Si衬底设计的功率型GaN基LED制造技术

目前日本日亚公司垄断了蓝宝石衬底上GaN基LED专利技术，美国CREE公司垄断了SiC衬底上GaN基LED专利技术。因此，研发其他衬底上的GaN基LED生产技术成为国际上的一个热点。南昌大学与厦门华联电子有限公司合作承担了国家863计划项目“基于Si衬底的功率型GaN基LED制造技术”，经过近三年的研制开发，目前已通过科技部项目验收。

1993年世界上第一只GaN基蓝色LED问世以来，LED制造技术的发展令人瞩目。目前国际上商品化的GaN基LED均是在蓝宝石衬底或SiC衬底上制造的。但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因，对后期器件加工和应用带来很多不便，SiC同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处，而价格相对便宜的Si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势，因此Si衬底GaN基LED制造技术受到业界的普遍关注。

1  Si衬底LED芯片制造

1.1  技术路线

在Si衬底上生长GaN，制作LED蓝光芯片。

工艺流程：在Si衬底上生长AlN缓冲层→生长n型GaN→生长InGaN／GaN多量子阱发光层→生长p型AIGaN层→生长p型GaN层→键合带Ag反光层并形成p型欧姆接触电极→剥离衬底并去除缓冲层→制作n型掺si层的欧姆接触电极→合金→钝化→划片→测试→包装。

1.2  主要制造工艺

采用Thomas Swan CCS低压MOCVD系统在50 mm si(111)衬底上生长GaN基MQW结构。使用三甲基镓(TMGa)为Ga源、三甲基铝(TMAI)为Al源、三甲基铟(TMIn)为In源、氨气(NH3)为N源、硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别用作n型和p型掺杂剂。首先在Si(111)衬底上外延生长AlN缓冲层，然后依次生长n型GaN层、InGaN／GaN多量子阱发光层、p型AlGaN层、p型GaN层，接着在p面制作Ag反射镜并形成p型欧姆接触，然后通过热压焊方法把外延层转移到导电基板上，再用Si腐蚀液把Si衬底腐蚀去除并暴露n型GaN层，使用碱腐蚀液对n型面粗化后再形成n型欧姆接触，这样就完成了垂直结构LED芯片的制作。结构图见图1。



从结构图中看出，Si衬底芯片为倒装薄膜结构，从下至上依次为背面Au电极、Si基板、粘接金属、金属反射镜(p欧姆电极)、GaN外延层、粗化表面和Au电极。这种结构芯片电流垂直分布，衬底热导率高，可靠性高；发光层背面为金属反射镜，表面有粗化结构，取光效率高。

1.3  关键技术及创新性

用Si作GaN发光二极管衬底，虽然使LED的制造成本大大降低，也解决了专利垄断问题，然而与蓝宝石和SiC相比，在Si衬底上生长GaN更为困难，因为这两者之间的热失配和晶格失配更大，Si与GaN的热膨胀系数差别也将导致GaN膜出现龟裂，晶格常数差会在GaN外延层中造成高的位错密度；另外Si衬底LED还可能因为Si与GaN之间有0.5 V的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成p型掺杂效率低，导致串联电阻增大，还有Si吸收可见光会降低LED的外量子效率。因此，针对上述问题，深入研究和采用了发光层位错密度控制技术、化学剥离衬底转移技术、高可靠性高反光特性的p型GaN欧姆电极制备技术及键合技术、高出光效率的外延材料表面粗化技术、衬底图形化技术、优化的垂直结构芯片设计技术，在大量的试验和探索中，解决了许多技术难题，最终成功制备出尺寸1 mm×1 mm，350 mA下光输出功率大于380 mW、发光波长451 nm、工作电压3.2 V的蓝色发光芯片，完成课题规定的指标。采用的关键技术及技术创新性有以下几个方面。

(1)采用多种在线控制技术，降低了外延材料中的刃位错和螺位错，改善了Si与GaN两者之间的热失配和晶格失配，解决了GaN单晶膜的龟裂问题，获得了厚度大于4 μm的无裂纹GaN外延膜。

(2)通过引入AIN，AlGaN多层缓冲层，大大缓解了Si衬底上外延GaN材料的应力，提高了晶体质量，从而提高了发光效率。

(3)通过优化设计n-GaN层中Si浓度结构及量子阱／垒之间的界面生长条件，减小了芯片的反向漏电流并提高了芯片的抗静电性能。

(4)通过调节p型层镁浓度结构，降低了器件的工作电压；通过优化p型GaN的厚度，改善了芯片的取光效率。

(5)通过优化外延层结构及掺杂分布，减小串联电阻，降低工作电压，减少热产生率，提升了LED的工作效率并改善器件的可靠性。

(6)采用多层金属结构，同时兼顾欧姆接触、反光特性、粘接特性和可靠性，优化焊接技术，解决了银反射镜与p-GaN粘附不牢且接触电阻大的问题。

(7)优选了多种焊接金属，优化焊接条件，成功获得了GaN薄膜和导电Si基板之间的牢固结合，解决了该过程中产生的裂纹问题。

(8)通过湿法和干法相结合的表面粗化，减少了内部全反射和波导效应引起的光损失，提高LED的外量子效率，使器件获得了较高的出光效率。

(9)解决了GaN表面粗化深度不够且粗化不均匀的问题，解决了粗化表面清洗不干净的难题并优化了N电极的金属结构，在粗化的N极性n-GaN表面获得了低阻且稳定的欧姆接触。

