LED制造技术及LED照明产业的现状与前景分析.docVIP

LED 制造技术及LED 照明产业的 现状与前景分析 摘 要：介绍了Si 衬底功率型GaN 基LED 芯片和封装制造技术, 分析了Si 衬底功率型GaN 基LED 芯片制造技术,其应用前景广阔, 是值得大力发展的一门新技术。本文也分析了国内外LED照明产业的发展现状，并简要论述了LED照明产业的前景、发展方向、机遇和挑战。 关键词：硅衬底; 氮化镓基; LED 芯片; LED 产业；封装发展现状；前景分析 1 引言 1993 年世界上第一只GaN 基蓝色LED 问世以来, LED 制造技术的发展令人瞩目。目前国际上商品化的GaN 基LED 均是在蓝宝石衬底或SiC 衬底 上制造的。但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因, 对后期器件加工和应用带来很多不便,SiC 同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处, 而价格相对便宜的Si 衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势, 因此Si 衬底GaN 基LED 制造技术受到业界的普遍关注。 在全球气候变暖的背景下，节能减排已成为全球的热点和重点，这也吹响了具有低能耗、无污染特点的LED （Light Emitting Diode，即发光二极管） 照明行业腾飞的号角，全球已经掀起了投资LED 的热潮。在我国大力倡导节能环保以及城市化进程不断加快的形势下，LED 无疑获得了战略性的发展机遇。本文分析了国际、国内LED 照明产业发展现状，并简要论述了LED 照明产业的发展前景、方向和挑战。 2 Si 衬底LED 芯片制造 2.1技术路线 在Si 衬底上生长GaN, 制作LED 蓝光芯片。工艺流程: 在Si 衬底上生长AlN 缓冲层→生长n 型GaN →生长InGaN/ GaN 多量子阱发光层→生长p 型AlGaN 层→生长p 型GaN 层→键合带Ag 反光层并形成p 型欧姆接触电极→剥离衬底并去除缓冲层→ 制作n 型掺Si 层的欧姆接触电极→合金→钝化→划片→测试→包装。 2.2 主要制造工艺 采用Thomas Swan CCS 低压MOCVD 系统在50 mm Si ( 111) 衬底上生长GaN 基MQW 结构 。使用三甲基镓( TMGa ) 为Ga 源、三甲基铝(TMAl) 为Al 源、三甲基铟( TMIn) 为In 源、氨气( NH3 ) 为N 源、硅烷( SiH4 ) 和二茂镁(CP2Mg) 分别用作n 型和p 型掺杂剂。首先在Si( 111) 衬底上外延生长AlN 缓冲层, 然后依次生长n 型GaN 层、InGaN/GaN 多量子阱发光层、p 型AlGaN 层、p 型GaN 层, 接着在p 面制作Ag 反射镜并形成p 型欧姆接触, 然后通过热压焊方法把外延层转移到导电基板上, 再用Si 腐蚀液把Si 衬底腐蚀去除并暴露n 型GaN 层, 使用碱腐蚀液对n 型面粗化后再形成n 型欧姆接触, 这样就完成了垂直结构LED 芯片的制作。结构图见图1 图1 Si 衬底GaN 基LED 芯片结构图 从结构图中看出, Si 衬底芯片为倒装薄膜结构, 从下至上依次为背面Au 电极、Si 基板、粘接金属、金属反射镜( p 欧姆电极) 、GaN 外延层、粗化表面和Au 电极。这种结构芯片电流垂直分布, 衬底热导率高, 可靠性高; 发光层背面为金属反射镜, 表面有粗化结构, 取光效率高。 2.3关键技术及创新性 用Si 作GaN 发光二极管衬底, 虽然使LED 的制造成本大大降低, 也解决了专利垄断问题, 然而与蓝宝石和SiC 相比, 在Si 衬底上生长GaN 更为困难, 因为这两者之间的热失配和晶格失配更大,Si 与GaN 的热膨胀系数差别也将导致GaN 膜出现龟裂, 晶格常数差会在GaN 外延层中造成高的位错密度; 另外Si 衬底LED 还可能因为Si 与GaN 之间有0.5 V的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成p 型掺杂效率低, 导致串联电阻增大, 还有Si 吸收可见光会降低LED 的外量子效率。因此, 针对上述问题, 深入研究和采用了发光层位错密度控制技术、化学剥离衬底转移技术、高可靠性高反光特性的p 型GaN 欧姆电极制备技术及键合技术、高出光效率的外延材料表面粗化技术、衬底图形化技术、优化的垂直结构芯片设计技术。采用的关键技术及技术创新性有以下几个方面。 ( 1) 采用多种在线控制技术, 降低了外延材料中的刃位错和螺位错, 改善了Si 与GaN 两者之间的热失配和晶格失配, 解决了GaN 单晶膜的龟裂问题, 获得了厚度大于4 um的无裂纹GaN 外延膜。 ( 2) 通过引入AlN, AlGaN 多层缓冲层, 大大缓解了Si 衬底上外延GaN 材料的应力, 提高了晶体质量, 从而提高了发光效率。 ( 3) 通过优化设计n-GaN 层中Si 浓