LED（Light-EmittingDiode，縮寫LED）是發(fā)光二極管的簡稱，2009年下半年開始，LED市場出現(xiàn)大飛躍，作為高成長性的新興產(chǎn)業(yè)，預(yù)計(jì)到2015年，LED產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破5000億元，其中普通照明行業(yè)1600億元，大尺寸液晶電視背光行業(yè)1200億元，汽車照明行業(yè)200億元、普通照明行業(yè)1600億元，景觀、顯示等行業(yè)1000億元。

LED產(chǎn)業(yè)鏈條大致可以分為三個(gè)部分，分別是上游基片生長、外延片制造，中游的芯片封裝和下游的應(yīng)用產(chǎn)品。在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，最核心的部分在基片生長和外延片制造環(huán)節(jié)，二者技術(shù)含量比較高，占全行業(yè)近70%的產(chǎn)值和利潤。

LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢當(dāng)前，受國際、國內(nèi)市場的影響，在“國家半導(dǎo)體照明工程”的推動(dòng)下，我國的LED產(chǎn)業(yè)初步形成了包括LED上游的襯底材料、LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片的制備、LED芯片的封裝以及LED產(chǎn)品應(yīng)用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

眾所周知半導(dǎo)體發(fā)光二極管具有高轉(zhuǎn)換效率、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代光源并將會(huì)取代目前使用的傳統(tǒng)光源。然而就目前發(fā)光二極管的性能來看，要達(dá)到這一目的還有很多技術(shù)難點(diǎn)有待克服，需要在材料分析表征、器件分析技術(shù)等方面加大研究力度。在發(fā)光二極管器件的封裝結(jié)構(gòu)以及芯片的結(jié)構(gòu)、組分和界面狀況的分析技術(shù)中光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線能譜、二次離子質(zhì)譜儀等設(shè)備成為器件的失效及結(jié)構(gòu)分析，外延工藝的監(jiān)控、改進(jìn)和提高必不可少的分析工具。

下文將簡單介紹蔡司的光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡在LED生產(chǎn)中過程中的部分應(yīng)用。

一、蔡司光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡在LED上游襯底材料中（藍(lán)寶石材料）的具體應(yīng)用：

1、藍(lán)寶石襯底材料介紹

由于藍(lán)寶石的絕緣性好，介電損耗小，耐高溫，耐腐蝕。導(dǎo)熱性好，在機(jī)械強(qiáng)度足夠高。且能加工成平整的表面。透光波段寬。因此廣泛用于工業(yè)，國防，科研多個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)也是一種用途廣泛的發(fā)光二極管的上好的襯底材料。在生成的發(fā)光二極管是最有前途成為高亮度發(fā)光二極管族類中藍(lán)寶石襯底基片所下一代日光燈光源的半導(dǎo)體發(fā)光器襯底材料。目前這些高亮度的發(fā)光二極管已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在廣告、交通燈、儀表燈；及手術(shù)燈等領(lǐng)域。隨著高亮度發(fā)光二極管應(yīng)用的日益廣泛。

LED藍(lán)寶石(Sapphire)是一種氧化鋁的單晶，又稱剛玉。藍(lán)寶石晶體具有優(yōu)異的光學(xué)性能、機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，強(qiáng)度高、硬度大、耐沖刷，可在接近2000℃高溫的惡劣條件下工作。根據(jù)研究表明，目前能應(yīng)用于LED的襯底材料只有四種。藍(lán)寶石作為一種重要的技術(shù)晶體，目前已在LED行業(yè)形成了較為風(fēng)尚和成熟的應(yīng)用。

2、應(yīng)用

采用蔡司的偏光顯微鏡可以鑒定藍(lán)寶石晶體的異常雙折射現(xiàn)象。在特定情況下，借助錐光鏡，可以觀察晶體的干涉圖，確定晶體的軸性，用于觀察各個(gè)晶圓的方向是否統(tǒng)一，以此來判斷基片的好壞。

二、蔡司顯微鏡，掃描電鏡在LED外延片的生產(chǎn)、LED芯片的制備流程中的應(yīng)用

1、LED外延片介紹

LED外延片生長的基本原理是：在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片(主要有藍(lán)寶石和、SiC、Si)上，氣態(tài)物質(zhì)InGaAlP有控制的輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。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）

