòu)
     通常把無需打金線的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片統(tǒng)稱為“3維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片”。 2005年：Cree提出3維垂直結(jié)構(gòu)LED，采用如下的工藝制程：首先采用晶片鍵合(wafer bonding)，然后，在支持襯底上形成通孔(via)，在通孔中形成金屬栓(metal plug)，再形成N-電極。由于該工藝制程比較復(fù)雜，良品率較低，一直沒有產(chǎn)品推上市場。2007年2月：Lumileds把無需打金線的藍(lán)光垂直結(jié)構(gòu)LED芯片封裝(Rebel)投入市場。其主要特點(diǎn)是：支持襯底上的N電極穿過發(fā)光層與N外延層的中間部分相連接。2008年7月：秦皇島鵬遠(yuǎn)光電、山東華光、上海藍(lán)寶、半導(dǎo)體所等合作開了3維紅光和藍(lán)光LED芯片的樣品。與垂直結(jié)構(gòu)LED芯片相比，3維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的主要優(yōu)勢如下：
（1）無需打線帶來的優(yōu)勢：如3維垂直結(jié)構(gòu)led芯片的封裝的厚度更薄等；
（2）當(dāng)把LED芯片應(yīng)用于傳輸信息時(shí)，3維垂直結(jié)構(gòu)LED芯片可以更快地傳輸信息；
（3）更容易引入較大的驅(qū)動(dòng)電流。
 
四、垂直結(jié)構(gòu)led介紹
  1. 垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的定義：
    為了便于理解垂直結(jié)構(gòu)的LED，一種基于電流在P類型外延層中流動(dòng)的方向的垂直結(jié)構(gòu)的LED的定義被提出：LED芯片帶有較高電阻的外延層(P-外延層)的大部分被一導(dǎo)電層覆蓋(例如，金屬層)；導(dǎo)電層上的每一點(diǎn)基本為等電位；導(dǎo)電層與電極相連；電流基本上垂直流過高電阻的外延層。基于這一定義：(1)對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片，不一定必須在芯片兩側(cè)制作電極。(2)外界電源可以在不同的位置與具有較低電阻的外延層(N-外延層)進(jìn)行電連接，例如：在N-外延層的項(xiàng)部，或在N-外延層的中間部分(例如，Lumileds的Rebel)。
(3)外部的電源與導(dǎo)電層可以以不同的方式連接，如：共晶焊、植金球、導(dǎo)電膠連接。
2.  垂直結(jié)構(gòu)led的特色與性能優(yōu)勢
    與傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)LED 相比，垂直結(jié)構(gòu)LED 具有許多優(yōu)點(diǎn)： 
    (1) 平面結(jié)構(gòu)LED 的p、n 電極在同一側(cè)，電流須橫向流過n-GaN 層，導(dǎo)致電流擁擠，發(fā)熱量高；而垂直結(jié)構(gòu)LED 兩個(gè)電極分別在LED 的兩側(cè)，電流幾乎全部垂直流過外延層，沒有橫向流動(dòng)的電流，電流分布均勻，產(chǎn)生的熱量減少。 
    (2) 傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)采用藍(lán)寶石襯底，由于藍(lán)寶石襯底不導(dǎo)電，所以需要刻蝕臺(tái)面，犧牲了有源區(qū)的面積。另外，由于藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性差（35Ｗ/(m℃）， 還限制了LED 芯片的散熱；垂直結(jié)構(gòu)LED 采用鍵合與剝離的方法將藍(lán)寶石襯底去除，換成導(dǎo)電性好并且具有高熱導(dǎo)率的襯底，不僅不需要刻蝕臺(tái)面，可充分的利用有源區(qū)，而且可有效地散熱。 
    (3) 正裝結(jié)構(gòu)GaN 基LED，p-GaN 層為出光面，由于該層較薄，不利于制作表面微結(jié)構(gòu)。但是對(duì)于垂直結(jié)構(gòu)LED，n-GaN 層為出光面，該層具有一定的厚度， 便于制作表面微結(jié)構(gòu)，以提高光提取效率。 
    總之，與傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)相比，垂直結(jié)構(gòu)在出光、散熱等方面具有明顯的優(yōu)勢。 
 
3.  垂直結(jié)構(gòu)led的制程工藝
GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED工藝與正裝結(jié)構(gòu)LED工藝的最大差異在于，垂直結(jié)構(gòu)LED需要引入襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)。所謂襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)是指用高熱導(dǎo)率與高電導(dǎo)率的新襯底取代原有的生長襯底。具體的步驟分為兩步，首先采用晶片鍵合的方法或者電鍍的方法將新襯底與外延片粘合在一起，然后再利用激光剝離、研磨以及濕法腐蝕等方法將原生長襯底去掉。
旭明垂直led制程工藝：
            
