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硅衬底LED芯片首要制作工艺

作者:环亚ag88时间:2018-08-15 12:29浏览:

  硅衬底LED芯片首要制作工艺

  1993年世界上榜首只GaN基蓝色led面世以来,LED制作技能的开展令人瞩目。现在世界上商品化的GaN基LED均是在蓝宝石衬底或SiC衬底上制作的。但蓝宝石因为硬度高、导电性和导热性差等原因,对后期器材加工和运用带来许多不方便,SiC相同存在硬度高且本钱贵重的不足之处,而价格相对廉价的Si衬底因为有着优秀的导热导电功能和成熟的器材加工工艺等优势,因而Si衬底GaN基LED制作技能遭到业界的遍及重视。

  现在日本日亚公司独占了蓝宝石衬底上GaN基LED专利技能,美国CREE公司独占了SiC衬底上GaN基LED专利技能。因而,研制其他衬底上的GaN基LED出产技能成为世界上的一个热门。南昌大学与厦门华联电子有限公司协作承当了国家863计划项目“依据Si衬底的功率型GaN基LED制作技能”,通过近三年的研制开发,现在已通过科技部项目检验。

  1、Si衬底LED芯片制作

  1.1技能道路

  在Si衬底上成长GaN,制作LED蓝光芯片。

  工艺流程:在Si衬底上成长AlN缓冲层→成长n型GaN→成长InGaN/GaN多量子阱发光层→成长p型AIGaN层→成长p型GaN层→键合带Ag反光层并构成p型欧姆触摸电极→剥离衬底并去除缓冲层→制作n型掺si层的欧姆触摸电极→合金→钝化→划片→测验→包装。

  1.2首要制作工艺

  选用ThomasSwanCCS低压MOCVD系统在50mmsi(111)衬底上成长GaN基MQW结构。运用三甲基镓(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)别离用作n型和p型掺杂剂。首先在Si(111)衬底上外延成长AlN缓冲层,然后顺次成长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反射镜并构成p型欧姆触摸,然后通过热压焊办法把外延层搬运到导电基板上,再用Si腐蚀液把Si衬底腐蚀去除并露出n型GaN层,运用碱腐蚀液对n型面粗化后再构成n型欧姆触摸,这样就完结了笔直结构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,从下至上顺次为反面Au电极、Si基板、粘接金属、金属反射镜(p欧姆电极)、GaN外延层、粗化外表和Au电极。这种结构芯片电流笔直散布,衬底热导率高,可靠性高;发光层反面为金属反射镜,外表有粗化结构,取光功率高。

  1.3关键技能及立异性

  用Si作GaN发光二极管衬底,尽管使LED的制作本钱大大下降,也处理了专利独占问题,然而与蓝宝石和SiC比较,在Si衬底上成长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的热膨胀系数不同也将导致GaN膜呈现龟裂,晶格常数差会在GaN外延层中构成高的位错密度;别的Si衬底LED还可能因为Si与GaN之间有0.5V的异质势垒而使敞开电压升高以及晶体完整性差构成p型掺杂功率低,导致串联电阻增大,还有Si吸收可见光会下降LED的外量子功率。因而,针对上述问题,深入研讨和选用了发光层位错密度操控技能、化学剥离衬底搬运技能、高可靠性高反光特性的p型GaN欧姆电极制备技能及键合技能、高出光功率的外延资料外表粗化技能、衬底图形化技能、优化的笔直结构芯片规划技能,在很多的实验和探究中,处理了许多技能难题,终究成功制备出尺度1mm×1mm,350mA下光输出功率大于380mW、发光波长451nm、作业电压3.2V的蓝色发光芯片,完结课题规则的目标。选用的关键技能及技能立异性有以下几个方面。

  (1)选用多种在线操控技能,下降了外延资猜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,处理了GaN单晶膜的龟裂问题,取得了厚度大于4μm的无裂纹GaN外延膜。

  (2)通过引进AIN,AlGaN多层缓冲层,大大缓解了Si衬底上外延GaN资料的应力,进步了晶体质量,然后进步了发光功率。

  (3)通过优化规划n-GaN层中Si浓度结构及量子阱/垒之间的界面成长条件,减小了芯片的反向漏电流并进步了芯片的抗静电功能。

  (4)通过调理p型层镁浓度结构,下降了器材的作业电压;通过优化p型GaN的厚度,改善了芯片的取光功率。

  (5)通过优化外延层结构及掺杂散布,减小串联电阻,下降作业电压,削减热发生率,提升了LED的作业功率并改善器材的可靠性。

  (6)选用多层金属结构,一起统筹欧姆触摸、反光特性、粘接特性和可靠性,优化焊接技能,处理了银反射镜与p-GaN粘附不牢且触摸电阻大的问题。

  (7)优选了多种焊接金属,优化焊接条件,成功取得了GaN薄膜和导电Si基板之间的结实结合,处理了该进程中发生的裂纹问题。

  (8)通过湿法和干法相结合的外表粗化,削减了内部全反射和波导效应引起的光丢失,进步LED的外量子功率,使器材取得了较高的出光功率。

  (9)处理了GaN外表粗化深度不行且粗化不均匀的问题,处理了粗化外表清洗不洁净的难题并优化了N电极的金属结构,在粗化的N极性n-GaN外表取得了低阻且安稳的欧姆触摸。

