高效大功率LED關(guān)鍵技術(shù)中科院半導(dǎo)體研究所

2008.1.24正裝條形線陣功率型LED關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展垂直結(jié)構(gòu)（薄膜結(jié)構(gòu)）功率型LEDA1.正裝條形線陣功率型LED關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展1.1基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)1.2關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)特性分析

(1)雙透明電極與LED光電特性

(2)條形線陣結(jié)構(gòu)與LED的光電熱特性1.3測(cè)試結(jié)果1.4結(jié)論1.正裝條形線陣功率型LED關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展國(guó)家發(fā)明專利200710119473.3，已申請(qǐng)國(guó)際專利。1.1基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：條形結(jié)構(gòu)（提高器件光學(xué)及熱學(xué)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(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)特性分析1.正裝條形線陣功率型LED關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展雙透明電極與LED光電特性高透射光學(xué)膜ITO與傳統(tǒng)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(tǒng)金屬(TiAlTiAu)N電極相比，減少了對(duì)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(tǒng)后金屬電極對(duì)來自有源區(qū)下方和側(cè)面的光的吸收，提高提取效率。MQWsSapphireN-GaNP-GaNITOITOPadsPadsA1.2關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)特性分析1.正裝條形線陣功率型LED關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展(2)條形線陣結(jié)構(gòu)與LED光、電、熱特性線陣結(jié)構(gòu)單胞數(shù)與Vf和Iv的關(guān)系V（V）00.51.01.52.02.53.03.54.00200400600

8001000Vf：3.2V@350mAI(mA)A：8cellsB：6cellsC：4cellsA1.2關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)特性分析1.正裝條形線陣功率型LED關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展(2)條形線陣結(jié)構(gòu)與LED光、電、熱特性條形結(jié)構(gòu)側(cè)面積大于傳統(tǒng)方形結(jié)構(gòu)，增加了側(cè)面出光。條形結(jié)構(gòu)具有較低熱阻，大電流下波長(zhǎng)漂移小。LED結(jié)構(gòu)熱阻典型值(K/W)倒裝結(jié)構(gòu)12.83線陣雙透明電極結(jié)構(gòu)6.77A1.3測(cè)試結(jié)果—封裝白光LED數(shù)據(jù)1.正裝條形線陣功率型LED關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展編號(hào)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(cè)試107666.43.274920外封裝測(cè)試1177.869.53.25203外封裝測(cè)試1277.267.33.285155外封裝測(cè)試1.正裝條形線陣功率型LED關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展1.3測(cè)試結(jié)果—飽和特性曲線1.正裝條形線陣功率型LED關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展1.3測(cè)試結(jié)果—老化曲線加速條件：溫度80℃，濕度60%；老化電流：350mA；老化時(shí)間：1000hr藍(lán)光LED光衰<7%白光LED光衰<10%1.正裝條形線陣功率型LED關(guān)鍵技術(shù)及進(jìn)展1.4結(jié)論正裝條形雙透明電極LED在光、電、熱特性上優(yōu)于傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)。器件制程簡(jiǎn)單，成本低，利于產(chǎn)業(yè)化。2.垂直結(jié)構(gòu)（薄膜結(jié)構(gòu)）功率型LED2.1LLO技術(shù)基本原理2.2正裝、倒裝、垂直結(jié)構(gòu)器件光、電、熱特性對(duì)比分析2.3目前國(guó)外采用的主要技術(shù)方案2.4國(guó)外垂直結(jié)構(gòu)芯片的分析2.5垂直結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)分析2.6目前采用的技術(shù)路線2.7研制過程中的主要技術(shù)瓶頸及進(jìn)展