（1）在藍(lán)寶石襯底上生長led外延層    

（2）將外延片制作成一顆顆一定尺寸的晶粒
（3）制作反射層                                                          

（4）led側(cè)壁鈍化處理
（5）粘合銅合金層作為新襯底                              

（6）去除藍(lán)寶石襯底
（7）制作n電極

（8）n-GaN表面粗化處理、檢測
 （9）劃片、包裝
 
4.  垂直結(jié)構(gòu)led的發(fā)展?fàn)顩r
   　當(dāng)前全球幾大LED廠商，比如，美國Cree公司、德國Osram公司、美國Philips Lumileds公司、美國SemiLEDs都擁有自己GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED產(chǎn)品。此外，日本、韓國、臺(tái)灣以及國內(nèi)各大LED廠商都在積極開發(fā)GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED芯片工藝。
　　　美國Cree公司是目前世界上采用SiC作為襯底材料制造藍(lán)光發(fā)光二極管用外延片和芯片的專業(yè)公司之一，該公司采用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)將發(fā)光層轉(zhuǎn)移在Si襯底上，有效地解決了芯片的散熱問題和提高出光效率的問題。Cree公司的功率LED芯片產(chǎn)品EZ系列采用薄膜芯片技術(shù)已經(jīng)達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先的光效水平，據(jù)2011年5月的報(bào)道顯示，Cree的白光LED器件研發(fā)水平已經(jīng)達(dá)到231 lm/W，這是功率型白光LED有報(bào)道以來的最好成績。
　　2007 年初，Lumileds 公司推出了薄膜倒裝（TFFC）LED 產(chǎn)品，實(shí)際上薄膜倒裝結(jié)構(gòu)也是垂直結(jié)構(gòu)LED的一種。由于技術(shù)的進(jìn)步，使該產(chǎn)品可在任何環(huán)境中都能表現(xiàn)出最佳性能。使用TFFC技術(shù)的Luxeon K2 是專門為在1000mA 電流下工作而進(jìn)行設(shè)計(jì)、分檔和檢測的LED。封裝后LED 的熱阻僅為5.5℃/W，經(jīng)分檔和測試的產(chǎn)品（光輸出最小為160lm，1A 驅(qū)動(dòng)電流）其光輸出在更高驅(qū)動(dòng)電流下很容易就超過了220lm。
    德國Osram公司對(duì)比了四種結(jié)構(gòu)的GaN基LED的光提取效率，其中“ThinGaN”芯片實(shí)際上就是垂直結(jié)構(gòu)LED。該公司采用晶片鍵合與剝離技術(shù)將LED發(fā)光層轉(zhuǎn)移到新襯底（GaAs襯底或Ge襯底）上，于2007年開始銷售可發(fā)出1000lm 光通量的白色LED“OSTAR Lighting”的最新版。該產(chǎn)品在輸入功率為27W（工作電流700mA）時(shí)，可得到1000lm 的光通量，此時(shí)的發(fā)光效率約為37lm/W。把工作電流減小至350mA 時(shí)，發(fā)光效率可提高至75lm/W。
　　美國SemiLEDs 公司成立于2004 年，是繼Osram和Cree之后，采用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)商品化生產(chǎn)GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED的廠商。該公司首先推出金屬Cu 基底的GaN基LED。
　　在國內(nèi)北京大學(xué)最早開展GaN基垂直結(jié)構(gòu)的研發(fā)，此后從研究機(jī)構(gòu)到各大LED公司都陸續(xù)開展此方面的研發(fā)工作。同方光電于2008年開始涉足垂直結(jié)構(gòu)LED的研發(fā)，經(jīng)過兩年多的努力，已經(jīng)積累了一套Cu襯底電鍍、整平以及藍(lán)寶石剝離的完整技術(shù)。目前制作的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，封裝白光后效率可達(dá)到100lm/W以上。目前，同方光電擁有垂直結(jié)構(gòu)芯片制造專利10多項(xiàng)，已經(jīng)有三項(xiàng)獲得國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)，兩項(xiàng)獲得臺(tái)灣專利局授權(quán)，一項(xiàng)獲得美國專利局授權(quán)，為開展垂直結(jié)構(gòu)的研發(fā)與生產(chǎn)奠定了良好基礎(chǔ)。