  2、Si衬底LED封装技能

  2.1技能道路

  选用蓝光LED激起YAG/硅酸盐/氮氧化物多基色系统荧光粉,发射黄、绿、红光,组成白光的技能道路。

  工艺流程:在金属支架/陶瓷支架上安装蓝光LED芯片(导电胶粘结工艺)→键合(金丝球焊工艺)→荧光胶涂覆(主动化图形点胶/主动喷发工艺)→Si胶封装(模具灌胶工艺)→切筋→测验→包装。

  2.2首要封装工艺

  Si衬底的功率型GaN基LED封装选用仿流明的支架封装方法,其外形有朗柏型、矩形和双翼型。其制作进程为:运用导热系数较高的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衔接LED芯片与金属支架电极,完结电气衔接,最后用有机封装资料(如Si胶)掩盖芯片和电极引线,构成封装维护和光学通道。这种封装关于取光功率、散热功能、加大作业电流密度的规划都是最佳的。其首要特色包含:热阻低(小于10℃/W),可靠性高,封装内部填充安稳的柔性胶凝体,在-40~120℃规模,不会因温度突变发生的内应力,使金丝与支架断开,并避免有机封装资料变黄,引线结构也不会因氧化而沾污;优化的封装结构规划使光学功率、外量子功率功能优异,其结构见图2.

  

  2.3关键技能及立异性

  功率型LED的热特性直接影响到LED的作业温度、发光功率、发光波长、运用寿命等,现有的Si衬底的功率型GaN基LED芯片规划选用了笔直结构来进步芯片的取光功率,改善了芯片的热特性,一起通过增大芯片面积,加大作业电流来进步器材的光电变换功率,然后取得较高的光通量,也因而给功率型LED的封装规划、制作技能带来新的课题。功率LED封装重点是选用有用的散热与不劣化的封装资料处理光衰问题。为到达封装技能要求,在很多的实验和探究中,剖析处理相关技能问题,选用的关键技能和立异性有以下几点。

  (1)通过规划新式陶瓷封装结构,削减了全反射,使器材取得高取光功率和适宜的光学空间散布。

  (2)选用电热阻隔封装结构和优化的热沉规划,以合适薄膜芯片的封装要求。

  (3)选用高导热系数的金属支架,选用导热导电胶粘结芯片,取得低热阻的杰出散热通道,使产品光衰≤5%(1000h)。

  (4)选用高效、高精度的荧光胶配等到喷涂工艺,确保了产品光色参数可控和一致性。

  (5)多层复合封装,下降了封装应力,施行SSB键合工艺和多段固化制程,进步了产品的可靠性。

  (6)安装维护二极管,使产品ESD静电防护进步到8000V.

  3、产品测验成果

  3.1Si衬底LED芯片

  通过优化Si衬底外表的处理和缓冲层结构,成功成长出可用于大功率芯片的外延资料。选用Pt电极作为反射镜,成功完结大功率芯片的薄膜搬运。选用银作为反射镜,大大进步了反射功率,通过改善反射镜的规划并引进粗化技能,进步了光输出功率。改善了Ag反射镜蒸镀前p型GaN外表的清洗工艺和晶片焊接工艺,改善了银反射镜的欧姆触摸,量子阱前引进缓冲结构,进步了芯片发光功率,优化量子阱/垒界面成长工艺,发光功率进一步进步,通过改善焊接技能,削减了衬底搬运进程中芯片裂纹问题,芯片制备的良率大幅度进步,且可靠性取得改善。通过上述多项技能的运用和改善,成功制备出尺度1mm×1mm,350mA下光输出功率大于380mW的蓝色发光芯片,发光波长451nm,作业电压3.2V,完结课题规则的目标。表1为芯片光电功能参数测验成果。

  

  注:测验条件为350mA直流,Ta=25℃恒温。

  3.2Si衬底LED封装

  依据LED的光学结构及芯片、封装资料的功能,建立了光学规划模型和软件仿真手法,优化了封装的光学结构规划。通过封装工艺技能改善,削减了光的全反射,进步了产品的取光功率。改善导电胶的点胶工艺方法,并对装片设备工装结构与精度进行了改善,选用电热阻隔封装结构和优化的热沉规划,下降了器材热阻,进步了产品散热功能。选用等离子清洗工艺,改善了LED封装界面结合及可靠性。针对照明运用对光源的光色特性的不同要求,研讨暖白、日光白、冷白光LED色彩的影响要素:芯片参数、荧光粉功能、配方、用量,并通过改善荧光胶涂覆工艺,进步了功率LED光色参数的操控能力,出产出与照明色域标准对档的产品。蓝光和白光LED封装测验成果见表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制作技能是世界上第三条LED制作技能道路,是LED三大原创技能之一,与前两条技能道路比较,具有四大优势:榜首,具有原创技能产权,产品可销往世界市场,不受世界专利约束。第二,具有优秀的功能,产品抗静电功能好,寿命长,·LED职业堕入“连环债”窘境?,可接受的电流密度高。第三,器材封装工艺简略,芯片为上下电极,单引线笔直结构,在器材封装时只需单电极引线,简化了封装工艺,节省了封装本钱。第四,因为Si衬底比前两种技能道路运用的蓝宝石和SiC价格廉价得多,并且将来出产功率更高,因而本钱低价。通过三年的科技攻关,课题请求发明专利12项、实用新式专利7项,该技能成功突破了美国、日本多年在半导体发光芯片(LED)方面的专利技能壁垒,打破了现在日本日亚公司独占蓝宝石衬底和美国CREE公司独占SiC衬底半导体照明技能的局势,构成了蓝宝石、SiC、Si衬底半导体照明技能计划鼎足之势的局势。因而选用Si衬底GaN的LED产品的推出,关于促进我国具有知识产权的半导体LED照明工业的开展有着重大意义。

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