中心議題：

• Si襯底LED芯片製造工藝
• Si襯底LED封裝技術

解決方案：

• 采用多種在線控製技術
• 通過調節p型層鎂濃度結構
• 采用多層金屬結構

1993年世界上第一隻GaN基藍色LED問世以來，LED製造技術的發展令人矚目。目前國際上商品化的GaN基LED均是在藍寶石襯底或SiC襯底上製造的。但藍寶石由於硬度高
、導電性和導熱性差等原因
，對後期器件加工和應用帶來很多不便，SiC同樣存在硬度高且成本昂貴的不足之處，而價格相對便宜的Si襯底由於有著優良的導熱導電性能和成熟的器件加工工藝等優勢
，因此Si襯底GaN基LED製造技術受到業界的普遍關注。

目前日本日亞公司壟斷了藍寶石襯底上GaN基LED專利技術，美國CREE公司壟斷了SiC襯底上GaN基LED專利技術。因此，研發其他襯底上的GaN基LED生產技術成為國際上的一個熱點。南昌大學與廈門華聯電子有限公司合作承擔了國家863計劃項目“基於Si襯底的功率型GaN基LED製造技術”
，經過近三年的研製開發，目前已通過科技部項目驗收。

Si襯底LED芯片製造

1.1技術路線

在Si襯底上生長GaN，製作LED藍光芯片。

工藝流程：在Si襯底上生長AlN緩衝層→生長n型GaN→生長InGaN／GaN多量子阱發光層→生長p型AIGaN層→生長p型GaN層→鍵合帶Ag反光層並形成p型歐姆接觸電極→剝離襯底並去除緩衝層→製作n型摻si層的歐姆接觸電極→合金→鈍化→劃片→測試→包裝。

1.2主要製造工藝

采用ThomasSwanCCS低壓MOCVD係統在50mmsi(111)襯底上生長GaN基MQW結構。使用三甲基镓(TMGa)為Ga源、三甲基鋁(TMAI)為Al源
、三甲基銦(TMIn)為In源、氨氣(NH3)為N源、矽烷(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緩衝層，然後依次生長n型GaN層、InGaN／GaN多量子阱發光層
、p型AlGaN層、p型GaN層
，接著在p麵製作Ag反射鏡並形成p型歐姆接觸，然後通過熱壓焊方法把外延層轉移到導電基板上，再用Si腐蝕液把Si襯底腐蝕去除並暴露n型GaN層，使用堿腐蝕液對n型麵粗化後再形成n型歐姆接觸
，這樣就完成了垂直結構LED芯片的製作。結構圖見圖1。


從結構圖中看出，Si襯底芯片為倒裝薄膜結構，從下至上依次為背麵Au電極
、Si基板
、粘接金屬

、金屬反射鏡(p歐姆電極)、GaN外延層、粗化表麵和Au電極。這種結構芯片電流垂直分布
，襯底熱導率高
，可靠性高；發光層背麵為金屬反射鏡，表麵有粗化結構，取光效率高。[page]

1.3關鍵技術及創新性

用Si作GaN發光二極管襯底，雖然使LED的製造成本大大降低，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的熱膨脹係數差別也將導致GaN膜出現龜裂，晶格常數差會在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之間有0.5V的異質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
，導致串聯電阻增大，還有Si吸收可見光會降低LED的外量子效率。因此，針對上述問題
，深入研究和采用了發光層位錯密度控製技術、化學剝離襯底轉移技術、高可靠性高反光特性的p型GaN歐姆電極製備技術及鍵合技術、高出光效率的外延材料表麵粗化技術、襯底圖形化技術
、優化的垂直結構芯片設計技術，在大量的試驗和探索中，解決了許多技術難題，最終成功製備出尺寸1mm×1mm，350mA下光輸出功率大於380mW、發光波長451nm、工作電壓3.2V的藍色發光芯片

，完成課題規定的指標。采用的關鍵技術及技術創新性有以下幾個方麵。

（1）采用多種在線控製技術，降低了外延材料中的刃位錯和螺位錯，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，獲得了厚度大於4μm的無裂紋GaN外延膜。

