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)，預計到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用產(chǎn)品。在整個產(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)展趨勢當前，受國際、國內(nèi)市場的影響，在“國家半導體照明工程”的推動下，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)品應用在內(nèi)的較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

    眾所周知半導體發(fā)光二極管具有高轉(zhuǎn)換效率、壽命長等優(yōu)點，被認為是下一代光源并將會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，要達到這一目的還有很多技術(shù)難點有待克服，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、改進和提高必不可少的分析工具。

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

    一、蔡司光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡在LED上游襯底材料中（藍寶石材料）的具體應用：

    1、藍寶石襯底材料介紹

    由于藍寶石的絕緣性好，介電損耗小，耐高溫，耐腐蝕。導熱性好，在機械強度足夠高。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，科研多個領(lǐng)域。同時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)光二極管族類中藍寶石襯底基片所下一代日光燈光源的半導體發(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)光二極管應用的日益廣泛

    LED藍寶石(Sapphire)是一種氧化鋁的單晶，又稱剛玉。藍寶石晶體具有優(yōu)異的光學性能、機械性能和化學穩(wěn)定性，強度高、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，目前能應用于LED的襯底材料只有四種。藍寶石作為一種重要的技術(shù)晶體，目前已在LED行業(yè)形成了較為風尚和成熟的應用。

    2、應用

    采用蔡司的偏光顯微鏡可以鑒定藍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：在一塊加熱至適當溫度的襯底基片(主要有藍寶石和、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)主要采用有機金屬化學氣相沉積方法（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。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結(jié)。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(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、應用：

    a)利用掃描電鏡檢測外延片生長后晶面的位錯腐蝕形貌信息；

    晶面的位錯腐蝕形貌提供的意義：各個樣品的位錯腐蝕呈現(xiàn)不同的形狀和晶體所屬點群和晶體的結(jié)構(gòu)所決定，化學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的。明確了LED外延材料晶體質(zhì)量對器件可靠性的影響，通過對外延材料的質(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：用光學顯微鏡檢查材料表面，確定是否有機械損傷及麻點、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用：表面粗化技術(shù)解決因為半導體材料折射率（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性，需要大量實驗來研究粗糙度與粗化尺度對出光率的影響。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、蔡司光學顯微鏡及掃描電鏡在LED成品器件失效分析中的應用。

    采用掃描電鏡和X射線能譜分析儀可以對由于熱過載引起的大功率發(fā)光二極管分層和發(fā)黑失效進行分析。分析結(jié)果表明，由于發(fā)光二級管的輸入電流增大，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)熱應力失配，加之環(huán)氧樹脂材料容易受潮膨脹而產(chǎn)生應力，最終導致發(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。