高效大功率LED芯片关键工艺技术课件

高效大功率LED关键技术中科院半导体研究所

2008.1.24正装条形线阵功率型LED关键技术及进展垂直结构（薄膜结构）功率型LEDA1.正装条形线阵功率型LED关键技术及进展1.1基本结构设计特点1.2关键技术及相关特性分析

(1)双透明电极与LED光电特性

(2)条形线阵结构与LED的光电热特性1.3测试结果1.4结论1.正装条形线阵功率型LED关键技术及进展国家发明专利200710119473.3，已申请国际专利。1.1基本结构设计特点设计特点：条形结构（提高器件光学及热学特性）双透明电极（P、N电极均采用ITO+高反金属膜体系组成）线阵（多单胞）MQWsSapphireN-GaNP-GaNITOITOPadsPadsA1.2关键技术及相关特性分析1.正装条形线阵功率型LED关键技术及进展双透明电极与LED光电特性高透射光学膜ITO与传统半透明欧姆接触电极NiAu体系相比，透射率高15%左右;与P-GaN,N-GaN形成欧姆接触，比电阻分别为3.4*10-4Ωcm2,2*10-7

Ωcm2。采用ITO电极，与传统金属(TiAlTiAu)N电极相比，减少了对光线的吸收。ITO上覆盖金属膜，采用高反射金属体系，减少了传统后金属电极对来自有源区下方和侧面的光的吸收，提高提取效率。MQWsSapphireN-GaNP-GaNITOITOPadsPadsA1.2关键技术及相关特性分析1.正装条形线阵功率型LED关键技术及进展(2)条形线阵结构与LED光、电、热特性线阵结构单胞数与Vf和Iv的关系V（V）00.51.01.52.02.53.03.54.00200400600

8001000Vf：3.2V@350mAI(mA)A：8cellsB：6cellsC：4cellsA1.2关键技术及相关特性分析1.正装条形线阵功率型LED关键技术及进展(2)条形线阵结构与LED光、电、热特性条形结构侧面积大于传统方形结构，增加了侧面出光。条形结构具有较低热阻，大电流下波长漂移小。LED结构热阻典型值(K/W)倒装结构12.83线阵双透明电极结构6.77A1.3测试结果—封装白光LED数据1.正装条形线阵功率型LED关键技术及进展编号光通量(lm)光效（lm/W）工作电压（V）色温(K)备注177.4969.843.175281自封装281.9673.413.194373自封装380.2470.983.234309自封装480.5370.83.255279自封装580.1570.913.235673自封装680.6471.563.225359自封装779.7870.83.225369自封装879.8671.083.215075自封装98069.73.285480外封装测试107666.43.274920外封装测试1177.869.53.25203外封装测试1277.267.33.285155外封装测试1.正装条形线阵功率型LED关键技术及进展1.3测试结果—饱和特性曲线1.正装条形线阵功率型LED关键技术及进展1.3测试结果—老化曲线加速条件：温度80℃，湿度60%；老化电流：350mA；老化时间：1000hr蓝光LED光衰<7%白光LED光衰<10%1.正装条形线阵功率型LED关键技术及进展1.4结论正装条形双透明电极LED在光、电、热特性上优于传统正装结构。器件制程简单，成本低，利于产业化。2.垂直结构（薄膜结构）功率型LED2.1LLO技术基本原理2.2正装、倒装、垂直结构器件光、电、热特性对比分析2.3目前国外采用的主要技术方案2.4国外垂直结构芯片的分析2.5垂直结构关键技术分析2.6目前采用的技术路线2.7研制过程中的主要技术瓶颈及进展

2.垂直结构（薄膜结构）功率型LED2.1LLO技术基本原理为保证LLO后芯片的良品率一般认为：（1）键合界面无空洞、气泡，键合强度均匀一致（芯片破裂、脱落）。（2）GaN与支撑衬底间无空隙。（支撑衬底表面金属对光线吸收？）（3）sapphire背面抛光（激光散射影响薄膜表面形貌）Laser（248nm，GaNbuffer）2.垂直结构（薄膜结构）功率型LED2.2正装、倒装、垂直结构器件光、电、热特性对比分析正装倒装垂直2.垂直结构（薄膜结构）功率型LED2.2正装、倒装、垂直结构器件光、电、热特性对比分析正装倒装垂直光（1）出光路径P-GaN（N＝1.75）

