Si襯底設(shè)計(jì)的功率型GaN基LED制造技術(shù)

目前日本日亞公司壟斷了藍(lán)寶石襯底上GaN基LED專利技術(shù)，美國CREE公司壟斷了SiC襯底上GaN基LED專利技術(shù)。因此，研發(fā)其他襯底上的GaN基LED生產(chǎn)技術(shù)成為國際上的一個(gè)熱點(diǎn)。南昌大學(xué)與廈門華聯(lián)電子有限公司合作承擔(dān)了國家863計(jì)劃項(xiàng)目“基于Si襯底的功率型GaN基LED制造技術(shù)”，經(jīng)過近三年的研制開發(fā)，目前已通過科技部項(xiàng)目驗(yàn)收。

1993年世界上第一只GaN基藍(lán)色LED問世以來，LED制造技術(shù)的發(fā)展令人矚目。目前國際上商品化的GaN基LED均是在藍(lán)寶石襯底或SiC襯底上制造的。但藍(lán)寶石由于硬度高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差等原因，對后期器件加工和應(yīng)用帶來很多不便，SiC同樣存在硬度高且成本昂貴的不足之處，而價(jià)格相對便宜的Si襯底由于有著優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和成熟的器件加工工藝等優(yōu)勢，因此Si襯底GaN基LED制造技術(shù)受到業(yè)界的普遍關(guān)注。

1? Si襯底LED芯片制造

1.1? 技術(shù)路線

在Si襯底上生長GaN，制作LED藍(lán)光芯片。

工藝流程：在Si襯底上生長AlN緩沖層→生長n型GaN→生長InGaN／GaN多量子阱發(fā)光層→生長p型AIGaN層→生長p型GaN層→鍵合帶Ag反光層并形成p型歐姆接觸電極→剝離襯底并去除緩沖層→制作n型摻si層的歐姆接觸電極→合金→鈍化→劃片→測試→包裝。

1.2? 主要制造工藝

采用Thomas Swan CCS低壓MOCVD系統(tǒng)在50 mm si(111)襯底上生長GaN基MQW結(jié)構(gòu)。使用三甲基鎵(TMGa)為Ga源、三甲基鋁(TMAI)為Al源、三甲基銦(TMIn)為In源、氨氣(NH3)為N源、硅烷(SiH4)和二茂鎂(CP2Mg)分別用作n型和p型摻雜劑。首先在Si(111)襯底上外延生長AlN緩沖層，然后依次生長n型GaN層、InGaN／GaN多量子阱發(fā)光層、p型AlGaN層、p型GaN層，接著在p面制作Ag反射鏡并形成p型歐姆接觸，然后通過熱壓焊方法把外延層轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電基板上，再用Si腐蝕液把Si襯底腐蝕去除并暴露n型GaN層，使用堿腐蝕液對n型面粗化后再形成n型歐姆接觸，這樣就完成了垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的制作。結(jié)構(gòu)圖見圖1。



從結(jié)構(gòu)圖中看出，Si襯底芯片為倒裝薄膜結(jié)構(gòu)，從下至上依次為背面Au電極、Si基板、粘接金屬、金屬反射鏡(p歐姆電極)、GaN外延層、粗化表面和Au電極。這種結(jié)構(gòu)芯片電流垂直分布，襯底熱導(dǎo)率高，可靠性高；發(fā)光層背面為金屬反射鏡，表面有粗化結(jié)構(gòu)，取光效率高。

1.3? 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新性

用Si作GaN發(fā)光二極管襯底，雖然使LED的制造成本大大降低，也解決了專利壟斷問題，然而與藍(lán)寶石和SiC相比，在Si襯底上生長GaN更為困難，因?yàn)檫@兩者之間的熱失配和晶格失配更大，Si與GaN的熱膨脹系數(shù)差別也將導(dǎo)致GaN膜出現(xiàn)龜裂，晶格常數(shù)差會(huì)在GaN外延層中造成高的位錯(cuò)密度；另外Si襯底LED還可能因?yàn)镾i與GaN之間有0.5 V的異質(zhì)勢壘而使開啟電壓升高以及晶體完整性差造成p型摻雜效率低，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大，還有Si吸收可見光會(huì)降低LED的外量子效率。因此，針對上述問題，深入研究和采用了發(fā)光層位錯(cuò)密度控制技術(shù)、化學(xué)剝離襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)、高可靠性高反光特性的p型GaN歐姆電極制備技術(shù)及鍵合技術(shù)、高出光效率的外延材料表面粗化技術(shù)、襯底圖形化技術(shù)、優(yōu)化的垂直結(jié)構(gòu)芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，在大量的試驗(yàn)和探索中，解決了許多技術(shù)難題，最終成功制備出尺寸1 mm×1 mm，350 mA下光輸出功率大于380 mW、發(fā)光波長451 nm、工作電壓3.2 V的藍(lán)色發(fā)光芯片，完成課題規(guī)定的指標(biāo)。采用的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)創(chuàng)新性有以下幾個(gè)方面。

