Di recente, con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia, l'applicazione della tecnologia LED nel campo dell'illuminazione e dei display è diventata sempre più diffusa. In quanto componente fondamentale della tecnologia LED, il processo di produzione e le caratteristiche prestazionali dei chip LED hanno attirato molta attenzione.
L'obiettivo principale della produzione di chip LED è creare un elettrodo di contatto a basso valore ohmico efficace e affidabile, garantire che la caduta di tensione tra i materiali contattabili sia ridotta e fornire un'adeguata piazzola di saldatura, massimizzando al contempo l'efficienza di emissione luminosa. Il processo di rivestimento utilizza principalmente l'evaporazione sotto vuoto. In un ambiente ad alto vuoto di 4 Pa, il materiale viene fuso mediante riscaldamento a resistenza o mediante bombardamento con fascio di elettroni. Quindi, a bassa pressione, il materiale si trasforma in vapore metallico e si deposita sulla superficie del materiale semiconduttore. Solitamente, AuBe, AuZn e altre leghe vengono utilizzate per i metalli di contatto di tipo P, mentre le leghe AuGeNi vengono spesso utilizzate per i metalli di contatto sul lato N. Lo strato di lega formato dal rivestimento deve essere sottoposto a un processo di fotolitografia per esporre la maggior parte possibile dell'area di emissione luminosa, in modo che lo strato di lega rimanente soddisfi i requisiti degli elettrodi di contatto a basso valore ohmico e delle piazzole di saldatura. Una volta completato il processo di fotolitografia, è necessario il processo di lega, che viene generalmente eseguito sotto protezione di H₂ o N₂. Il tempo e la temperatura di legatura sono determinati in base a fattori quali le caratteristiche del materiale semiconduttore e la forma del forno di legatura. Se si utilizza il processo di elettrodo a chip, come il blu-verde, è necessario aggiungere processi più complessi come la crescita del film di passivazione e l'incisione al plasma.
Nel processo di produzione di chip LED, i collegamenti multipli hanno un impatto significativo sulle prestazioni optoelettroniche. In generale, una volta completata la produzione epitassiale del LED, le principali proprietà elettriche sono sostanzialmente definite. Sebbene la produzione del chip non ne modifichi la natura del nucleo, condizioni improprie durante il processo di rivestimento e lega porteranno a parametri elettrici scadenti. Ad esempio, se la temperatura di lega è troppo alta o troppo bassa, causerà un contatto ohmico inadeguato, che è la causa principale dell'elevata caduta di tensione diretta VF nella produzione di chip. Dopo il taglio, il bordo del chip viene corroso per migliorare la dispersione inversa del chip. Questo perché, dopo il taglio della lama della mola diamantata, una grande quantità di polvere di detriti rimarrà sul bordo del chip. Se questi detriti si attaccano alla giunzione PN del chip LED, è facile che si verifichino perdite o addirittura guasti. Inoltre, se il fotoresist sulla superficie del chip non viene rimosso in modo pulito, si verificheranno problemi come difficoltà nella saldatura dei fili sul lato anteriore e nella saldatura a freddo, e si verificherà un'elevata caduta di tensione sul lato posteriore. Nel processo di produzione dei chip, l'intensità della luce può essere migliorata efficacemente irruvidendo la superficie e dividendola in una struttura trapezoidale invertita.
I chip LED sono suddivisi in chip a bassa, media e alta potenza in base alla potenza, e possono essere suddivisi in categorie di illuminazione a tubo singolo, digitale, a matrice di punti e decorativa in base alle esigenze del cliente. Le dimensioni specifiche del chip dipendono dall'effettivo livello di produzione dei diversi produttori di chip e non esiste uno standard unificato. Finché il processo soddisfa lo standard, chip più piccoli possono aumentare la produzione unitaria e ridurre i costi, e le prestazioni optoelettroniche non cambieranno sostanzialmente. La corrente di esercizio del chip è correlata alla densità di corrente che scorre attraverso il chip. Più piccolo è il chip, minore è la corrente di esercizio, e più grande è il chip, maggiore è la corrente di esercizio, e la densità di corrente unitaria è sostanzialmente simile. Considerando che la dissipazione del calore è un problema chiave in caso di alta corrente, l'efficienza luminosa dei chip ad alta potenza è inferiore a quella dei chip a bassa corrente. D'altra parte, a causa dell'aumento dell'area del chip e della diminuzione della resistenza del corpo, la tensione di conduzione diretta diminuirà.
L'area dei chip LED ad alta potenza comunemente utilizzati per la luce bianca sul mercato è generalmente di circa 40 mil. Il cosiddetto chip ad alta potenza si riferisce solitamente a una potenza elettrica superiore a 1 W. Poiché l'efficienza quantica è generalmente inferiore al 20%, la maggior parte dell'energia elettrica verrà convertita in energia termica, quindi la dissipazione del calore dei chip ad alta potenza è estremamente importante, il che richiede che il chip abbia un'area maggiore.
