硅衬底灯饰LED芯片主要制造工艺解析

时间:2021-05-23作者:佚名

目前国际上商品化的GaN基led均是在蓝宝石衬底或SiC衬底上制造的。但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因,对后期器件加工和应用带来很多不便,SiC同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处,而价格相对便宜的Si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势,因此Si衬底GaN基LED制造技术受到业界的普遍关注。

目前日本日亚公司垄断了蓝宝石衬底上GaN基LED专利技术,美国CREE公司垄断了SiC衬底上GaN基LED专利技术。因此,研发其他衬底上的GaN基LED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制造技术”,经过近三年的研制开发,目前已通过科技部项目验收。

1、Si衬底LED芯片制造

1.1 技术路线

在Si衬底上生长GaN,制作LED蓝光芯片。

工艺流程:在Si衬底上生长AlN缓冲层→生长n型GaN→生长InGaN/GaN多量子阱发光层→生长p型AIGaN层→生长p型GaN层→键合带Ag反光层并形成p型欧姆接触电极→剥离衬底并去除缓冲层→制作n型掺si层的欧姆接触电极→合金→钝化→划片→测试→包装。

1.2 主要制造工艺

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型掺杂剂。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衬底腐蚀去除并暴露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。

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、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。

1.3 关键技术及创新性

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,晶格常数差会在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的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成p型掺杂效率低,导致串联电阻增大,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,完成课题规定的指标。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 μm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掺杂分布,减小串联电阻,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。

2、Si衬底LED封装技术

2.1 技术路线

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、红光,合成白光的技术路线。

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。

相关阅读

物质波——电子根本不是我们以为的小球

我们在物质世界:从物质到性质——导电的秘密里说过,金属导电是因为有大量的“自由电子”可以在晶格中游荡。当时我们默认电子是一颗颗微小的粒子,像一群鱼...
2026-06-22
物质波——电子根本不是我们以为的小球

当技术变得不再神秘,LED封装领域该如何突围?

中国是全球最大的LED应用市场,但在高端LED等领域发展相对滞后,产能不足,远远不能满足市场的需求,科锐、 飞利浦 、欧司朗、京瓷、住友电工、日亚化学等国外品牌厂商长期以来...
2021-05-23

室内灯光必读——那些灯带型材的节点大样是怎样画的?

想起来一个小笑话,前几年配合一个室内项目的时候,施工方问我:怎么你们的埋地线条灯尺寸不对啊,我要16公分深的。我听完一身冷汗,楼板埋16公分,你这是要把楼板砸穿吗?后来才发现是工...
2026-05-14
室内灯光必读——那些灯带型材的节点大样是怎样画的?

陶瓷成膜体技术6大革新突破LED灯具短板

目前LED的发光效率仅20%-30%,其余能量大多转化为热能,大量的热能需要及时地散发出去,否则将会使LED的寿命减少,甚至永久性失效。所以,在LED快速发展的同时,人们也不断进行着...
2021-05-23
陶瓷成膜体技术6大革新突破LED灯具短板

福州大学孙捷教授:低维纳米材料在GaN LED芯片上的应用

近日,由第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)、国家半导体照明工程研发及产业联盟( CSA )联合主办,北京麦肯桥新材料生产力促进中心有限公司与半导体产业网共同承办的第...
2021-12-13
福州大学孙捷教授:低维纳米材料在GaN LED芯片上的应用

热销商品

12V星空顶筒灯嵌入式阳台卧室客厅氛围迷你呼吸小射灯满天星天花

12V星空顶筒灯是一款专为营造浪漫氛围而设计的迷你嵌入式射灯,适用于阳台、卧室、客厅等空间。采用低功耗LED光源,安全节能,光线柔和均匀,支持呼吸模式与满天星效果,可...
¥ 7.65

公牛官方旗舰店开关插座空调16A插座五孔10A面板暗装多孔G12白灰

公牛官方旗舰店提供一系列高质量的开关插座和空调配件。这款16A插座五孔面板采用暗装设计,适用于多种安装环境,如墙面、天花板等。它具有10A的电流容量,可以满足家庭...
¥ 5.55

喜美诺排插插座面板多孔排插家用宿舍接线板插排国标线板延长线

喜美诺排插,一款精心设计的多孔插座面板,专为家庭和宿舍环境而造。它不仅提供便捷的接线体验,更符合国标安全标准,确保使用过程中的安全与稳定。这款排插采用高质量材...
¥ 11.9

O型圈氟橡胶圆条丁腈胶硅胶垫片防水O三元乙丙EPDM密封件骨架油封

O型圈、氟橡胶圆条、丁腈胶、硅胶垫片、三元乙丙(EPDM)密封件及骨架油封是广泛应用于机械、汽车、航空航天及建筑等领域的关键密封元件。氟橡胶耐高温、耐腐蚀,适用...
¥ 1

3M自粘橡胶条高硬度耐压实心幕墙玻璃舞台搭建货架专用减震密封条

3M自粘橡胶条是一款专为高要求工业及建筑场景设计的高性能密封减震材料,采用高硬度实心橡胶材质,具备优异的耐压性、抗老化性和持久弹性。其独特的自粘背胶设计,安装...
¥ 1.6

网站栏目