硅衬底led芯片主要制造工艺解析

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1、硅衬底LED芯片主要制造工艺解析硅衬底LED芯片主要制造工艺解析高工LED技术中心发布时间：2010-12-2715:22:00设置字体：大中小　　1993年世界上第一只GaN基蓝色LED问世以来,LED制造技术的发展令人瞩目。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

2、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

3、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ThomasSwanCCS低压MOCVD系统在50mmsi(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

4、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。结构图见图1。　　图1Si衬底GaN基LED芯片结构图　　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、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

5、,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0.5V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

6、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1mm×1mm,350mA下光输出功率大于380mW、发光波长451nm、工作电压3.2V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4μm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

7、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