(2)通過引入AIN，AlGaN多層緩衝層，大大緩解了Si襯底上外延GaN材料的應力
，提高了晶體質量，從而提高了發光效率。

(3)通過優化設計n-GaN層中Si濃度結構及量子阱／壘之間的界麵生長條件，減小了芯片的反向漏電流並提高了芯片的抗靜電性能。

(4)通過調節p型層鎂濃度結構
，降低了器件的工作電壓；通過優化p型GaN的厚度，改善了芯片的取光效率。

(5)通過優化外延層結構及摻雜分布
，減小串聯電阻，降低工作電壓，減少熱產生率，提升了LED的工作效率並改善器件的可靠性。

(6)采用多層金屬結構
，同時兼顧歐姆接觸、反光特性
、粘接特性和可靠性，優化焊接技術，解決了銀反射鏡與p-GaN粘附不牢且接觸電阻大的問題。

(7)優選了多種焊接金屬，優化焊接條件，成功獲得了GaN薄膜和導電Si基板之間的牢固結合，解決了該過程中產生的裂紋問題。

(8)通過濕法和幹法相結合的表麵粗化

，減少了內部全反射和波導效應引起的光損失

，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表麵粗化深度不夠且粗化不均勻的問題

，解決了粗化表麵清洗不幹淨的難題並優化了N電極的金屬結構
，在粗化的N極性n-GaN表麵獲得了低阻且穩定的歐姆接觸。

Si襯底LED封裝技術

2.1技術路線

采用藍光LED激發YAG／矽酸鹽／氮氧化物多基色體係熒光粉，發射黃、綠、紅光
，合成白光的技術路線。

工藝流程：在金屬支架／陶瓷支架上裝配藍光LED芯片(導電膠粘結工藝)→鍵合(金絲球焊工藝)→熒光膠塗覆(自動化圖形點膠／自動噴射工藝)→Si膠封裝(模具灌膠工藝)→切筋→測試→包裝。

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。其製作過程為：使用導熱係數較高的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芯片與金屬支架電極，完成電氣連接，最後用有機封裝材料(如Si膠)覆蓋芯片和電極引線，形成封裝保護和光學通道。這種封裝對於取光效率
、散熱性能
、加大工作電流密度的設計都是最佳的。其主要特點包括：熱阻低(小於10℃／W)，可靠性高，封裝內部填充穩定的柔性膠凝體，在-40～120℃範圍
，不會因溫度驟變產生的內應力，使金絲與支架斷開，並防止有機封裝材料變黃，引線框架也不會因氧化而沾汙；優化的封裝結構設計使光學效率、外量子效率性能優異，其結構見圖2。


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2.3關鍵技術及創新性

功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發光效率
、發光波長
、使用壽命等，現有的Si襯底的功率型GaN基LED芯xin片pian設she計ji采cai用yong了le垂chui直zhi結jie構gou來lai提ti高gao芯xin片pian的de取qu光guang效xiao率lv，改gai善shan了le芯xin片pian的de熱re特te性xing，同tong時shi通tong過guo增zeng大da芯xin片pian麵mian積ji，加jia大da工gong作zuo電dian流liu來lai提ti高gao器qi件jian的de光guang電dian轉zhuan換huan效xiao率lv，從cong而er獲huo得de較jiao高gao的de光guang通tong量liang，也ye因yin此ci給gei功gong率lv型xingLED的封裝設計
、製造技術帶來新的課題。功率LEDfengzhuangzhongdianshicaiyongyouxiaodesanreyubuliehuadefengzhuangcailiaojiejueguangshuaiwenti。weidadaofengzhuangjishuyaoqiu
，zaidaliangdeshiyanhetansuozhong
，fenxijiejuexiangguanjishuwenti，caiyongdeguanjianjishuhechuangxinxingyouyixiajidian。

