白光LED的發(fā)展與大功率垂直LED的設(shè)計(jì)方法

　　白光LED已經(jīng)對一般照明市場產(chǎn)生了影響，人們普遍期望它們在這個(gè)市場領(lǐng)域的滲透力度將會繼續(xù)地增加。它在市場中的占有率將由以下三個(gè)因素來決定：發(fā)光效率、每流明發(fā)光強(qiáng)度所需的成本，以及單個(gè)LED燈的光強(qiáng)流明數(shù)。

　　可同時(shí)改進(jìn)這三個(gè)因素的一種方法是提高LED的發(fā)光效率，但如是通過增加LED元件的驅(qū)動電流來提高其發(fā)光效率的話，在提高了光源的輸出光強(qiáng)同時(shí)也可能會增加了每流明的成本，因?yàn)橥瑫r(shí)也會增加LED的發(fā)熱量。為了解決這個(gè)問題，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)地控制好從元件接面到封裝、固定物以及周圍環(huán)境的熱量流。

　　運(yùn)用金屬晶圓接合方法可以將一個(gè)磊晶結(jié)構(gòu)晶圓接合到另一個(gè)基板上，這樣就可以提高LED中熱量的散發(fā)速率。在采用這一方法時(shí)，LED將會從兩方面獲益：一是它能通過低熱阻的金屬接合層將熱量快速地傳導(dǎo)出去，同時(shí)它能還能通過一個(gè)低熱阻的基板來耗散熱量。

　　這種方法不僅能增強(qiáng)氮化物基白光LED的電學(xué)性能，而且能增強(qiáng)它的藍(lán)光、紅光、橙光、黃光LED的性能，這些類型LED是都用 AlInGaP 族材料制成的。位於奧地利 St. Florian 的 EV Group公司就是采用了這種金屬接合制程來進(jìn)行LEDs的生產(chǎn)，我們參與的工作包括了用於這種生產(chǎn)制程的首臺加工設(shè)備EVG 560HBL的研發(fā)。這款設(shè)備由於對壓力和溫度分布進(jìn)行了最佳化處理，具有很高的產(chǎn)量，并給出了一個(gè)新的產(chǎn)量基準(zhǔn)，即對於面積等效於2英寸晶圓來說，這種設(shè)備每小時(shí)可進(jìn)行高達(dá)176次的接合制程處理。

　　一小段歷史…

　　晶圓－晶圓間的接合并不是新事物，早在20-30年前就已經(jīng)發(fā)明這種技術(shù)來解決微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）元件實(shí)現(xiàn)晶圓級“蓋帽”問題。晶圓接合技術(shù)的先行者們采用的是陽極接合和玻璃粉接合制程來將二個(gè)晶圓彼此粘接。然而，這兩種老方法正在被具有較低形狀因素影響的金屬接合制程所取代。

　　金屬接合是唯一一種可以滿足對低熱阻的需求而應(yīng)用於高亮度LEDs的接合方法。然而，這不是這種接合方法的唯一優(yōu)勢，它還能提升元件的發(fā)光效率。這種方法首先是應(yīng)用於 AlInGaP 基的LED中，其AlInGaP磊晶層是生長在GaAs基板上。假設(shè)這種LED元件的自發(fā)光發(fā)射是各向同性的，那麼所產(chǎn)生發(fā)光中的一半將會朝著基板方向傳播，而其中大部分的光將被吸收，從而降低了LED元件的總體發(fā)光效率。在LED發(fā)光區(qū)的下方插入一個(gè)分散式布拉格（Bragg）反射鏡能夠阻止射向基板這部分光的損失，但在實(shí)際上這僅僅對光某個(gè)優(yōu)化發(fā)射方向才是有效的，所以最佳的方法是采用晶圓接合方法，在金屬疊層中形成一個(gè)反射層。

　　用金屬接合方法來制造氮化物基發(fā)光二極體（LED）還面臨著一些挑戰(zhàn)。藍(lán)寶石是制造藍(lán)光和白光LED應(yīng)用得最為廣泛的載體材料，它具有非常令人滿意的高透明度特性，但它是一種不良熱導(dǎo)體。因此，采用橫向設(shè)計(jì)的大功率LED不易耗散其熱量，并且運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱現(xiàn)象會降低LED元件的性能。為了解決這個(gè)問題，一些LED制造商已經(jīng)開發(fā)出垂直LED的設(shè)計(jì)方法，采用具有更高熱導(dǎo)率的載體材料來取代藍(lán)寶石。

　　在采用這種設(shè)計(jì)時(shí)，可省略在橫向LED中形成n型接觸所必需的蝕刻制程步驟，從而簡化整個(gè)制造技術(shù)。另外，垂直LED結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生一個(gè)垂直方向的電流通路，它可以降低正向偏置電壓，并且可消除其他LED設(shè)計(jì)中常見的電流集中擁擠問題。此外垂直設(shè)計(jì)還有其他方面的優(yōu)點(diǎn)：引入金屬接合層保證了所有發(fā)光都可從LED的頂端出射；并且對於不同晶片尺寸，垂直LED設(shè)計(jì)都可以采用相同的制程流程，所以也可使其制造過程得到簡化。

　　所有垂直LED的制程流程的開始點(diǎn)均是用金屬氧化物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法在襯底上淀積一個(gè)磊晶層，隨後某些工程師會著手進(jìn)行LED晶片的圖形化，而另一些工程師則可能著手用晶圓接合的方法來實(shí)現(xiàn)薄層間的粘接。決定采用何種順序來完成不同制程步驟主要由隨後制程的本質(zhì)特性所決定，它們是用來消除在生長基板和個(gè)體設(shè)計(jì)間所存在的差異性。

　　AlInGaP LEDs的制造商傾向於在圖形化之前先進(jìn)行全面積晶園接合，因?yàn)檫@種制程不會引入應(yīng)變，并且基板層可用研磨和化學(xué)方法來去除掉。然而，在氮化物基LEDs的制造上會更為復(fù)雜些，在采用目前廣泛使用的鐳射剝離技術(shù)來將藍(lán)寶石層從磊晶薄層上進(jìn)行分離時(shí)，在單個(gè)或多個(gè)晶片區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)變。這種應(yīng)變源於介面GaN層在高能紫外線輻射作用所觸發(fā)的分解效應(yīng)所致，它會在功能層中產(chǎn)生裂紋，從而會影響其良品率，但這可以通過預(yù)先構(gòu)造好的晶片結(jié)構(gòu)來對這個(gè)應(yīng)變區(qū)域進(jìn)行限制，來解決這個(gè)問題。