基于Si襯底的功率型GaN基LED制造技術
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1993年世界上第一只GaN基藍色LED問世以來，LED制造技術的發(fā)展令人矚目。目前國際上商品化的GaN基LED均是在藍寶石襯底或SiC襯底上制造的。但藍寶石由于硬度高、導電性和導熱性差等原因，對后期器件加工和應用帶來很多不便，SiC同樣存在硬度高且成本昂貴的不足之處，而價格相對便宜的Si襯底由于有著優(yōu)良的導熱導電性能和成熟的器件加工工藝等優(yōu)勢，因此Si襯底GaN基LED制造技術受到業(yè)界的普遍關注。
目前日本日亞公司壟斷了藍寶石襯底上GaN基LED專利技術，美國CREE公司壟斷了SiC襯底上GaN基LED專利技術。因此，研發(fā)其他襯底上的GaN基LED生產(chǎn)技術成為國際上的一個熱點。南昌大學與廈門華聯(lián)電子有限公司合作承擔了國家863計劃項目“基于Si襯底的功率型GaN基LED制造技術”，經(jīng)過近三年的研制開發(fā)，目前已通過科技部項目驗收。
1 Si襯底LED芯片制造
1.1 技術路線
在Si襯底上生長GaN，制作LED藍光芯片。
工藝流程：在Si襯底上生長AlN緩沖層→生長n型GaN→生長InGaN／GaN多量子阱發(fā)光層→生長p型AIGaN層→生長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、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AlN緩沖層，然后依次生長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襯底腐蝕去除并暴露n型GaN層，使用堿腐蝕液對n型面粗化后再形成n型歐姆接觸，這樣就完成了垂直結構LED芯片的制作。結構圖見圖1。
從結構圖中看出，Si襯底芯片為倒裝薄膜結構，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。這種結構芯片電流垂直分布，襯底熱導率高，可靠性高；發(fā)光層背面為金屬反射鏡，表面有粗化結構，取光效率高。
1.3 關鍵技術及創(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的熱膨脹系數(shù)差別也將導致GaN膜出現(xiàn)龜裂，晶格常數(shù)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(lián)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，深入研究和采用了發(fā)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歐姆電極制備技術及鍵合技術、高出光效率的外延材料表面粗化技術、襯底圖形化技術、優(yōu)化的垂直結構芯片設計技術，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451 nm、工作電壓3.2 V的藍色發(fā)光芯片，完成課題規(guī)定的指標。采用的關鍵技術及技術創(chuàng)新性有以下幾個方面。
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