(1)通過設計新型陶瓷封裝結構，減少了全反射，使器件獲得高取光效率和合適的光學空間分布。

(2)采用電熱隔離封裝結構和優化的熱沉設計，以適合薄膜芯片的封裝要求。

(3)采用高導熱係數的金屬支架，選用導熱導電膠粘結芯片，獲得低熱阻的良好散熱通道，使產品光衰≤5％(1000h)。

(4)采用高效
、高精度的熒光膠配比及噴塗工藝，保證了產品光色參數可控和一致性。

(5)多層複合封裝，降低了封裝應力，實施SSB鍵合工藝和多段固化製程，提高了產品的可靠性。
(6)裝配保護二極管，使產品ESD靜電防護提高到8000V。

產品測試結果

3.1Si襯底LED芯片

通過優化Si襯底表麵的處理和緩衝層結構
，成功生長出可用於大功率芯片的外延材料。采用Ptdianjizuoweifanshejing
，chenggongshixiandagonglvxinpiandebomozhuanyi。caiyongyinzuoweifanshejing
，dadatigaolefanshexiaolv，tongguogaijinfanshejingdeshejibingyinrucuhuajishu
，tigaoleguangshuchugonglv。gaijinleAg反射鏡蒸鍍前p型GaN表麵的清洗工藝和晶片焊接工藝，改善了銀反射鏡的歐姆接觸，量子阱前引入緩衝結構，提高了芯片發光效率，優化量子阱／leijiemianshengchanggongyi，faguangxiaolvjinyibutigao，tongguogaijinhanjiejishu，jianshaolechendizhuanyiguochengzhongxinpianliewenwenti，xinpianzhibeidelianglvdafudutigao，qiekekaoxinghuodegaishan。tongguoshangshuduoxiangjishudeyingyonghegaijin
，chenggongzhibeichuchicun1mm×1mm
，350mA下光輸出功率大於380mW的藍色發光芯片
，發光波長451nm
，工作電壓3.2V，完成課題規定的指標。表1為芯片光電性能參數測試結果。


注：測試條件為350mA直流，Ta=25℃恒溫。

3.2Si襯底LED封裝

根據LED的光學結構及芯片、封feng裝zhuang材cai料liao的de性xing能neng
，建jian立li了le光guang學xue設she計ji模mo型xing和he軟ruan件jian仿fang真zhen手shou段duan，優you化hua了le封feng裝zhuang的de光guang學xue結jie構gou設she計ji。通tong過guo封feng裝zhuang工gong藝yi技ji術shu改gai進jin
，減jian少shao了le光guang的de全quan反fan射she
，提ti高gao了le產chan品pin的de取qu光guang效xiao率lv。改gai進jin導dao電dian膠jiao的de點dian膠jiao工gong藝yi方fang式shi，並bing對dui裝zhuang片pian設she備bei工gong裝zhuang結jie構gou與yu精jing度du進jin行xing了le改gai進jin
，采cai用yong電dian熱re隔ge離li封feng裝zhuang結jie構gou和he優you化hua的de熱re沉chen設she計ji，降jiang低di了le器qi件jian熱re阻zu，提ti高gao了le產chan品pin散san熱re性xing能neng。采cai用yong等deng離li子zi清qing洗xi工gong藝yi，改gai善shan了leLED封裝界麵結合及可靠性。針對照明應用對光源的光色特性的不同要求
，研究暖白、日光白、冷白光LED顏色的影響因素：芯片參數、熒光粉性能、配方
、用量，並通過改進熒光膠塗覆工藝，提高了功率LED光色參數的控製能力
，生產出與照明色域規範對檔的產品。藍光和白光LED封裝測試結果見表2。表中：φ為光通量
；K為光效；P為光功率；R為熱阻；μ為光衰
；I為飽和電流。


Si襯底的GaN基LED製造技術是國際上第三條LED製造技術路線，是LED三大原創技術之一，與前兩條技術路線相比
，具有四大優勢：
第一
，具有原創技術產權，產品可銷往國際市場
，不受國際專利限製。
第二，具有優良的性能
，產品抗靜電性能好，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
，單引線垂直結構，在器件封裝時隻需單電極引線
，簡化了封裝工藝
，節約了封裝成本。
第四，由於Si襯底比前兩種技術路線使用的藍寶石和SiC價格便宜得多，而且將來生產效率更高，因此成本低廉。

經過三年的科技攻關
，課題申請發明專利12項、實用新型專利7項，該技術成功突破了美國、日本多年在半導體發光芯片(LED)方麵的專利技術壁壘
，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襯底半導體照明技術的局麵，形成了藍寶石、SiC、Si襯底半導體照明技術方案三足鼎立的局麵。因此采用Si襯底GaN的LED產品的推出，對於促進我國擁有知識產權的半導體LED照明產業的發展有著重大意義。