FEMAG晶体生长模拟技术在LED行业的应用

1、LED市场应用

LED全称发光二极管，它是一种能发光的半导体器件。LED光源最大的特点是发光效率高且光源稳定。目前功率型白光LED产品光效已超过100流明/瓦，大大超过普通照明白炽灯(15流明/瓦)和节能荧光灯(90流明/瓦)，因此在获得同样的亮度情况下，LED耗电仅为普通白炽灯的1/10，实际可以节能80%，节能效果非常明显。

LED作为新型节能固态光源，具有寿命长、稳定、安全、环保、色彩丰富、微型化等显著优点。随着技术不断提升，大尺寸液晶电视背光源、汽车、商业和工业用照明已逐步成为ＬＥＤ主要应用领域，并且LED在通用照明领域也获得了很大发展。业内人士普遍认为，如同晶体管代替电子管一样，半导体LED替代传统的白炽灯和荧光灯将是大势所趋。

根据预测，到2015年底各个领域的LED市场占有率分布如下图。

FEMAG晶体生长模拟技术在LED行业的应用

2、LED与半导体晶体

FEMAG晶体生长模拟技术在LED行业的应用

LED本质上也是半导体二极管的一种，与普通二极管一样由PN结组成，具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，N区和P区的电子与空穴会复合产生辐射荧光，只要波长在可见光范围就作为光源使用。

LED结构中最主要部分是晶体衬底。LED衬底决定了适合的外延层类型，并决定了LED发出可的见光颜色，亮度以及使用寿命等。

目前应用比较多的LED衬底晶体材料有蓝宝石，碳化硅，硅，氮化镓等，其中蓝宝石晶体制备工艺成熟，性质稳定，被广泛采用作为LED衬底材料。

3、FEMAG解决方案

目前大部分LED衬底晶体主要依靠熔体生长法进行生长，例如蓝宝石的提拉法，泡生法，热交换法生长等。晶体生长的质量对LED外延层的性能有很大影响，带有缺陷的晶体衬底会导致外延失效，亮度下降，发热增大等。因此如何控制晶体生长质量是提高LED性能的关键。

FEMAG软件是一款专业的晶体生长模拟软件，对于典型的晶体生长工艺，例如提拉法、区熔法、热交换法以及坩埚下降法等，都能提供世界领先的仿真精度，能够优化蓝宝石，碳化硅等LED衬底晶体生长工艺，提高晶体质量、生产效率和成品率。

利用FEMAG可以实现：

（1）炉体设计

炉体热场的合理设计，能够减少能耗，提高晶体的生长质量。FEMAG软件能具有先进的分析算法，够实现炉体全局热场的模拟、加热器功率的分析以及炉体结构的优化设计等。

FEMAG晶体生长模拟技术在LED行业的应用

图3.1 直拉法炉体设计以及对应的炉体温度场示意图

（2）热场流场的分析

FEMAG具有热场、流场的耦合分析功能，能够实现全局的热场以及流场分布分析。

FEMAG晶体生长模拟技术在LED行业的应用

图3.2直拉法生长蓝宝石热场流场

（3）晶体缺陷预测分析

利用FEMAG可以分析晶体生长过程的含氧量分布以及空位和缺陷浓度预测，为晶体生长质量优化提供依据。

FEMAG晶体生长模拟技术在LED行业的应用

图3.2 FEMAG/CZ缺陷分析（a）温度场（b）Ci-Cv缺陷（c）Ci-Cv缺陷

FEMAG晶体生长模拟技术在LED行业的应用

图3.3泡生法生长蓝宝石热场流场

4、关于FEMAG软件

北京云道智造科技有限公司于于2021年4月正式收购由比利时新鲁汶大学教授Dr. François Dupret领导开发的用于晶体生长的FEMAG软件。FEMAG软件拥有国际上先进、高效、全面的晶体生长工艺模拟技术和多物理场耦合仿真分析功能，可模拟各种晶体生长工艺，包括提拉法（Cz）、泡生法（Ky）、区熔法（FZ）、垂直布里奇曼法（VB）、垂直梯度凝固法（VGF）、定向凝固法（DS）、热交换法（HEM）以及物理气相传输法（PVT）等。FEMAG软件在集成电路、太阳能光伏、半导体芯片、蓝宝石、单晶高温合金等领域具有广泛的应用。

FEMAG/CZ—FEMAG 提拉法晶体生长模拟软件
FEMAG/CZ/OX—FEMAG 化合物提拉/泡生法晶体生长模拟软件
FEMAG/FZ—FEMAG 区熔法晶体生长模拟软件
FEMAG/DS—FEMAG 定向凝固法生长模拟软件
FEMAG/VB—FEMAG VB/VGF 法晶体生长模拟软件
FEMAG/HEM—FEMAG 热交换法晶体生长模拟软件
FEMAG/PVT—FEMAG 物理气相传输法晶体生长模拟软件

经过三十多年的开发与完善，FEMAG软件以其深厚的晶体生长理论基础、高效稳健的数值算法，业已在晶体生长数值计算领域处于国际领先地位。FEMAG软件可以高效地模拟晶体生长工艺以及预测晶体生长的质量，有力地促进了晶体生长技术相关的生产与研发工作。FEMAG软件已在以下领域中得到了广泛的应用：

光学级单晶锗的生长
晶体生长熔炉的设计
YAG功能晶体的生长
GaAs、CdTe晶体的生长
半导体、集成电路级单晶硅的生长
第三代半导体材料SiC晶体的生长
太阳能光伏单晶硅、多晶硅锭的生长
航空发动机涡轮叶片单晶高温合金的生长
氧化物（蓝宝石）、卤化物等LED光电晶体的生长

了解更多信息：https://www.simapps.com/v2/tool/femag