矽襯底LED晶片是GaN基在矽襯底上製造的一種led晶片，矽襯底LED晶片問世不久，但是在硬度、導電性、導熱性、價格及加工工藝上已經相較傳統LED晶片有了明顯的優勢，受到業界的廣泛關注。
基本介紹
- 中文名：矽襯底LED晶片
- 尺寸：1 mm×1 mm
- 發光波：451 nm
- 工作電壓：3.2 v
製造工藝,關鍵技術,封裝技術,主要意義,
製造工藝
採用thomas swan ccs低壓mocvd系統在50 mm si(111)襯底上生長gan基mqw結構。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、矽烷(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aln緩衝層，然後依次生長n型gan層、ingan/gan多量子阱發光層、p型algan層、p型gan層，接著在p面製作ag反射鏡並形成p型歐姆接觸，然後通過熱壓焊方法把外延層轉移到導電基板上，再用si腐蝕液把si襯底腐蝕去除並暴露n型gan層，使用鹼腐蝕液對n型面粗化後再形成n型歐姆接觸，這樣就完成了垂直結構led晶片的製作。結構圖見圖1。
從結構圖中看出，si襯底晶片為倒裝薄膜結構，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。這種結構晶片電流垂直分布，襯底熱導率高，可靠性高；發光層背面為金屬反射鏡，表面有粗化結構，取光效率高。
關鍵技術
用si作gan發光二極體襯底，雖然使led的製造成本大大降低，也解決了專利壟斷問題，然而與藍寶石和sic相比，在si襯底上生長gan更為困難，因為這兩者之間的熱失配和晶格失配更大，si與gan的熱膨脹係數差別也將導致gan膜出現龜裂，晶格常數差會在gan外延層中造成高的位錯密度；另外si襯底led還可能因為si與gan之間有0.5 v的異質勢壘而使開啟電壓升高以及晶體完整性差造成p型摻雜效率低，導致串聯電阻增大，還有si吸收可見光會降低led的外量子效率。因此，針對上述問題，深入研究和採用了發光層位錯密度控制技術、化學剝離襯底轉移技術、高可靠性高反光特性的p型gan歐姆電極製備技術及鍵合技術、高出光效率的外延材料表面粗化技術、襯底圖形化技術、最佳化的垂直結構晶片設計技術，在大量的試驗和探索中，解決了許多技術難題，最終成功製備出尺寸1 mm×1 mm，350 ma下光輸出功率大於380 mw、發光波長451 nm、工作電壓3.2 v的藍色發光晶片，完成課題規定的指標。採用的關鍵技術及技術創新性有以下幾個方面。
(1)採用多種線上控制技術，降低了外延材料中的刃位錯和螺位錯，改善了si與gan兩者之間的熱失配和晶格失配，解決了gan單晶膜的龜裂問題，獲得了厚度大於4 μm的無裂紋gan外延膜。
(2)通過引入ain，algan多層緩衝層，大大緩解了si襯底上外延gan材料的應力，提高了晶體質量，從而提高了發光效率。
(3)通過最佳化設計n-gan層中si濃度結構及量子阱/壘之間的界面生長條件，減小了晶片的反向漏電流並提高了晶片的抗靜電性能。
(4)通過調節p型層鎂濃度結構，降低了器件的工作電壓；通過最佳化p型gan的厚度，改善了晶片的取光效率。
(5)通過最佳化外延層結構及摻雜分布，減小串聯電阻，降低工作電壓，減少熱產生率，提升了led的工作效率並改善器件的可靠性。
(6)採用多層金屬結構，同時兼顧歐姆接觸、反光特性、粘接特性和可靠性，最佳化焊接技術，解決了銀反射鏡與p-gan粘附不牢且接觸電阻大的問題。
(7)優選了多種焊接金屬，最佳化焊接條件，成功獲得了gan薄膜和導電si基板之間的牢固結合，解決了該過程中產生的裂紋問題。
(8)通過濕法和乾法相結合的表面粗化，減少了內部全反射和波導效應引起的光損失，提高led的外量子效率，使器件獲得了較高的出光效率。
(9)解決了gan表面粗化深度不夠且粗化不均勻的問題，解決了粗化表面清洗不乾淨的難題並最佳化了n電極的金屬結構，在粗化的n極性n-gan表面獲得了低阻且穩定的歐姆接觸。
封裝技術
2.1 技術路線 採用藍光led激發yag/矽酸鹽/氮氧化物多基色體系螢光粉，發射黃、綠、紅光，合成白光的技術路線。
工藝流程：在金屬支架/陶瓷支架上裝配藍光led晶片(導電膠粘結工藝)→鍵合(金絲球焊工藝)→螢光膠塗覆(自動化圖形點膠/自動噴射工藝)→si膠封裝(模具灌膠工藝)→切筋→測試→包裝。
2.2 主要封裝工藝 si襯底的功率型gan基led封裝採用仿流明的支架封裝形式，其外形有朗柏型、矩形和雙翼型。其製作過程為：使用導熱係數較高的194合金金屬支架，先將led晶片粘接在金屬支架的反光杯底部，再通過鍵合工藝將金屬引線連線led晶片與金屬支架電極，完成電氣連線，最後用有機封裝材料(如si膠)覆蓋晶片和電極引線，形成封裝保護和光學通道。這種封裝對於取光效率、散熱性能、加大工作電流密度的設計都是最佳的。
其主要特點包括：熱阻低(小於10 ℃/w)，可靠性高，封裝內部填充穩定的柔性膠凝體，在-40～120℃範圍，不會因溫度驟變產生的內應力，使金絲與支架斷開，並防止有機封裝材料變黃，引線框架也不會因氧化而沾污；最佳化的封裝結構設計使光學效率、外量子效率性能優異。
主要意義
si襯底的gan基led製造技術是國際上第三條led製造技術路線，是led三大原創技術之一，與前兩條技術路線相比，具有四大優勢：
第一，具有原創技術產權，產品可銷往國際市場，不受國際專利限制。
第二，具有優良的性能，產品抗靜電性能好，壽命長，可承受的電流密度高。
第三，器件封裝工藝簡單，晶片為上下電極，單引線垂直結構，在器件封裝時只需單電極引線，簡化了封裝工藝，節約了封裝成本。
第四，由於si襯底比前兩種技術路線使用的藍寶石和sic價格便宜得多，而且將來生產效率更高，因此成本低廉。
經過三年的科技攻關，課題申請發明專利12項、實用新型專利7項，該技術成功突破了美國、日本多年在半導體發光晶片(led)方面的專利技術壁壘，打破了目前日本日亞公司壟斷藍寶石襯底和美國cree公司壟斷sic襯底半導體照明技術的局面，形成了藍寶石、sic、si襯底半導體照明技術方案三足鼎立的局面。因此採用si襯底gan的led產品的推出，對於促進我國擁有智慧財產權的半導體led照明產業的發展有著重大意義.
