白光LED的发展与大功率垂直LED的设计方法

　　白光LED已经对一般照明市场产生了影响，人们普遍期望它们在这个市场领域的渗透力度将会继续地增加。它在市场中的占有率将由以下三个因素来决定：发光效率、每流明发光强度所需的成本，以及单个LED灯的光强流明数。

　　可同时改进这三个因素的一种方法是提高LED的发光效率，但如是通过增加LED元件的驱动电流来提高其发光效率的话，在提高了光源的输出光强同时也可能会增加了每流明的成本，因为同时也会增加LED的发热量。为了解决这个问题，系统的设计师必须仔细地控制好从元件接面到封装、固定物以及周围环境的热量流。

　　运用金属晶圆接合方法可以将一个磊晶结构晶圆接合到另一个基板上，这样就可以提高LED中热量的散发速率。在采用这一方法时，LED将会从两方面获益：一是它能通过低热阻的金属接合层将热量快速地传导出去，同时它能还能通过一个低热阻的基板来耗散热量。

　　这种方法不仅能增强氮化物基白光LED的电学性能，而且能增强它的蓝光、红光、橙光、黄光LED的性能，这些类型LED是都用 AlInGaP 族材料制成的。位於奥地利 St. Florian 的 EV Group公司就是采用了这种金属接合制程来进行LEDs的生产，我们参与的工作包括了用於这种生产制程的首台加工设备EVG 560HBL的研发。这款设备由於对压力和温度分布进行了最佳化处理，具有很高的产量，并给出了一个新的产量基准，即对於面积等效於2英寸晶圆来说，这种设备每小时可进行高达176次的接合制程处理。

　　一小段历史…

　　晶圆－晶圆间的接合并不是新事物，早在20-30年前就已经发明这种技术来解决微机电系统（MEMS）元件实现晶圆级“盖帽”问题。晶圆接合技术的先行者们采用的是阳极接合和玻璃粉接合制程来将二个晶圆彼此粘接。然而，这两种老方法正在被具有较低形状因素影响的金属接合制程所取代。

　　金属接合是唯一一种可以满足对低热阻的需求而应用於高亮度LEDs的接合方法。然而，这不是这种接合方法的唯一优势，它还能提升元件的发光效率。这种方法首先是应用於 AlInGaP 基的LED中，其AlInGaP磊晶层是生长在GaAs基板上。假设这种LED元件的自发光发射是各向同性的，那麽所产生发光中的一半将会朝着基板方向传播，而其中大部分的光将被吸收，从而降低了LED元件的总体发光效率。在LED发光区的下方插入一个分散式布拉格（Bragg）反射镜能够阻止射向基板这部分光的损失，但在实际上这仅仅对光某个优化发射方向才是有效的，所以最佳的方法是采用晶圆接合方法，在金属叠层中形成一个反射层。

　　用金属接合方法来制造氮化物基发光二极体（LED）还面临着一些挑战。蓝宝石是制造蓝光和白光LED应用得最为广泛的载体材料，它具有非常令人满意的高透明度特性，但它是一种不良热导体。因此，采用横向设计的大功率LED不易耗散其热量，并且运行时的发热现象会降低LED元件的性能。为了解决这个问题，一些LED制造商已经开发出垂直LED的设计方法，采用具有更高热导率的载体材料来取代蓝宝石。

　　在采用这种设计时，可省略在横向LED中形成n型接触所必需的蚀刻制程步骤，从而简化整个制造技术。另外，垂直LED结构还会产生一个垂直方向的电流通路，它可以降低正向偏置电压，并且可消除其他LED设计中常见的电流集中拥挤问题。此外垂直设计还有其他方面的优点：引入金属接合层保证了所有发光都可从LED的顶端出射；并且对於不同晶片尺寸，垂直LED设计都可以采用相同的制程流程，所以也可使其制造过程得到简化。

　　所有垂直LED的制程流程的开始点均是用金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）方法在衬底上淀积一个磊晶层，随後某些工程师会着手进行LED晶片的图形化，而另一些工程师则可能着手用晶圆接合的方法来实现薄层间的粘接。决定采用何种顺序来完成不同制程步骤主要由随後制程的本质特性所决定，它们是用来消除在生长基板和个体设计间所存在的差异性。

　　AlInGaP LEDs的制造商倾向於在图形化之前先进行全面积晶园接合，因为这种制程不会引入应变，并且基板层可用研磨和化学方法来去除掉。然而，在氮化物基LEDs的制造上会更为复杂些，在采用目前广泛使用的镭射剥离技术来将蓝宝石层从磊晶薄层上进行分离时，在单个或多个晶片区域会产生应变。这种应变源於介面GaN层在高能紫外线辐射作用所触发的分解效应所致，它会在功能层中产生裂纹，从而会影响其良品率，但这可以通过预先构造好的晶片结构来对这个应变区域进行限制，来解决这个问题。