(1)采用多種在線控制技術(shù)，降低了外延材料中的刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)，改善了Si與GaN兩者之間的熱失配和晶格失配，解決了GaN單晶膜的龜裂問題，獲得了厚度大于4 μm的無裂紋GaN外延膜。

(2)通過引入AIN，AlGaN多層緩沖層，大大緩解了Si襯底上外延GaN材料的應(yīng)力，提高了晶體質(zhì)量，從而提高了發(fā)光效率。

(3)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)n-GaN層中Si濃度結(jié)構(gòu)及量子阱／壘之間的界面生長條件，減小了芯片的反向漏電流并提高了芯片的抗靜電性能。

(4)通過調(diào)節(jié)p型層鎂濃度結(jié)構(gòu)，降低了器件的工作電壓；通過優(yōu)化p型GaN的厚度，改善了芯片的取光效率。

(5)通過優(yōu)化外延層結(jié)構(gòu)及摻雜分布，減小串聯(lián)電阻，降低工作電壓，減少熱產(chǎn)生率，提升了LED的工作效率并改善器件的可靠性。

(6)采用多層金屬結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼顧歐姆接觸、反光特性、粘接特性和可靠性，優(yōu)化焊接技術(shù)，解決了銀反射鏡與p-GaN粘附不牢且接觸電阻大的問題。

(7)優(yōu)選了多種焊接金屬，優(yōu)化焊接條件，成功獲得了GaN薄膜和導(dǎo)電Si基板之間的牢固結(jié)合，解決了該過程中產(chǎn)生的裂紋問題。

(8)通過濕法和干法相結(jié)合的表面粗化，減少了內(nèi)部全反射和波導(dǎo)效應(yīng)引起的光損失，提高LED的外量子效率，使器件獲得了較高的出光效率。

(9)解決了GaN表面粗化深度不夠且粗化不均勻的問題，解決了粗化表面清洗不干凈的難題并優(yōu)化了N電極的金屬結(jié)構(gòu)，在粗化的N極性n-GaN表面獲得了低阻且穩(wěn)定的歐姆接觸。

2 Si襯底LED封裝技術(shù)

2.1? 技術(shù)路線

采用藍(lán)光LED激發(fā)YAG／硅酸鹽／氮氧化物多基色體系熒光粉，發(fā)射黃、綠、紅光，合成白光的技術(shù)路線。

工藝流程：在金屬支架／陶瓷支架上裝配藍(lán)光LED芯片(導(dǎo)電膠粘結(jié)工藝)→鍵合(金絲球焊工藝)→熒光膠涂覆(自動(dòng)化圖形點(diǎn)膠／自動(dòng)噴射工藝)→Si膠封裝(模具灌膠工藝)→切筋→測試→包裝。

2.2? 主要封裝工藝

Si襯底的功率型GaN基LED封裝采用仿流明的支架封裝形式，其外形有朗柏型、矩形和雙翼型。其制作過程為：使用導(dǎo)熱系數(shù)較高的194合金金屬支架，先將LED芯片粘接在金屬支架的反光杯底部，再通過鍵合工藝將金屬引線連接LED芯片與金屬支架電極，完成電氣連接，最后用有機(jī)封裝材料(如Si膠)覆蓋芯片和電極引線，形成封裝保護(hù)和光學(xué)通道。這種封裝對于取光效率、散熱性能、加大工作電流密度的設(shè)計(jì)都是最佳的。其主要特點(diǎn)包括：熱阻低(小于10 ℃／W)，可靠性高，封裝內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體，在-40～120℃范圍，不會(huì)因溫度驟變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使金絲與支架斷開，并防止有機(jī)封裝材料變黃，引線框架也不會(huì)因氧化而沾污；優(yōu)化的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使光學(xué)效率、外量子效率性能優(yōu)異，其結(jié)構(gòu)見圖2。



2.3? 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新性

功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發(fā)光效率、發(fā)光波長、使用壽命等，現(xiàn)有的Si襯底的功率型GaN基LED芯片設(shè)計(jì)采用了垂直結(jié)構(gòu)來提高芯片的取光效率，改善了芯片的熱特性，同時(shí)通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率，從而獲得較高的光通量，也因此給功率型LED的封裝設(shè)計(jì)、制造技術(shù)帶來新的課題。功率LED封裝重點(diǎn)是采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題。為達(dá)到封裝技術(shù)要求，在大量的試驗(yàn)和探索中，分析解決相關(guān)技術(shù)問題，采用的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新性有以下幾點(diǎn)。

(1)通過設(shè)計(jì)新型陶瓷封裝結(jié)構(gòu)，減少了全反射，使器件獲得高取光效率和合適的光學(xué)空間分布。

(2)采用電熱隔離封裝結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的熱沉設(shè)計(jì)，以適合薄膜芯片的封裝要求。

(3)采用高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬支架，選用導(dǎo)熱導(dǎo)電膠粘結(jié)芯片，獲得低熱阻的良好散熱通道，使產(chǎn)品光衰≤5％(1 000 h)。

