高效大功率LED關鍵技術中科院半導體研究所

2008.1.24正裝條形線陣功率型LED關鍵技術及進展垂直結構（薄膜結構）功率型LEDA1.正裝條形線陣功率型LED關鍵技術及進展1.1基本結構設計特點1.2關鍵技術及相關特性分析

(1)雙透明電極與LED光電特性

(2)條形線陣結構與LED的光電熱特性1.3測試結果1.4結論1.正裝條形線陣功率型LED關鍵技術及進展國家發明專利200710119473.3，已申請國際專利。1.1基本結構設計特點設計特點：條形結構（提高器件光學及熱學特性）雙透明電極（P、N電極均采用ITO+高反金屬膜體系組成）線陣（多單胞）MQWsSapphireN-GaNP-GaNITOITOPadsPadsA1.2關鍵技術及相關特性分析1.正裝條形線陣功率型LED關鍵技術及進展雙透明電極與LED光電特性高透射光學膜ITO與傳統半透明歐姆接觸電極NiAu體系相比，透射率高15%左右;與P-GaN,N-GaN形成歐姆接觸，比電阻分別為3.4*10-4Ωcm2,2*10-7

Ωcm2。采用ITO電極，與傳統金屬(TiAlTiAu)N電極相比，減少了對光線的吸收。ITO上覆蓋金屬膜，采用高反射金屬體系，減少了傳統后金屬電極對來自有源區下方和側面的光的吸收，提高提取效率。MQWsSapphireN-GaNP-GaNITOITOPadsPadsA1.2關鍵技術及相關特性分析1.正裝條形線陣功率型LED關鍵技術及進展(2)條形線陣結構與LED光、電、熱特性線陣結構單胞數與Vf和Iv的關系V（V）00.51.01.52.02.53.03.54.00200400600

8001000Vf：3.2V@350mAI(mA)A：8cellsB：6cellsC：4cellsA1.2關鍵技術及相關特性分析1.正裝條形線陣功率型LED關鍵技術及進展(2)條形線陣結構與LED光、電、熱特性條形結構側面積大于傳統方形結構，增加了側面出光。條形結構具有較低熱阻，大電流下波長漂移小。LED結構熱阻典型值(K/W)倒裝結構12.83線陣雙透明電極結構6.77A1.3測試結果—封裝白光LED數據1.正裝條形線陣功率型LED關鍵技術及進展編號光通量(lm)光效（lm/W）工作電壓（V）色溫(K)備注177.4969.843.175281自封裝281.9673.413.194373自封裝380.2470.983.234309自封裝480.5370.83.255279自封裝580.1570.913.235673自封裝680.6471.563.225359自封裝779.7870.83.225369自封裝879.8671.083.215075自封裝98069.73.285480外封裝測試107666.43.274920外封裝測試1177.869.53.25203外封裝測試1277.267.33.285155外封裝測試1.正裝條形線陣功率型LED關鍵技術及進展1.3測試結果—飽和特性曲線1.正裝條形線陣功率型LED關鍵技術及進展1.3測試結果—老化曲線加速條件：溫度80℃，濕度60%；老化電流：350mA；老化時間：1000hr藍光LED光衰<7%白光LED光衰<10%1.正裝條形線陣功率型LED關鍵技術及進展1.4結論正裝條形雙透明電極LED在光、電、熱特性上優于傳統正裝結構。器件制程簡單，成本低，利于產業化。2.垂直結構（薄膜結構）功率型LED2.1LLO技術基本原理2.2正裝、倒裝、垂直結構器件光、電、熱特性對比分析2.3目前國外采用的主要技術方案2.4國外垂直結構芯片的分析2.5垂直結構關鍵技術分析2.6目前采用的技術路線2.7研制過程中的主要技術瓶頸及進展

2.垂直結構（薄膜結構）功率型LED2.1LLO技術基本原理為保證LLO后芯片的良品率一般認為：（1）鍵合界面無空洞、氣泡，鍵合強度均勻一致（芯片破裂、脫落）。（2）GaN與支撐襯底間無空隙。（支撐襯底表面金屬對光線吸收？）（3）sapphire背面拋光（激光散射影響薄膜表面形貌）Laser（248nm，GaNbuffer）2.垂直結構（薄膜結構）功率型LED2.2正裝、倒裝、垂直結構器件光、電、熱特性對比分析正裝倒裝垂直2.垂直結構（薄膜結構）功率型LED2.2正裝、倒裝、垂直結構器件光、電、熱特性對比分析正裝倒裝垂直光（1）出光路徑P-GaN（N＝1.75）

