硅襯�LED芯片是GaN基在硅襯底上制造的一�LED芯片�硅襯底LED芯片問世不久,但是在硬度、導(dǎo)電�、導(dǎo)熱�、價格及加工工藝上已�(jīng)相較傳統(tǒng)的LED芯片有了明顯的優(yōu)�,受到業(yè)界的廣泛�(guān)��
采用Thomas Swan CCS低壓MOCVD系統(tǒng)�50 mm si(111)襯底上生長GaN基MQW�(jié)�(gòu)。使用三甲基�(TMGa)為Ga源、三甲基�(TMAI)為Al�、三甲基�(TMIn)為In�、氨�(NH3)為N�、硅�(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�、InGaN/GaN多量子阱�(fā)光層、p型AlGaN�、p型GaN�,接著在p面制作Ag反射鏡并形成p型歐姆接�,然后通過熱壓焊方法把外延層轉(zhuǎn)移到�(dǎo)電基板上,再用Si腐蝕液把Si襯底腐蝕去除并暴露n型GaN�,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�(jié)�(gòu)LED芯片的制�。結(jié)�(gòu)圖見�1�
從結(jié)�(gòu)圖中看出,Si襯底芯片為倒裝薄膜�(jié)�(gòu),從下至上依次為背面Au電極、Si基板、粘接金�、金屬反射鏡(p歐姆電極)、GaN外延�、粗化表面和Au電極。這種�(jié)�(gòu)芯片電流垂直分布,襯底熱�(dǎo)率高,可靠性高;發(fā)光層背面為金屬反射鏡,表面有粗化�(jié)�(gòu),取光效率高�
用Si作GaN�(fā)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(shù)差別也將�(dǎo)致GaN膜出�(xiàn)龜裂,晶格常�(shù)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�0.5 V的異�(zhì)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(dǎo)致串�(lián)電阻增大,還有Si吸收可見光會降低LED的外量子效率。因�,針對上述問�,深入研究和采用了發(fā)光層位錯密度控制技�(shù)、化�(xué)剝離襯底�(zhuǎn)移技�(shù)、高可靠性高反光特性的p型GaN歐姆電極制備技�(shù)及鍵合技�(shù)、高出光效率的外延材料表面粗化技�(shù)、襯底圖形化技�(shù)、優(yōu)化的垂直�(jié)�(gòu)芯片�(shè)計技�(shù),在大量的試驗和探索中,解決了許多技�(shù)難題,最終成功制備出尺寸1 mm×1 mm�350 mA下光輸出功率大于380 mW、發(fā)光波�451 nm、工作電�3.2 V的藍色發(fā)光芯片,完成課題�(guī)定的指標。采用的�(guān)鍵技�(shù)及技�(shù)�(chuàng)新性有以下幾個方��
(1)采用多種在線控制技�(shù),降低了外延材料中的刃位錯和螺位�,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4 μm的無裂紋GaN外延��
(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(yīng)�,提高了晶體�(zhì)�,從而提高了�(fā)光效��
(3)通過�(yōu)化設(shè)計n-GaN層中Si濃度�(jié)�(gòu)及量子阱/壘之間的界面生長條�,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�(diào)節(jié)p型層鎂濃度結(jié)�(gòu),降低了器件的工作電壓;通過�(yōu)化p型GaN的厚�,改善了芯片的取光效率�
(5)通過�(yōu)化外延層�(jié)�(gòu)及摻雜分�,減小串�(lián)電阻,降低工作電�,減少熱�(chǎn)生率,提升了LED的工作效率并改善器件的可靠��
(6)采用多層金屬�(jié)�(gòu),同時兼顧歐姆接�、反光特�、粘接特性和可靠�,優(yōu)化焊接技�(shù),解決了銀反射鏡與p-GaN粘附不牢且接觸電阻大的問題�
(7)�(yōu)選了多種焊接金屬,優(yōu)化焊接條�,成功獲得了GaN薄膜和導(dǎo)電Si基板之間的牢固結(jié)�,解決了該過程中�(chǎn)生的裂紋問題�
(8)通過濕法和干法相�(jié)合的表面粗化,減少了�(nèi)部全反射和波�(dǎo)效應(yīng)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�(yōu)化了N電極的金屬結(jié)�(gòu),在粗化的N極性n-GaN表面獲得了低阻且�(wěn)定的歐姆接觸�
2.1 技�(shù)路線
采用藍光LED激�(fā)YAG/硅酸鹽/氮氧化物多基色體系熒光�,發(fā)射黃、綠、紅�,合成白光的技�(shù)路線�
工藝流程:在金屬支架/陶瓷支架上裝配藍光LED芯片(�(dǎo)電膠粘結(jié)工藝)→鍵�(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�(模具灌膠工藝)→切筋→測試→包��
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�(dǎo)熱系�(shù)較高�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�,完成電氣連接,用有機封裝材料(如Si�)覆蓋芯片和電極引�,形成封裝保護和光學(xué)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�(shè)計都是的。其主要特點包括:熱阻低(小于10 ℃/W),可靠性高,封裝內(nèi)部填充穩(wěn)定的柔性膠凝體,在-40�120℃范�,不會因溫度驟變�(chǎn)生的�(nèi)�(yīng)�,使金絲與支架斷�,并防止有機封裝材料變黃,引線框架也不會因氧化而沾�;優(yōu)化的封裝�(jié)�(gòu)�(shè)計使光學(xué)效率、外量子效率性能�(yōu)��
Si襯底的GaN基LED制造技�(shù)是國際上第三條LED制造技�(shù)路線,是LED三大原創(chuàng)技�(shù)之一,與前兩條技�(shù)路線相比,具有四大優(yōu)勢:,具有原�(chuàng)技�(shù)�(chǎn)�(quán),產(chǎn)品可銷往國際市場,不受國際專利限�。第�,具有優(yōu)良的性能,產(chǎn)品抗靜電性能�,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�(jié)�(gòu),在器件封裝時只需單電極引線,簡化了封裝工�,節(jié)約了封裝成本。第�,由于Si襯底比前兩種技�(shù)路線使用的藍寶石和SiC價格便宜得多,而且將來生產(chǎn)效率更高,因此成本低�。經(jīng)過三年的科技攻關(guān),課題申請發(fā)明專�12�、實用新型專�7項,該技�(shù)成功突破了美�、日本多年在半導(dǎo)體發(fā)光芯�(LED)方面的專利技�(shù)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(dǎo)體照明技�(shù)的局�,形成了藍寶�、SiC、Si襯底半導(dǎo)體照明技�(shù)方案三足鼎立的局靀因此采用Si襯底GaN的LED�(chǎn)品的推出,對于促進我國擁有知識產(chǎn)�(quán)的半�(dǎo)體LED照明�(chǎn)�(yè)的發(fā)展有著重大意�.
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