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，金屬會沿界面逐漸剝離。

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)，因此可將熱點即時消除，LED的亮度和GaN的缺陷密度息息相關(guān)，而瞬間熱點更會擴(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，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1W的LED(晶上板或Chip on Board)，可用于高功率CPU、陸燈、投影燈、舞臺燈、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。由于軟銲時液體必須潤濕接合全部面積而常會黏結(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這樣就可能分別趨動發(fā)光。如果各別光源可縮小成一個像素就可以晶圓制成顯示器，每個像素可由上下電極獨立控制明暗。這種LED顯示器會比LCD亮麗得多。因為這是主動發(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)動光點，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)用實例。

根據(jù)估計，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。DLC LED有機(jī)會讓一顆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)能大開時以優(yōu)越產(chǎn)品區(qū)隔而提高制造垂直式LED的毛利率。