硅胶

空气Al2O3（N＝1.75）

硅胶

空气N（P）－GaN（N＝2.5）

硅胶

空气（2）粗化P－GaN外延粗化，有利于光提取，但Vf偏高。Al2O3粗化，光提取效果不明显。N－GaN湿法粗化（3）透明电极ITO（N＝2.0）应用，大大提高光提取。出光面无法采用ITO，光提取受限。ITO应用存在前后工艺兼容性问题（N朝上），目前尚无产品应用。（4）有源区面积小于垂直结构小于垂直结构有源区面积最大，电流密度小，光效最高。（5）衬底可采用图形衬底可采用图形衬底采用图形衬底有一定难度结论：若垂直结构中应用图形衬底、ITO、表面粗化等技术手段，可以获得最高的提取效率。2.垂直结构（薄膜结构）功率型LED2.2正装、倒装、垂直结构器件光、电、热特性对比分析正装倒装垂直电（1）电流均匀性存在电流拥挤现象存在电流拥挤现象电流扩展最好，电流分布均匀（2）正向电压相对较高相对较高可获得最小的Vf值（3）电流密度相对较大相对较大电流密度小，在光效、饱和电流、长期可靠性等方面具有优势。热（1）热阻热阻较大由导热通路面积决定热阻最小，大电流下，峰值波长漂移最小。结论：1、垂直结构热稳定性最优。2、垂直结构进一步优化器件制程有可能获得最高光效。3、PSS外延材料应用于垂直结构有待于进一步研究。2.垂直结构功率型LED2.3目前国外采用的技术方案国外技术路线整片键合一次性薄膜转移（N向上）整片键合二次薄膜转移（P向上）整片电铸技术三维结构Jun-tangChun2005Shao-Huahuang2005及部分生产厂家W.Y.Lin2005W.Y.Lin2005Jamepeng2007（1）（2）（3）（4）2.垂直结构功率型LED2.3目前国外采用的技术方案——技术方案比较（1）整片键合一次性薄膜转移（N向上）优点：1、从芯片制程到测试封装与企业生产线设备完全兼容，易于实现产业化。2、适合批量化生产3、制作工艺相对简单，周期短缺点：狭缝填充困难，对相关工艺要求高。2.垂直结构功率型LED2.3目前国外采用的技术方案——技术方案比较（2）整片键合二次性薄膜转移（P向上）优点：1、树脂粘接（玻璃与P－GaN）容易实现。缺点：1、树脂粘接剂挥发过程放气，因此为保证键合强度，必须长时间加热赶气，周期较长，产业化如何？2、后续工艺（如去除树脂、玻璃）是否存在工艺兼容性问题？此外树脂去除

用溶剂是否对P、N电极造成影响。

2.垂直结构功率型LED2.3目前国外采用的技术方案——技术方案比较（3）整片电铸技术难点：1、高选择比的树脂成型技术2、电镀技术：化学镀结合电镀；Stepcorer结合电镀。3、树脂固化过程中与GaN表面分离，电镀时造成电极互联。4、电镀的致密性影响键合强度。5、周期较长，是否适合产业化应用？2.垂直结构功率型LED2.3目前国外采用的技术方案——技术方案比较（4）三维结构倒装＋薄膜（结构复杂）2.垂直结构功率型LED垂直结构样品1结论：1Au－Au键合2N电极：Al/Ni/Au3出光面：无ITO，经过表面粗化处理4应用了填充技术2.4国外垂直结构芯片的分析1端面SEM

2出光面SEM

2出光面能谱Ga；N；Si；O3N电极AES

4键合金属AES

Al；AuAu；AuC；O2.垂直结构功率型LED垂直结构样品2结论：1Au－Sn键合2N电极：Ti/Au3出光面：无ITO经过表面粗化处理4应用了填充技术2.4国外垂直结构芯片的分析1出光面SEM

1出光面

能谱

Ga；N；Si；O2端面SEM

2端面能谱C；O

3N电极AES

Ti；AuSn；Au

4键合金属能谱2.垂直结构功率型LED垂直结构样品3结论：1SiC衬底外延2N电极：Al/Ti/Au3出光面：无ITO经过表面粗化处理2.4国外垂直结构芯片的分析1出光面SEM

1出光面SEM

2出光面能谱2出光面能谱

3N电极AES

2截面SEM

Al；Ti；AuGa；N；Si；2.垂直结构功率型LED

1、

键合金属体系选择；Au－Au（高温）（键合温度较高，应力大）Au－Sn（低温）

（键合温度低，应力较大）Pd－In（低温）

2、支撑衬底选择（Si，Ge，Cu及其合金）

2.5关键技术分析SiGeAl2O3GaNCu（合金）Au热膨胀系数2.55.74.63.2-5.594.5-16.514.1热导率1506035130167-400311结论：1、Si、Ge易划片，但键合时晶片容易形变，断裂。2、Cu衬底不易破碎，但因其热膨胀系数较大，因此要考虑工艺兼容问题。3、Cu合金需采用激光切割。应力过大，造成晶片断裂2.垂直结构功率型LED3、

反射镜设计应保证在bonding等高温条件下仍具有较高的反射率。4、填充技术；填充和键合是获得LLO后高良品率的关键。

2.5关键技术分析高温键合后反射镜被破坏2.垂直结构功率型LED5、激光剥离技术1）光斑整形，光斑能量均匀性控制。2）激光能量选取。6、N－GaN湿法粗化技术。（KOH）7、电铸技术1）大深宽比的树脂围墙成型技术。2）step－cover金属沉积技术。3）大面金属电镀技术（化学镀结合电镀）。

2.5关键技术分析围墙高度>100um2.垂直结构功率型LED2.6采用的技术路线在文献调研和对国外实际芯片的分析的基础上确定我门的技术路线。指导思想：1、工艺力求简单，具有高的良品率，适合于企业规模化生产。2、要有自己的知识产权。技术路线：目前选择Cu衬底，以一次