Si襯底設計的功率型GaN基LED制造技術(shù)

目前日本日亞公司壟斷了藍寶石襯底上GaN基LED專(zhuān)利技術(shù)，美國CREE公司壟斷了SiC襯底上GaN基LED專(zhuān)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(mén)華聯(lián)電子有限公司合作承擔了國家863計劃項目“基于Si襯底的功率型GaN基LED制造技術(shù)”，經(jīng)過(guò)近三年的研制開(kāi)發(fā)，目前已通過(guò)科技部項目驗收。

1993年世界上第一只GaN基藍色LED問(wèn)世以來(lái)，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均是在藍寶石襯底或SiC襯底上制造的。但藍寶石由于硬度高、導電性和導熱性差等原因，對后期器件加工和應用帶來(lái)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(zhù)優(yōu)良的導熱導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(xiàn)

在Si襯底上生長(cháng)GaN，制作LED藍光芯片。

工藝流程：在Si襯底上生長(cháng)AlN緩沖層→生長(cháng)n型GaN→生長(cháng)InGaN／GaN多量子阱發(fā)光層→生長(cháng)p型AIGaN層→生長(cháng)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系統在50 mm si(111)襯底上生長(cháng)GaN基MQW結構。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(cháng)AlN緩沖層，然后依次生長(cháng)n型GaN層、InGaN／GaN多量子阱發(fā)光層、p型AlGaN層、p型GaN層，接著(zhù)在p面制作Ag反射鏡并形成p型歐姆接觸，然后通過(guò)熱壓焊方法把外延層轉移到導電基板上，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構LED芯片的制作。結構圖見(jiàn)圖1。



從結構圖中看出，Si襯底芯片為倒裝薄膜結構，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。這種結構芯片電流垂直分布，襯底熱導率高，可靠性高；發(fā)光層背面為金屬反射鏡，表面有粗化結構，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(zhuān)利壟斷問(wèn)題，然而與藍寶石和SiC相比，在Si襯底上生長(cháng)GaN更為困難，因為這兩者之間的熱失配和晶格失配更大，Si與GaN的熱膨脹系數差別也將導致GaN膜出現龜裂，晶格常數差會(huì )在GaN外延層中造成高的位錯密度；另外Si襯底LED還可能因為Si與GaN之間有0.5 V的異質(zhì)勢壘而使開(kāi)啟電壓升高以及晶體完整性差造成p型摻雜效率低，導致串聯(lián)電阻增大，還有Si吸收可見(jiàn)光會(huì )降低LED的外量子效率。因此，針對上述問(wèn)題，深入研究和采用了發(fā)光層位錯密度控制技術(shù)、化學(xué)剝離襯底轉移技術(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)化的垂直結構芯片設計技術(shù)，在大量的試驗和探索中，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(cháng)451 nm、工作電壓3.2 V的藍色發(fā)光芯片，完成課題規定的指標。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(xiàn)控制技術(shù)，降低了外延材料中的刃位錯和螺位錯，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(wèn)題，獲得了厚度大于4 μm的無(wú)裂紋GaN外延膜。

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

(3)通過(guò)優(yōu)化設計n-GaN層中Si濃度結構及量子阱／壘之間的界面生長(cháng)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(guò)調節p型層鎂濃度結構，降低了器件的工作電壓；通過(guò)優(yōu)化p型GaN的厚度，改善了芯片的取光效率。

(5)通過(guò)優(yōu)化外延層結構及摻雜分布，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)采用多層金屬結構，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(wèn)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薄膜和導電Si基板之間的牢固結合，解決了該過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋問(wèn)題。

(8)通過(guò)濕法和干法相結合的表面粗化，減少了內部全反射和波導效應引起的光損失，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(wèn)題，解決了粗化表面清洗不干凈的難題并優(yōu)化了N電極的金屬結構，在粗化的N極性n-GaN表面獲得了低阻且穩定的歐姆接觸。

2 Si襯底LED封裝技術(shù)

2.1 技術(shù)路線(xiàn)

采用藍光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(xiàn)。

工藝流程：在金屬支架／陶瓷支架上裝配藍光LED芯片(導電膠粘結工藝)→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(guò)程為：使用導熱系數較高的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(guò)鍵合工藝將金屬引線(xiàn)連接LED芯片與金屬支架電極，完成電氣連接，最后用有機封裝材料(如Si膠)覆蓋芯片和電極引線(xiàn)，形成封裝保護和光學(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計都是最佳的。其主要特點(diǎn)包括：熱阻低(小于10 ℃／W)，可靠性高，封裝內部填充穩定的柔性膠凝體，在-40～120℃范圍，不會(huì )因溫度驟變產(chǎn)生的內應力，使金絲與支架斷開(kāi)，并防止有機封裝材料變黃，引線(xiàn)框架也不會(huì )因氧化而沾污；優(yōu)化的封裝結構設計使光學(xué)效率、外量子效率性能優(yōu)異，其結構見(jiàn)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(cháng)、使用壽命等，現有的Si襯底的功率型GaN基LED芯片設計采用了垂直結構來(lái)提高芯片的取光效率，改善了芯片的熱特性，同時(shí)通過(guò)增大芯片面積，加大工作電流來(lái)提高器件的光電轉換效率，從而獲得較高的光通量，也因此給功率型LED的封裝設計、制造技術(shù)帶來(lái)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(wèn)題。為達到封裝技術(shù)要求，在大量的試驗和探索中，分析解決相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，采用的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng )新性有以下幾點(diǎn)。

(1)通過(guò)設計新型陶瓷封裝結構，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構和優(yōu)化的熱沉設計，以適合薄膜芯片的封裝要求。

(3)采用高導熱系數的金屬支架，選用導熱導電膠粘結芯片，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)品光色參數可控和一致性。

(5)多層復合封裝，降低了封裝應力，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)裝配保護二極管，使產(chǎn)品ESD靜電防護提高到8 000 V。

3 產(chǎn)品測試結果

3.1 Si襯底LED芯片

通過(guò)優(yōu)化Si襯底表面的處理和緩沖層結構，成功生長(cháng)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)現大功率芯片的薄膜轉移。采用銀