(4)采用高效、高精度的熒光膠配比及噴涂工藝，保證了產(chǎn)品光色參數(shù)可控和一致性。

(5)多層復(fù)合封裝，降低了封裝應(yīng)力，實(shí)施SSB鍵合工藝和多段固化制程，提高了產(chǎn)品的可靠性。

(6)裝配保護(hù)二極管，使產(chǎn)品ESD靜電防護(hù)提高到8 000 V。

3? 產(chǎn)品測試結(jié)果

3.1? Si襯底LED芯片

通過優(yōu)化Si襯底表面的處理和緩沖層結(jié)構(gòu)，成功生長出可用于大功率芯片的外延材料。采用Pt電極作為反射鏡，成功實(shí)現(xiàn)大功率芯片的薄膜轉(zhuǎn)移。采用銀作為反射鏡，大大提高了反射效率，通過改進(jìn)反射鏡的設(shè)計(jì)并引入粗化技術(shù)，提高了光輸出功率。改進(jìn)了Ag反射鏡蒸鍍前p型GaN表面的清洗工藝和晶片焊接工藝，改善了銀反射鏡的歐姆接觸，量子阱前引入緩沖結(jié)構(gòu)，提高了芯片發(fā)光效率，優(yōu)化量子阱／壘界面生長工藝，發(fā)光效率進(jìn)一步提高，通過改進(jìn)焊接技術(shù)，減少了襯底轉(zhuǎn)移過程中芯片裂紋問題，芯片制備的良率大幅度提高，且可靠性獲得改善。通過上述多項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用和改進(jìn)，成功制備出尺寸1 mm×1 mm，350 mA下光輸出功率大于380 mW的藍(lán)色發(fā)光芯片，發(fā)光波長451 nm，工作電壓3.2 V，完成課題規(guī)定的指標(biāo)。表1為芯片光電性能參數(shù)測試結(jié)果。


注：測試條件為350 mA直流，Ta=25℃恒溫。

3.2 Si襯底LED封裝

根據(jù)LED的光學(xué)結(jié)構(gòu)及芯片、封裝材料的性能，建立了光學(xué)設(shè)計(jì)模型和軟件仿真手段，優(yōu)化了封裝的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過封裝工藝技術(shù)改進(jìn)，減少了光的全反射，提高了產(chǎn)品的取光效率。改進(jìn)導(dǎo)電膠的點(diǎn)膠工藝方式，并對裝片設(shè)備工裝結(jié)構(gòu)與精度進(jìn)行了改進(jìn)，采用電熱隔離封裝結(jié)構(gòu)和優(yōu)化的熱沉設(shè)計(jì)，降低了器件熱阻，提高了產(chǎn)品散熱性能。采用等離子清洗工藝，改善了LED封裝界面結(jié)合及可靠性。針對照明應(yīng)用對光源的光色特性的不同要求，研究暖白、日光白、冷白光LED顏色的影響因素：芯片參數(shù)、熒光粉性能、配方、用量，并通過改進(jìn)熒光膠涂覆工藝，提高了功率LED光色參數(shù)的控制能力，生產(chǎn)出與照明色域規(guī)范對檔的產(chǎn)品。藍(lán)光和白光LED封裝測試結(jié)果見表2。表中：φ為光通量；K為光效；P為光功率；R為熱阻；μ為光衰；I為飽和電流。



4? 結(jié)語

Si襯底的GaN基LED制造技術(shù)是國際上第三條LED制造技術(shù)路線，是LED三大原創(chuàng)技術(shù)之一，與前兩條技術(shù)路線相比，具有四大優(yōu)勢：第一，具有原創(chuàng)技術(shù)產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品可銷往國際市場，不受國際專利限制。第二，具有優(yōu)良的性能，產(chǎn)品抗靜電性能好，壽命長，可承受的電流密度高。第三，器件封裝工藝簡單，芯片為上下電極，單引線垂直結(jié)構(gòu)，在器件封裝時(shí)只需單電極引線，簡化了封裝工藝，節(jié)約了封裝成本。第四，由于Si襯底比前兩種技術(shù)路線使用的藍(lán)寶石和SiC價(jià)格便宜得多，而且將來生產(chǎn)效率更高，因此成本低廉。經(jīng)過三年的科技攻關(guān)，課題申請發(fā)明專利12項(xiàng)、實(shí)用新型專利7項(xiàng)，該技術(shù)成功突破了美國、日本多年在半導(dǎo)體發(fā)光芯片(LED)方面的專利技術(shù)壁壘，打破了目前日本日亞公司壟斷藍(lán)寶石襯底和美國CREE公司壟斷SiC襯底半導(dǎo)體照明技術(shù)的局面，形成了藍(lán)寶石、SiC、Si襯底半導(dǎo)體照明技術(shù)方案三足鼎立的局面。因此采用Si襯底GaN的LED產(chǎn)品的推出，對于促進(jìn)我國擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的半導(dǎo)體LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重大意義。