矽襯底LED晶片簡介及主要製造工藝分析

2020-11-22 電子產品世界

目前日本日亞公司壟斷了藍寶石襯底上GaN基LED專利技術，美國CREE公司壟斷了SiC襯底上 GaN基LED專利技術。因此，研發其他襯底上的GaN基LED生產技術成為國際上的一個熱點。南昌大學與廈門華聯電子有限公司合作承擔了國家863計劃項目「基於Si襯底的功率型GaN基LED製造技術」，經過近三年的研製開發，目前已通過科技部項目驗收。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/167811.htm

　1 Si襯底LED晶片製造

　　1.1 技術路線

　　在Si襯底上生長GaN，製作LED藍光晶片。

　　工藝流程：在Si襯底上生長AlN緩衝層→生長n型GaN→生長InGaN/GaN多量子阱發光層 →生長p型AIGaN層→生長p型GaN層→鍵合帶Ag反光層並形成p型歐姆接觸電極→剝離襯底並去除緩衝層→製作n型摻si層的歐姆接觸電極→合金→鈍化→劃片→測試→包裝。

　　1.2 主要製造工藝

　　採用Thomas Swan CCS低壓MOCVD系統在50 mm si(111)襯底上生長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、矽烷(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緩衝層，然後依次生長n 型GaN層、InGaN/GaN多量子阱發光層、p型AlGaN層、p型GaN層，接著在p面製作Ag反射鏡並形成p型歐姆接觸，然後通過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襯底腐蝕去除並暴露n型GaN層，使用鹼腐蝕液對n型面粗化後再形成n型歐姆接觸，這樣就完成了垂直結構 LED晶片的製作。結構圖見圖1。

　　

　　從結構圖中看出，Si襯底晶片為倒裝薄膜結構，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。這種結構晶片電流垂直分布，襯底熱導率高，可靠性高;發光層背面為金屬反射鏡，表面有粗化結構，取光效率高。

　　1.3 關鍵技術及創新性

　　用Si作GaN發光二極體襯底，雖然使LED的製造成本大大降低，也解決了專利壟斷問題，然而與藍寶石和SiC相比，在Si襯底上生長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的熱膨脹係數差別也將導致GaN膜出現龜裂，晶格常數差會在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，導致串聯電阻增大，還有Si吸收可見光會降低LED的外量子效率。因此，針對上述問題，深入研究和採用了發光層位錯密度控制技術、化學剝離襯底轉移技術、高可靠性高反光特性的p型GaN歐姆電極製備技術及鍵合技術、高出光效率的外延材料表面粗化技術、襯底圖形化技術、優化的垂直結構晶片設計技術，在大量的試驗和探索中，解決了許多技術難題，最終成功製備出尺寸1 mm×1 mm，350 mA下光輸出功率大於380 mW、發光波長451 nm、工作電壓3.2 V的藍色發光晶片，完成課題規定的指標。採用的關鍵技術及技術創新性有以下幾個方面。

　　(1)採用多種在線控制技術，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單晶膜的龜裂問題，獲得了厚度大於4 μm的無裂紋GaN外延膜。

　　(2)通過引入AIN，AlGaN多層緩衝層，大大緩解了Si襯底上外延GaN材料的應力，提高了晶體質量，從而提高了發光效率。

　　(3)通過優化設計n-GaN層中Si濃度結構及量子阱/壘之間的界面生長條件，減小了晶片的反向漏電流並提高了晶片的抗靜電性能。

　　(4)通過調節p型層鎂濃度結構，降低了器件的工作電壓;通過優化p型GaN的厚度，改善了晶片的取光效率。

　　(5)通過優化外延層結構及摻雜分布，減小串聯電阻，降低工作電壓，減少熱產生率，提升了LED的工作效率並改善器件的可靠性。

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

　　(7)優選了多種焊接金屬，優化焊接條件，成功獲得了GaN薄膜和導電Si基板之間的牢固結合，解決了該過程中產生的裂紋問題。

　　(8)通過溼法和幹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題，解決了粗化表面清洗不乾淨的難題並優化了 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

　　2.1 技術路線

　　採用藍光LED激發YAG/矽酸鹽/氮氧化物多基色體系螢光粉，發射黃、綠、紅光，合成白光的技術路線。

　　工藝流程：在金屬支架/陶瓷支架上裝配藍光LED晶片(導電膠粘結工藝)→鍵合(金絲球焊工藝)→ 螢光膠塗覆(自動化圖形點膠/自動噴射工藝)→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封裝採用仿流明的支架封裝形式，其外形有朗柏型、矩形和雙翼型。其製作過程為：使用導熱係數較高的194合金金屬支架，先將LED晶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晶片與金屬支架電極，完成電氣連接，最後用有機封裝材料(如Si膠)覆蓋晶片和電極引線，形成封裝保護和光學通道。這種封裝對於取光效率、散熱性能、加大工作電流密度的設計都是最佳的。其主要特點包括：熱阻低(小於10 ℃/W)，可靠性高，封裝內部填充穩定的柔性膠凝體，在-40～120℃範圍，不會因溫度驟變產生的內應力，使金絲與支架斷開，並防止有機封裝材料變黃，引線框架也不會因氧化而沾汙;優化的封裝結構設計使光學效率、外量子效率性能優異，其結構見圖2。

　　

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