硅膠

空氣Al2O3（N＝1.75）

硅膠

空氣N（P）－GaN（N＝2.5）

硅膠

空氣（2）粗化P－GaN外延粗化，有利于光提取，但Vf偏高。Al2O3粗化，光提取效果不明顯。N－GaN濕法粗化（3）透明電極ITO（N＝2.0）應用，大大提高光提取。出光面無法采用ITO，光提取受限。ITO應用存在前后工藝兼容性問題（N朝上），目前尚無產品應用。（4）有源區面積小于垂直結構小于垂直結構有源區面積最大，電流密度小，光效最高。（5）襯底可采用圖形襯底可采用圖形襯底采用圖形襯底有一定難度結論：若垂直結構中應用圖形襯底、ITO、表面粗化等技術手段，可以獲得最高的提取效率。2.垂直結構（薄膜結構）功率型LED2.2正裝、倒裝、垂直結構器件光、電、熱特性對比分析正裝倒裝垂直電（1）電流均勻性存在電流擁擠現象存在電流擁擠現象電流擴展最好，電流分布均勻（2）正向電壓相對較高相對較高可獲得最小的Vf值（3）電流密度相對較大相對較大電流密度小，在光效、飽和電流、長期可靠性等方面具有優勢。熱（1）熱阻熱阻較大由導熱通路面積決定熱阻最小，大電流下，峰值波長漂移最小。結論：1、垂直結構熱穩定性最優。2、垂直結構進一步優化器件制程有可能獲得最高光效。3、PSS外延材料應用于垂直結構有待于進一步研究。2.垂直結構功率型LED2.3目前國外采用的技術方案國外技術路線整片鍵合一次性薄膜轉移（N向上）整片鍵合二次薄膜轉移（P向上）整片電鑄技術三維結構Jun-tangChun2005Shao-Huahuang2005及部分生產廠家W.Y.Lin2005W.Y.Lin2005Jamepeng2007（1）（2）（3）（4）2.垂直結構功率型LED2.3目前國外采用的技術方案——技術方案比較（1）整片鍵合一次性薄膜轉移（N向上）優點：1、從芯片制程到測試封裝與企業生產線設備完全兼容，易于實現產業化。2、適合批量化生產3、制作工藝相對簡單，周期短缺點：狹縫填充困難，對相關工藝要求高。2.垂直結構功率型LED2.3目前國外采用的技術方案——技術方案比較（2）整片鍵合二次性薄膜轉移（P向上）優點：1、樹脂粘接（玻璃與P－GaN）容易實現。缺點：1、樹脂粘接劑揮發過程放氣，因此為保證鍵合強度，必須長時間加熱趕氣，周期較長，產業化如何？2、后續工藝（如去除樹脂、玻璃）是否存在工藝兼容性問題？此外樹脂去除

用溶劑是否對P、N電極造成影響。

2.垂直結構功率型LED2.3目前國外采用的技術方案——技術方案比較（3）整片電鑄技術難點：1、高選擇比的樹脂成型技術2、電鍍技術：化學鍍結合電鍍；Stepcorer結合電鍍。3、樹脂固化過程中與GaN表面分離，電鍍時造成電極互聯。4、電鍍的致密性影響鍵合強度。5、周期較長，是否適合產業化應用？2.垂直結構功率型LED2.3目前國外采用的技術方案——技術方案比較（4）三維結構倒裝＋薄膜（結構復雜）2.垂直結構功率型LED垂直結構樣品1結論：1Au－Au鍵合2N電極：Al/Ni/Au3出光面：無ITO，經過表面粗化處理4應用了填充技術2.4國外垂直結構芯片的分析1端面SEM

2出光面SEM

2出光面能譜Ga；N；Si；O3N電極AES

4鍵合金屬AES

Al；AuAu；AuC；O2.垂直結構功率型LED垂直結構樣品2結論：1Au－Sn鍵合2N電極：Ti/Au3出光面：無ITO經過表面粗化處理4應用了填充技術2.4國外垂直結構芯片的分析1出光面SEM

1出光面

能譜

Ga；N；Si；O2端面SEM

2端面能譜C；O

3N電極AES

Ti；AuSn；Au

4鍵合金屬能譜2.垂直結構功率型LED垂直結構樣品3結論：1SiC襯底外延2N電極：Al/Ti/Au3出光面：無ITO經過表面粗化處理2.4國外垂直結構芯片的分析1出光面SEM

1出光面SEM

2出光面能譜2出光面能譜

3N電極AES

2截面SEM

Al；Ti；AuGa；N；Si；2.垂直結構功率型LED

1、

鍵合金屬體系選擇；Au－Au（高溫）（鍵合溫度較高，應力大）Au－Sn（低溫）

（鍵合溫度低，應力較大）Pd－In（低溫）

2、支撐襯底選擇（Si，Ge，Cu及其合金）

2.5關鍵技術分析SiGeAl2O3GaNCu（合金）Au熱膨脹系數2.55.74.63.2-5.594.5-16.514.1熱導率1506035130167-400311結論：1、Si、Ge易劃片，但鍵合時晶片容易形變，斷裂。2、Cu襯底不易破碎，但因其熱膨脹系數較大，因此要考慮工藝兼容問題。3、Cu合金需采用激光切割。應力過大，造成晶片斷裂2.垂直結構功率型LED3、

反射鏡設計應保證在bonding等高溫條件下仍具有較高的反射率。4、填充技術；填充和鍵合是獲得LLO后高良品率的關鍵。

2.5關鍵技術分析高溫鍵合后反射鏡被破壞2.垂直結構功率型LED5、激光剝離技術1）光斑整形，光斑能量均勻性控制。2）激光能量選取。6、N－GaN濕法粗化技術。（KOH）7、電鑄技術1）大深寬比的樹脂圍墻成型技術。2）step－cover金屬沉積技術。3）大面金屬電鍍技術（化學鍍結合電鍍）。

2.5關鍵技術分析圍墻高度>100um2.垂直結構功率型LED2.6采用的技術路線在文獻調研和對國外實際芯片的分析的基礎上確定我門的技術路線。指導思想：1、工藝力求簡單，具有高的良品率，適合于企業規模化生產。2、要有自己的知識產權。技術路線：目前選擇Cu襯底，以一次