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    中山萬盛展覽公司

    硅襯底燈飾LED芯片主要制造工藝解析

      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很多不便,SiC同樣存在硬度高且成本昂貴的不足之處,而價格相對便宜的Si襯底由于有著優良的導熱導電性能和成熟的器件加工工藝等優勢,因此Si襯底GaN基LED制造技術受到業界的普遍關注。

            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“基于Si襯底的功率型GaN基LED制造技術”,經過近三年的研制開發,目前已通過科技部項目驗收。

            1、Si襯底LED芯片制造

            1.1技術路線

            在Si襯底上生長GaN,制作LED藍光芯片。

            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ThomasSwanCCS低壓MOCVD系統在50mmsi(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、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。

            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的熱膨脹系數差別也將導致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0.5V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,深入研究和采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歐姆電極制備技術及鍵合技術、高出光效率的外延材料表面粗化技術、襯底圖形化技術、優化的垂直結構芯片設計技術,在大量的試驗和探索中,解決了許多技術難題,最終成功制備出尺寸1mm×1mm,350mA下光輸出功率大于380mW、發光波長451nm、工作電壓3.2V的藍色發光芯片,完成課題規定的指標。采用的關鍵技術及技術創新性有以下幾個方面。

            (1)采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,獲得了厚度大于4μm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,減小了芯片的反向漏電流并提高了芯片的抗靜電性能。

            (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,改善了芯片的取光效率。

            (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的工作效率并改善器件的可靠性。

            (6)采用多層金屬結構,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題,解決了粗化表面清洗不干凈的難題并優化了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

            采用藍光LED激發YAG/硅酸鹽/氮氧化物多基色體系熒光粉,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芯片(導電膠粘結工藝)→鍵合(金絲球焊工藝)→熒光膠涂覆(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,最后用有機封裝材料(如Si膠)覆蓋芯片和電極引線,形成封裝保護和光學通道。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,不會因溫度驟變產生的內應力,使金絲與支架斷開,并防止有機封裝材料變黃,引線框架也不會因氧化而沾污;優化的封裝結構設計使光學效率、外量子效率性能優異。

           2.3關鍵技術及創新性

            功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發光效率、發光波長、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提高芯片的取光效率,改善了芯片的熱特性,同時通過增大芯片面積,加大工作電流來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、制造技術帶來新的課題。功率LED封裝重點是采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題。為達到封裝技術要求,在大量的試驗和探索中,分析解決相關技術問題,采用的關鍵技術和創新性有以下幾點。

            (1)通過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空間分布。

            (2)采用電熱隔離封裝結構和優化的熱沉設計,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,使產品光衰≤5%(1000h)。

            (4)采用高效、高精度的熒光膠配比及噴涂工藝,保證了產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,實施SSB鍵合工藝和多段固化制程,提高了產品的可靠性。

            (6)裝配保護二極管,使產品ESD靜電防護提高到8000V。

            3、產品測試結果

            3.1Si襯底LED芯片

            通過優化Si襯底表面的處理和緩沖層結構,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,成功實現大功率芯片的薄膜轉移。采用銀作為反射鏡,大大提高了反射效率,通過改進反射鏡的設計并引入粗化技術,提高了光輸出功率。改進了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構,提高了芯片發光效率,優化量子阱/壘界面生長工藝,發光效率進一步提高,通過改進焊接技術,減少了襯底轉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。通過上述多項技術的應用和改進,成功制備出尺寸1mm×1mm,350mA下光輸出功率大于380mW的藍色發光芯片,發光波長451nm,工作電壓3.2V,完成課題規定的指標。

            注:測試條件為350mA直流,Ta=25℃恒溫。

            3.2Si襯底LED封裝

            根據LED的光學結構及芯片、封裝材料的性能,建立了光學設計模型和軟件仿真手段,優化了封裝的光學結構設計。通過封裝工藝技術改進,減少了光的全反射,提高了產品的取光效率。改進導電膠的點膠工藝方式,并對裝片設備工裝結構與精度進行了改進,采用電熱隔離封裝結構和優化的熱沉設計,降低了器件熱阻,提高了產品散熱性能。采用等離子清洗工藝,改善了LED封裝界面結合及可靠性。針對照明應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、熒光粉性能、配方、用量,并通過改進熒光膠涂覆工藝,提高了功率LED光色參數的控制能力,生產出與照明色域規范對檔的產品。

            4、結語

            Si襯底的GaN基LED制造技術是國際上第三條LED制造技術路線,是LED三大原創技術之一,與前兩條技術路線相比,具有四大優勢:

            第一,具有原創技術產權,產品可銷往國際市場,不受國際專利限制;

            第二,具有優良的性能,產品抗靜電性能好,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,單引線垂直結構,在器件封裝時只需單電極引線,簡化了封裝工藝,節約了封裝成本;

            第四,由于Si襯底比前兩種技術路線使用的藍寶石和SiC價格便宜得多,而且將來生產效率更高,因此成本低廉。

            經過三年的科技攻關,課題申請發明專利12項、實用新型專利7項,該技術成功突破了美國、日本多年在半導體發光芯片(LED)方面的專利技術壁壘,打破了目前日本日亞公司壟斷藍寶石襯底和美國CREE公司壟斷SiC襯底半導體照明技術的局面,形成了藍寶石、SiC、Si襯底半導體照明技術方案三足鼎立的局面。因此采用Si襯底GaN的LED產品的推出,對于促進我國擁有知識產權的半導體LED照明產業的發展有著重大意義。


    展會資訊更新時間:2013-07-13

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