以DLC接口及鉆銅基材制造大功率的垂直LED

圖8︰電鍍金屬和半導(dǎo)體的界面只是機(jī)械式的靠在一起，并沒有化學(xué)鍵結(jié)，因此在LED迅速開關(guān)產(chǎn)生冷熱交替時(shí)，金屬會(huì)沿界面逐漸剝離。

若在GaN和金屬的接口加入熱脹低而散熱快的似鉆膜(DLC Coating)就可大幅度降低接口應(yīng)力(如圖9)

圖9:作者與璨圓公司合作開發(fā)的DLC LED 其截面設(shè)計(jì)之一

DLC LED
若在金屬和半導(dǎo)體之間加入多層的陶瓷(如TiC)及DLC，接口的應(yīng)力就因分散而大降。除此之外DLC熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)高于銅，是垂直LED接口散熱的極致材料。LED發(fā)光所產(chǎn)生廢熱(>50%電能)就可迅速散出。這樣可避免GaN的晶格因溫度過高而增加缺陷所導(dǎo)致的光衰問題，除此之外，順流LED的面積可以加大(如2mm)，而電流更可提高(如1A/mm2)。一顆大面積的順流LED(如10W)會(huì)比多顆并聯(lián)而功率相同的彎流LED更光亮也更耐久。(如圖10)

DLC 的擴(kuò)散系數(shù)(Thermal Diffusivify)此銅高12倍(熱膨脹率比銅高4倍)，因此可將熱點(diǎn)即時(shí)消除，LED的亮度和GaN的缺陷密度息息相關(guān)，而瞬間熱點(diǎn)更會(huì)擴(kuò)大缺陷，淢少了光子射出的數(shù)量，因此以DLC形成接口可以保持晶格完整，即使界面的平均溫度稍高，也不致減少光亮(如圖11)

DLC的散熱效果
制造垂直式LED時(shí)，若GaN以半導(dǎo)體(如Si)結(jié)合雖可以舒緩接口應(yīng)力，但半導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)系數(shù)不高，熱量久聚不散后，也會(huì)在芯片內(nèi)產(chǎn)生差排而降低電光效率。若以無晶鉆石鍍膜披復(fù)GaN就可同時(shí)提高熱傳導(dǎo)率及降低熱變應(yīng)力。無晶鉆石散熱的效果可以下圖表示(如圖12)

鉆銅散熱片
除了使用無晶鉆石做為接口之外，鉆銅(DiaCu)散熱片也可以軟銲在鍍金層的DLC上，這樣就可以加厚陽極而強(qiáng)化LED晶圓的支撐體。(如圖13)

圖13︰由于熱膨脹系數(shù)可調(diào)成同步，鉆銅散熱片和LED芯片可直接軟銲而加速散熱。圖示鉆銅散熱片底座露出的1英吋見方能銲接100個(gè)1W的LED(晶上板或Chip on Board)，可用于高功率CPU、陸燈、投影燈、舞臺(tái)燈、車頭燈、集魚燈及投影機(jī)。

圖14:鉆銅散熱片的熱阻(左圖)及散熱(右圖)。
鉆銅散熱片也可直接軟銲接合LED 晶圓而制造垂直LED(如圖15)。

DLC LED的量產(chǎn)制造
含DLC的接口可以自動(dòng)化設(shè)備設(shè)備制造，其成本可遠(yuǎn)低于現(xiàn)有垂直LED的主流制程。DLC的上下接口可以碳化物。(如TiC)無縫銜接。DLC也可重復(fù)多次形成整合的接口系統(tǒng)，這樣可以更有效的中和GaN和金屬之間的應(yīng)力。(如圖16、17)

DLC鍍膜不需要軟銲
垂直LED的基材(如Si或CuW)可以軟銲(Solder)接合GaN。然而以電鍍披復(fù)GaN卻可省去軟銲的成本及制造良率偏低的問題，但在金屬熱膨脹系數(shù)太高會(huì)逐漸自芯片剝離。以DLC真空鍍膜直接披復(fù)GaN晶圓再電鍍金屬則可同時(shí)解決軟銲良率偏低及金屬附著不牢的雙重問題。由于軟銲時(shí)液體必須潤濕接合全部面積而常會(huì)黏結(jié)不良而降低了良率。但直接將GaN晶圓上電鍍金屬卻只能機(jī)械貼合。DLC無縫接合的接口可以顯善降低垂直LED的生產(chǎn)成本及制造良率。(如圖18)

LED顯示器
DLC接口可舒解應(yīng)力，因此可制成大面積的LED。新的藍(lán)寶石基材已經(jīng)大到6吋(15公分) ，因此可藉1CP蝕刻成陽極連接但陰極分開的微小光點(diǎn)這樣就可能分別趨動(dòng)發(fā)光。如果各別光源可縮小成一個(gè)像素就可以晶圓制成顯示器，每個(gè)像素可由上下電極獨(dú)立控制明暗。這種LED顯示器會(huì)比LCD亮麗得多。因?yàn)檫@是主動(dòng)發(fā)光所以也很省電。DLC LED的顯示器可制成手機(jī)的亮麗展示。

若將GaN晶圓上的所有電極加厚(如5μm)， 再鍍上含氫而絕緣的DLC，由于DLC黏不住電極，可以輕易擦除。這種晶圓可復(fù)蓋在DLC PCB上，以芯片接板(Chip on Board)的方式直接軟銲，就可制成車燈式的強(qiáng)光源，也可以小電流各別驅(qū)動(dòng)光點(diǎn)，形成亮麗的顯示器。(如圖19)

結(jié)論
生產(chǎn)藍(lán)光LED的主流制程包括在絕緣藍(lán)寶石(剛玉，即Corandun 或Al2O3的單晶)晶圓(2”,4”,6”)基材上外延磊晶(Hetero-Epitaxy)生長GaN。2010年臺(tái)灣為世界產(chǎn)量最大的國家而日本則為銷售金額最高的國家。然而美國的CREE卻是賺錢最多的LED公司。CREE在2010年所生產(chǎn)的XLamp為世界最先進(jìn)的單芯片LED, 可產(chǎn)生1000 Lumens(10W)，這是大面積垂直芯片的應(yīng)用實(shí)例。

根據(jù)估計(jì)，2010年全球生產(chǎn)了約1千萬片(2吋當(dāng)量)的GaN LED晶圓，產(chǎn)值約20億美元，但只有不及5%的LED使用垂直式設(shè)計(jì)。DLC LED有機(jī)會(huì)讓一顆LED的一生總發(fā)光效率抵上多顆傳統(tǒng)的LED晶粒。例如CREE的2mm單一芯片，其功率可達(dá)10W。若能加入DLC，功率可能再加倍。臺(tái)灣若大量采用DLC LED不僅可打破國外專利的緊箍咒，更可在2012年中國MOCVD機(jī)海產(chǎn)能大開時(shí)以優(yōu)越產(chǎn)品區(qū)隔而提高制造垂直式LED的毛利率。