基于Si襯底的功率型GaN基LED制造技術(shù)
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1993年世界上第一只GaN基藍(lán)色LED問(wèn)世以來(lái)，LED制造技術(shù)的發(fā)展令人矚目。目前國(guó)際上商品化的GaN基LED均是在藍(lán)寶石襯底或SiC襯底上制造的。但藍(lán)寶石由于硬度高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性差等原因，對(duì)后期器件加工和應(yīng)用帶來(lái)很多不便，SiC同樣存在硬度高且成本昂貴的不足之處，而價(jià)格相對(duì)便宜的Si襯底由于有著優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和成熟的器件加工工藝等優(yōu)勢(shì)，因此Si襯底GaN基LED制造技術(shù)受到業(yè)界的普遍關(guān)注。
目前日本日亞公司壟斷了藍(lán)寶石襯底上GaN基LED專(zhuān)利技術(shù)，美國(guó)CREE公司壟斷了SiC襯底上GaN基LED專(zhuān)利技術(shù)。因此，研發(fā)其他襯底上的GaN基LED生產(chǎn)技術(shù)成為國(guó)際上的一個(gè)熱點(diǎn)。南昌大學(xué)與廈門(mén)華聯(lián)電子有限公司合作承擔(dān)了國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“基于Si襯底的功率型GaN基LED制造技術(shù)”，經(jīng)過(guò)近三年的研制開(kāi)發(fā)，目前已通過(guò)科技部項(xiàng)目驗(yàn)收。
1 Si襯底LED芯片制造
1.1 技術(shù)路線
在Si襯底上生長(zhǎng)GaN，制作LED藍(lán)光芯片。
工藝流程：在Si襯底上生長(zhǎng)AlN緩沖層→生長(zhǎng)n型GaN→生長(zhǎng)InGaN／GaN多量子阱發(fā)光層→生長(zhǎng)p型AIGaN層→生長(zhǎng)p型GaN層→鍵合帶Ag反光層并形成p型歐姆接觸電極→剝離襯底并去除緩沖層→制作n型摻si層的歐姆接觸電極→合金→鈍化→劃片→測(cè)試→包裝。
1.2 主要制造工藝
采用Thomas Swan CCS低壓MOCVD系統(tǒng)在50 mm si(111)襯底上生長(zhǎng)GaN基MQW結(jié)構(gòu)。使用三甲基鎵(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、硅烷(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(zhǎng)AlN緩沖層，然后依次生長(zhǎng)n型GaN層、InGaN／GaN多量子阱發(fā)光層、p型AlGaN層、p型GaN層，接著在p面制作Ag反射鏡并形成p型歐姆接觸，然后通過(guò)熱壓焊方法把外延層轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電基板上，再用Si腐蝕液把Si襯底腐蝕去除并暴露n型GaN層，使用堿腐蝕液對(duì)n型面粗化后再形成n型歐姆接觸，這樣就完成了垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的制作。結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。
從結(jié)構(gòu)圖中看出，Si襯底芯片為倒裝薄膜結(jié)構(gòu)，從下至上依次為背面Au電極、Si基板、粘接金屬、金屬反射鏡(p歐姆電極)、GaN外延層、粗化表面和Au電極。這種結(jié)構(gòu)芯片電流垂直分布，襯底熱導(dǎo)率高，可靠性高；發(fā)光層背面為金屬反射鏡，表面有粗化結(jié)構(gòu)，取光效率高。
1.3 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新性
用Si作GaN發(fā)光二極管襯底，雖然使LED的制造成本大大降低，也解決了專(zhuān)利壟斷問(wèn)題，然而與藍(lán)寶石和SiC相比，在Si襯底上生長(zhǎng)GaN更為困難，因?yàn)檫@兩者之間的熱失配和晶格失配更大，Si與GaN的熱膨脹系數(shù)差別也將導(dǎo)致GaN膜出現(xiàn)龜裂，晶格常數(shù)差會(huì)在GaN外延層中造成高的位錯(cuò)密度；另外Si襯底LED還可能因?yàn)镾i與GaN之間有0.5 V的異質(zhì)勢(shì)壘而使開(kāi)啟電壓升高以及晶體完整性差造成p型摻雜效率低，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增大，還有Si吸收可見(jiàn)光會(huì)降低LED的外量子效率。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，深入研究和采用了發(fā)光層位錯(cuò)密度控制技術(shù)、化學(xué)剝離襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)、高可靠性高反光特性的p型GaN歐姆電極制備技術(shù)及鍵合技術(shù)、高出光效率的外延材料表面粗化技術(shù)、襯底圖形化技術(shù)、優(yōu)化的垂直結(jié)構(gòu)芯片設(shè)計(jì)技術(shù)，在大量的試驗(yàn)和探索中，解決了許多技術(shù)難題，最終成功制備出尺寸1 mm×1 mm，350 mA下光輸出功率大于380 mW、發(fā)光波長(zhǎng)451 nm、工作電壓3.2 V的藍(lán)色發(fā)光芯片，完成課題規(guī)定的指標(biāo)。采用的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)創(chuàng)新性有以下幾個(gè)方面。
評(píng)論