2 Si衬底LED封装技术

2.1  技术路线

采用蓝光LED激发YAG／硅酸盐／氮氧化物多基色体系荧光粉，发射黄、绿、红光，合成白光的技术路线。

工艺流程：在金属支架／陶瓷支架上装配蓝光LED芯片(导电胶粘结工艺)→键合(金丝球焊工艺)→荧光胶涂覆(自动化图形点胶／自动喷射工艺)→Si胶封装(模具灌胶工艺)→切筋→测试→包装。

2.2  主要封装工艺

Si衬底的功率型GaN基LED封装采用仿流明的支架封装形式，其外形有朗柏型、矩形和双翼型。其制作过程为：使用导热系数较高的194合金金属支架，先将LED芯片粘接在金属支架的反光杯底部，再通过键合工艺将金属引线连接LED芯片与金属支架电极，完成电气连接，最后用有机封装材料(如Si胶)覆盖芯片和电极引线，形成封装保护和光学通道。这种封装对于取光效率、散热性能、加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点包括：热阻低(小于10 ℃／W)，可靠性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在-40～120℃范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝与支架断开，并防止有机封装材料变黄，引线框架也不会因氧化而沾污；优化的封装结构设计使光学效率、外量子效率性能优异，其结构见图2。



2.3  关键技术及创新性

功率型LED的热特性直接影响到LED的工作温度、发光效率、发光波长、使用寿命等，现有的Si衬底的功率型GaN基LED芯片设计采用了垂直结构来提高芯片的取光效率，改善了芯片的热特性，同时通过增大芯片面积，加大工作电流来提高器件的光电转换效率，从而获得较高的光通量，也因此给功率型LED的封装设计、制造技术带来新的课题。功率LED封装重点是采用有效的散热与不劣化的封装材料解决光衰问题。为达到封装技术要求，在大量的试验和探索中，分析解决相关技术问题，采用的关键技术和创新性有以下几点。

(1)通过设计新型陶瓷封装结构，减少了全反射，使器件获得高取光效率和合适的光学空间分布。

(2)采用电热隔离封装结构和优化的热沉设计，以适合薄膜芯片的封装要求。

(3)采用高导热系数的金属支架，选用导热导电胶粘结芯片，获得低热阻的良好散热通道，使产品光衰≤5％(1 000 h)。

(4)采用高效、高精度的荧光胶配比及喷涂工艺，保证了产品光色参数可控和一致性。

(5)多层复合封装，降低了封装应力，实施SSB键合工艺和多段固化制程，提高了产品的可靠性。

(6)装配保护二极管，使产品ESD静电防护提高到8 000 V。

3  产品测试结果

3.1  Si衬底LED芯片

通过优化Si衬底表面的处理和缓冲层结构，成功生长出可用于大功率芯片的外延材料。采用Pt电极作为反射镜，成功实现大功率芯片的薄膜转移。采用银作为反射镜，大大提高了反射效率，通过改进反射镜的设计并引入粗化技术，提高了光输出功率。改进了Ag反射镜蒸镀前p型GaN表面的清洗工艺和晶片焊接工艺，改善了银反射镜的欧姆接触，量子阱前引入缓冲结构，提高了芯片发光效率，优化量子阱／垒界面生长工艺，发光效率进一步提高，通过改进焊接技术，减少了衬底转移过程中芯片裂纹问题，芯片制备的良率大幅度提高，且可靠性获得改善。通过上述多项技术的应用和改进，成功制备出尺寸1 mm×1 mm，350 mA下光输出功率大于380 mW的蓝色发光芯片，发光波长451 nm，工作电压3.2 V，完成课题规定的指标。表1为芯片光电性能参数测试结果。


注：测试条件为350 mA直流，Ta=25℃恒温。

3.2 Si衬底LED封装

根据LED的光学结构及芯片、封装材料的性能，建立了光学设计模型和软件仿真手段，优化了封装的光学结构设计。通过封装工艺技术改进，减少了光的全反射，提高了产品的取光效率。改进导电胶的点胶工艺方式，并对装片设备工装结构与精度进行了改进，采用电热隔离封装结构和优化的热沉设计，降低了器件热阻，提高了产品散热性能。采用等离子清洗工艺，改善了LED封装界面结合及可靠性。针对照明应用对光源的光色特性的不同要求，研究暖白、日光白、冷白光LED颜色的影响因素：芯片参数、荧光粉性能、配方、用量，并通过改进荧光胶涂覆工艺，提高了功率LED光色参数的控制能力，生产出与照明色域规范对档的产品。蓝光和白光LED封装测试结果见表2。表中：φ为光通量；K为光效；P为光功率；R为热阻；μ为光衰；I为饱和电流。



4  结语

Si衬底的GaN基LED制造技术是国际上第三条LED制造技术路线，是LED三大原创技术之一，与前两条技术路线相比，具有四大优势：第一，具有原创技术产权，产品可销往国际市场，不受国际专利限制。第二，具有优良的性能，产品抗静电性能好，寿命长，可承受的电流密度高。第三，器件封装工艺简单，芯片为上下电极，单引线垂直结构，在器件封装时只需单电极引线，简化了封装工艺，节约了封装成本。第四，由于Si衬底比前两种技术路线使用的蓝宝石和SiC价格便宜得多，而且将来生产效率更高，因此成本低廉。经过三年的科技攻关，课题申请发明专利12项、实用新型专利7项，该技术成功突破了美国、日本多年在半导体发光芯片(LED)方面的专利技术壁垒，打破了目前日本日亚公司垄断蓝宝石衬底和美国CREE公司垄断SiC衬底半导体照明技术的局面，形成了蓝宝石、SiC、Si衬底半导体照明技术方案三足鼎立的局面。因此采用Si衬底GaN的LED产品的推出，对于促进我国拥有知识产权的半导体LED照明产业的发展有着重大意义。