2、LED芯片介紹

LED芯片也稱為LED發(fā)光芯片，是led燈的核心組件，也就是指的P-N結(jié)。其主要功能是：把電能轉(zhuǎn)化為光能，芯片的主要材料為單晶硅。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。

3、應(yīng)用：

a)利用掃描電鏡檢測外延片生長后晶面的位錯(cuò)腐蝕形貌信息；

晶面的位錯(cuò)腐蝕形貌提供的意義：各個(gè)樣品的位錯(cuò)腐蝕呈現(xiàn)不同的形狀和晶體所屬點(diǎn)群和晶體的結(jié)構(gòu)所決定，化學(xué)腐蝕劑的作用就是破壞晶體內(nèi)部分子和原子間相互作用鍵，鍵力較小的首先被破壞，從而形成某種特定形狀的腐蝕斑，因此良好的成像，已經(jīng)腐蝕斑細(xì)節(jié)的完美呈現(xiàn)，能完全體現(xiàn)出晶體生長的質(zhì)量形態(tài)。

提高外延晶格質(zhì)量和降低材料缺陷，是生產(chǎn)出高性能及高可靠性LED器件的前提，否則通過其他途徑是難以彌補(bǔ)的。明確了LED外延材料晶體質(zhì)量對(duì)器件可靠性的影響，通過對(duì)外延材料的質(zhì)量控制，以期減少材料缺陷密度，提高外延層晶體質(zhì)量和有效提高LED器件的可靠性。

b)封裝前的芯片檢驗(yàn)：用光學(xué)顯微鏡檢查材料表面，確定是否有機(jī)械損傷及麻點(diǎn)、芯片尺寸及電極大小是否符合工藝要求，電極圖案是否完整。

c)LED芯片氧化厚度：檢測技術(shù)包括顏色比較、邊緣記數(shù)、干涉、橢偏儀、刻紋針振幅儀和掃描電子顯微鏡；

d)芯片晶圓結(jié)深的測量：掃描電鏡對(duì)LED芯片晶圓PN結(jié)結(jié)深的厚度檢測

e)掃描電鏡在LED芯片刻蝕過程中表面粗化工藝研究的應(yīng)用：表面粗化技術(shù)解決因?yàn)榘雽?dǎo)體材料折射率（平均3.5）大于空氣折射率而使入射角大于臨界角的光線發(fā)生全反射無法出射所造成的損失。光在粗化表面的出射有很大的隨機(jī)性，需要大量實(shí)驗(yàn)來研究粗糙度與粗化尺度對(duì)出光率的影響。光從高折射率的LED窗口層材料GaP入射到低折射率的空氣中，會(huì)產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，而損失大量的出射光。用表面粗化法可以抑制全反射提高光提取效率。掃描電鏡能夠直接觀察表面粗化后樣品表面的結(jié)構(gòu)，對(duì)比粗化處理前后表面的粗糙度。掃描電鏡景深大，圖象富有立體感，可觀察經(jīng)過粗化處理的表面三維島狀結(jié)構(gòu)。

三、蔡司光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡在LED成品器件失效分析中的應(yīng)用。

采用掃描電鏡和X射線能譜分析儀可以對(duì)由于熱過載引起的大功率發(fā)光二極管分層和發(fā)黑失效進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，由于發(fā)光二級(jí)管的輸入電流增大，芯片結(jié)溫升高產(chǎn)生熱過載引起芯片與環(huán)氧樹脂透鏡之間出現(xiàn)熱應(yīng)力失配，加之環(huán)氧樹脂材料容易受潮膨脹而產(chǎn)生應(yīng)力，最終導(dǎo)致發(fā)光二極管在芯片表面與環(huán)氧樹脂的界面產(chǎn)生分層。與芯片表面接觸的環(huán)氧樹脂材料在高溫的作用下產(chǎn)生老化，降解后的環(huán)氧樹脂內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，形成C的單質(zhì)及其氧化物沉積在芯片表面，這是芯片表面發(fā)黑的主要原因。