2.垂直結(jié)構(gòu)（薄膜結(jié)構(gòu)）功率型LED2.1LLO技術(shù)基本原理為保證LLO后芯片的良品率一般認(rèn)為：（1）鍵合界面無空洞、氣泡，鍵合強(qiáng)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(duì)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(jié)構(gòu)（薄膜結(jié)構(gòu)）功率型LED2.2正裝、倒裝、垂直結(jié)構(gòu)器件光、電、熱特性對(duì)比分析正裝倒裝垂直2.垂直結(jié)構(gòu)（薄膜結(jié)構(gòu)）功率型LED2.2正裝、倒裝、垂直結(jié)構(gòu)器件光、電、熱特性對(duì)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(yīng)用，大大提高光提取。出光面無法采用ITO，光提取受限。ITO應(yīng)用存在前后工藝兼容性問題（N朝上），目前尚無產(chǎn)品應(yīng)用。（4）有源區(qū)面積小于垂直結(jié)構(gòu)小于垂直結(jié)構(gòu)有源區(qū)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(jié)論：若垂直結(jié)構(gòu)中應(yīng)用圖形襯底、ITO、表面粗化等技術(shù)手段，可以獲得最高的提取效率。2.垂直結(jié)構(gòu)（薄膜結(jié)構(gòu)）功率型LED2.2正裝、倒裝、垂直結(jié)構(gòu)器件光、電、熱特性對(duì)比分析正裝倒裝垂直電（1）電流均勻性存在電流擁擠現(xiàn)象存在電流擁擠現(xiàn)象電流擴(kuò)展最好，電流分布均勻（2）正向電壓相對(duì)較高相對(duì)較高可獲得最小的Vf值（3）電流密度相對(duì)較大相對(duì)較大電流密度小，在光效、飽和電流、長(zhǎng)期可靠性等方面具有優(yōu)勢(shì)。熱（1）熱阻熱阻較大由導(dǎo)熱通路面積決定熱阻最小，大電流下，峰值波長(zhǎng)漂移最小。結(jié)論：1、垂直結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性最優(yōu)。2、垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化器件制程有可能獲得最高光效。3、PSS外延材料應(yīng)用于垂直結(jié)構(gòu)有待于進(jìn)一步研究。2.垂直結(jié)構(gòu)功率型LED2.3目前國(guó)外采用的技術(shù)方案國(guó)外技術(shù)路線整片鍵合一次性薄膜轉(zhuǎn)移（N向上）整片鍵合二次薄膜轉(zhuǎn)移（P向上）整片電鑄技術(shù)三維結(jié)構(gòu)Jun-tangChun2005Shao-Huahuang2005及部分生產(chǎn)廠家W.Y.Lin2005W.Y.Lin2005Jamepeng2007（1）（2）（3）（4）2.垂直結(jié)構(gòu)功率型LED2.3目前國(guó)外采用的技術(shù)方案——技術(shù)方案比較（1）整片鍵合一次性薄膜轉(zhuǎn)移（N向上）優(yōu)點(diǎn)：1、從芯片制程到測(cè)試封裝與企業(yè)生產(chǎn)線設(shè)備完全兼容，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。2、適合批量化生產(chǎn)3、制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，周期短缺點(diǎn)：狹縫填充困難，對(duì)相關(guān)工藝要求高。2.垂直結(jié)構(gòu)功率型LED2.3目前國(guó)外采用的技術(shù)方案——技術(shù)方案比較（2）整片鍵合二次性薄膜轉(zhuǎn)移（P向上）優(yōu)點(diǎn)：1、樹脂粘接（玻璃與P－GaN）容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：1、樹脂粘接劑揮發(fā)過程放氣，因此為保證鍵合強(qiáng)度，必須長(zhǎng)時(shí)間加熱趕氣，周期較長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)化如何？2、后續(xù)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(duì)P、N電極造成影響。

2.垂直結(jié)構(gòu)功率型LED2.3目前國(guó)外采用的技術(shù)方案——技術(shù)方案比較（3）整片電鑄技術(shù)難點(diǎn)：1、高選擇比的樹脂成型技術(shù)2、電鍍技術(shù)：化學(xué)鍍結(jié)合電鍍；Stepcorer結(jié)合電鍍。3、樹脂固化過程中與GaN表面分離，電鍍時(shí)造成電極互聯(lián)。4、電鍍的致密性影響鍵合強(qiáng)度。5、周期較長(zhǎng)，是否適合產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用？2.垂直結(jié)構(gòu)功率型LED2.3目前國(guó)外采用的技術(shù)方案——技術(shù)方案比較（4）三維結(jié)構(gòu)倒裝＋薄膜（結(jié)構(gòu)復(fù)雜）2.垂直結(jié)構(gòu)功率型LED垂直結(jié)構(gòu)樣品1結(jié)論：1Au－Au鍵合2N電極：Al/Ni/Au3出光面：無ITO，經(jīng)過表面粗化處理4應(yīng)用了填充技術(shù)2.4國(guó)外垂直結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)功率型LED垂直結(jié)構(gòu)樣品2結(jié)論：1Au－Sn鍵合2N電極：Ti/Au3出光面：無ITO經(jīng)過表面粗化處理4應(yīng)用了填充技術(shù)2.4國(guó)外垂直結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)功率型LED垂直結(jié)構(gòu)樣品3結(jié)論：1SiC襯底外延2N電極：Al/Ti/Au3出光面：無ITO經(jīng)過表面粗化處理2.4國(guó)外垂直結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)功率型LED

1、

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

（鍵合溫度低，應(yīng)力較大）Pd－In（低溫）

2、支撐襯底選擇（Si，Ge，Cu及其合金）

2.5關(guān)鍵技術(shù)分析SiGeAl2O3GaNCu（合金）Au熱膨脹系數(shù)2.55.74.63.2-5.594.5-16.514.1熱導(dǎo)率1506035130167-400311結(jié)論：1、Si、Ge易劃片，但鍵合時(shí)晶片容易形變，斷裂。2、Cu襯底不易破碎，但因其熱膨脹系數(shù)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(yīng)力過大，造成晶片斷裂2.垂直結(jié)構(gòu)功率型LED3、

反射鏡設(shè)計(jì)應(yīng)保證在bonding等高溫條件下仍具有較高的反射率。4、填充技術(shù)；填充和鍵合是獲得LLO后高良品率的關(guān)鍵。

2.5關(guān)鍵技術(shù)分析高溫鍵合后反射鏡被破壞2.垂直結(jié)構(gòu)功率型LED5、激光剝離技術(shù)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(shù)。（KOH）7、電鑄技術(shù)1）大深寬比的樹脂圍墻成型技術(shù)。2）step－cover金屬沉積技術(shù)。3）大面金屬電鍍技術(shù)（化學(xué)鍍結(jié)合電鍍）。

2.5關(guān)鍵技術(shù)分析圍墻高度>100um2.垂直結(jié)構(gòu)功率型LED2.6采用的技術(shù)路線在文獻(xiàn)調(diào)研和對(duì)國(guó)外實(shí)際芯片的分析的基礎(chǔ)上確定我門的技術(shù)路線。指導(dǎo)思想：1、工藝力求簡(jiǎn)單，具有高的良品率，適合于企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)。2、要有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。技術(shù)路線：目前選擇Cu襯底，以一次