Il processo di produzione dei chip e le apparecchiature di lavorazione per la produzione di materiali epitassiali in GaN sono significativamente diversi da quelli di GaP, GaAs e InGaAlP. I substrati dei normali chip LED rossi e gialli e dei chip rossi e gialli a quattro elementi ad alta luminosità utilizzano materiali semiconduttori composti come GaP e GaAs. Possono generalmente essere trasformati in substrati di tipo N, che vengono trattati fotolitograficamente con processi a umido e infine tagliati in chip con lame diamantate. Il chip blu-verde in materiale GaN utilizza un substrato di zaffiro. A causa del suo isolamento, non può essere utilizzato come polo del LED. È necessario realizzare contemporaneamente due elettrodi P/N sulla superficie epitassiale tramite un processo di incisione a secco e sono richiesti anche alcuni processi di passivazione. Poiché lo zaffiro è duro, è difficile tagliarlo in chip con lame diamantate e il suo processo è più complicato di quello dei LED realizzati in materiali GaP e GaAs.
Elettrodi trasparentiI chip hanno strutture e caratteristiche uniche. Il cosiddetto elettrodo trasparente deve avere due proprietà: conduttività e trasmissione della luce. Attualmente, l'ossido di indio e stagno (ITO) è ampiamente utilizzato nel processo di produzione dei cristalli liquidi, ma non può essere utilizzato come piazzola di saldatura. Per realizzarlo, è necessario prima realizzare un elettrodo ohmico sulla superficie del chip, quindi ricoprirlo con uno strato di ITO e quindi rivestire una piazzola di saldatura sulla superficie dell'ITO. In questo modo, la corrente che scende dal conduttore può essere distribuita uniformemente a ciascun elettrodo di contatto ohmico attraverso lo strato di ITO. Allo stesso tempo, l'indice di rifrazione dell'ITO è compreso tra l'indice di rifrazione dell'aria e quello del materiale epitassiale, il che può aumentare l'angolo di emissione della luce e il flusso luminoso.
Con lo sviluppo della tecnologia LED a semiconduttore, l'applicazione nell'illuminazione, in particolare nei LED a luce bianca, è diventata un punto di riferimento, ma la tecnologia chiave dei chip e del packaging deve ancora essere migliorata. Per quanto riguarda i chip, il futuro sarà verso alta potenza, elevata efficienza luminosa e ridotta resistenza termica. Aumentare la potenza significa aumentare la corrente utilizzata dal chip. Il modo più diretto è aumentare le dimensioni del chip. Le dimensioni dei chip ad alta potenza attualmente più comuni sono di circa 1 mm × 1 mm e la corrente utilizzata è di circa 350 mA. A causa dell'aumento della corrente utilizzata, il problema della dissipazione del calore è diventato più evidente. Ora il metodo del chip flip ha sostanzialmente risolto questo problema.
I LED blu utilizzano spesso substrati di Al2O3, che presentano elevata durezza e bassa conduttività termica ed elettrica. Se si utilizza una struttura positiva, non solo si verificheranno problemi di antistaticità, ma anche la dissipazione del calore diventerà un problema importante in condizioni di corrente elevata. Allo stesso tempo, poiché l'elettrodo anteriore è rivolto verso l'alto, bloccherà parte della luce e ridurrà l'efficienza luminosa. I LED blu ad alta potenza possono ottenere un'emissione luminosa più efficace grazie alla tecnologia flip-chip rispetto alla tradizionale tecnologia di confezionamento. Il processo di produzione della struttura flip-chip più diffuso prevede: innanzitutto, si prepara un chip LED blu di grandi dimensioni con elettrodi adatti alla saldatura eutettica e, contemporaneamente, si prepara un substrato di silicio leggermente più grande del chip LED blu e si realizza uno strato conduttivo in oro e uno strato di filo conduttore (giunto di saldatura a sfera con filo d'oro a ultrasuoni) per la saldatura eutettica. Quindi, si utilizza un'apparecchiatura per saldatura eutettica per saldare il chip LED blu ad alta potenza al substrato di silicio. In questa struttura, lo strato epitassiale è direttamente a contatto con il substrato di silicio e la resistenza termica del substrato di silicio è molto inferiore a quella del substrato di zaffiro, il che risolve efficacemente il problema della dissipazione del calore. Dopo il ribaltamento, il substrato di zaffiro si rivolge verso l'alto, diventando la superficie di emissione luminosa. Grazie alla sua trasparenza, anche il problema dell'emissione luminosa viene risolto.
Gli esperti del settore hanno affermato che, grazie al continuo progresso della scienza e della tecnologia, la tecnologia dei chip LED continuerà a innovarsi e si prevede che le future lampade LED faranno grandi progressi in termini di elevata efficienza e lunga durata, apportando maggiore comodità alla vita delle persone.