硅衬底LED芯片主要制造工艺

 

　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。

　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。