硅衬底LED芯片简介及主要制造工艺分析

日期:2020-09-12 作者:admin1 浏览: 查看评论 加入收藏

  硅衬底LED芯片简介及主要制造工艺分析。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

  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、led芯片制作流程金属反射镜(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。

  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的异质势垒而使电压升高以及晶体完整性差造成p型效率低,导致电阻增大,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 m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分布,减小电阻,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。

  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、,合成白光的技术线。

  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。

  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。

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