蓝宝石图形化衬底的GaN 基LED 大功率芯片的研究和产业化

３２２００９全国半导体照明技术与应用论坛论文集蓝宝石图形化衬底的ＧａＮ基ＬＥＤ大功率芯片的研究和产业化艾常涛易贤靳彩霞董志江（武汉迪源光电科技有限公司）摘要：本篇对比研究了蓝宝石图形衬底（ＰＳＳ）和平面衬底（ｎｏｎ—ＰＳＳ）上制备ＧａＮ基４５ｍｉｌ功率型ＬＥＤ芯片的光电特性。相比较平面衬底，在Ｐｓｓ衬底上制备的大功率芯片的发光效率提升４１．Ｏ％，将ＰＳＳ制备的大功率芯片封装成白光在３５０ｍＡ下达到９５１ｍ以上，其发光效率达８５１ｍ／Ｗ。另夕ｂＰＳＳ制备的大功率芯片具有良好的可靠性和稳定性，３５０ｍＡ和７００ｍＡ下老化ｌ０００虹圯衰分别为．０．４％和２．８％，并成功解决了产业化的关键技术。一、引言随着ＧａＮ基第三代半导体材料的兴起，蓝色以及白色发光二级管（ＬＥＤ）的研制成功，发光强度和发光效率的不断提高，ＬＥＤ已经被公认为最有可能进入通用照明领域的新型固态冷光源，因而在近年来成为全球关注的焦点。与传统照明光源相比，白炽灯的发光效率为１５１ｍ／Ｗ，荧光灯发光效率为７０—１００１ｍ／Ｗ，目前国外产业化的功率型ＬＥＤ光效为８０１ｍ／Ｗ，而理论预测ＬＥＤ发光效率可以达到３００１ｍ／Ｗ，因而，现阶段ＬＥＤ的发光效率偏低和光通量成本偏高是制约其大规模进入照明领域的两大瓶颈，要逐步取代现有照明光源，还需要进一步提高ＬＥＤ的发光效率。ＬＥＤ的发光效率一般称为外部量子效率（Ｔ１鲥），它主要取决于ＬＥＤ的内量子效率（１１ｉｍ）与提取效率（Ｔ１。）的乘积。现阶段ＧａＮ基ＬＥＤ的内量子效率已经达到７０－８０％ｔ¨，因而通过提高内量子效率来大幅度提高ＬＥＤ发光效率已没有很大的空间【２１．而对于传统的正装结构ＧａＮ基ＬＥＤ，ＧａＮ材料的折射率为２．４，对应于临界全反射角０。＝２４．５０，理论上只有２０％左右的光子能够逃逸出去，因而提高ＬＥＤ的提取效率成为全球半导体研究的前沿和热点。通过透明接触层【３１、倒金字塔结构【４１、倒装芯片【５１、垂直结构［６１、表面粗化ｍ、布拉格反射层（ＤＢＲ）结构【引、光子晶体【９Ｉ等技术改进能够有效的提高芯片的光提取效率，而蓝宝石图形化衬底（ＰＳＳ）技术由于能够降低外延层应力、改善晶体生长性能、增加ＧａＮ／蓝宝石接触面逸出角等优势ｍ１１】，近年来成为关注的焦点。本文基于蓝宝石图形化衬底，通过外延生长、芯片制程制造高亮度ＬＥＤ芯片，对ＰＳＳ上生长ＬＥＤ的光电性能进行了系统研究，并深入分析ＰＳＳ的影响机理，ＬＥＤ器件发光效率达到８５ｌｍ，ｗ。－＿、ｉ百．：口工二、实验蓝宝石图形化衬底制备：用金属掩膜版将周期性图形转移到蓝宝石衬底上，再用ＩＣＰ干法刻蚀蓝宝石衬底，从而在衬底上形成周期性结构。外延生长：采用第三代金属有机物化学气相沉积（ＭＯＣＶＤ）系统，在１０００６Ｃ左右Ｈ２氛围下将衬底灼烧约ｌＯｈ＇唧后，分别在普通蓝宝石衬底（Ｎｏｎ．ＰＳＳ）上依次生长４０ｒｉｍＧａＮ形核层、２．５１ａｍｔｌ；掺杂ＧａＮ层、２．５岬的ｓｉ掺杂ｎ－ＧａＮ层、２００ｎｍｌｎＧａＮ／ＧａＮ多量子阱（ＭＱＷ）有源层、５０ｎｍＭｇ掺杂仙．１５Ｇａｏ’８５Ｎ层以７及２５０ｎｍ的Ｍｇ掺杂Ｐ—ＧａＮ层，ＭＱＷ结构由十个周期逐层生长，每个周期由２衄的Ｉｎ０．２２Ｇａ０．，ｓＮ与１０ｎｍ厚的ＧａＮ层组成，在蓝宝石图形衬底（ＰＳＳ）上外延生长２００９±州半导体ｍ明技术与应州睦坛沧丈集时，为避免因衬底表面的图形规则凹坑导致更多晶体缺陷，在缓冲层以厦非掺杂ＧａＮ层的厚度以及生长速率上进行涧整优化，生长的外延结构罔如罔ｌ所示：——ｉｉｉ一——ｎＧｄ＝＝＝ｍｍｉ—Ｐｍｔｅｒｎｅｄｓａ口ｍ】ｒｅｓｕｂｓｔＩｍ。图１ＰＳＳ上生长的外延结构示意图ＬＥＤ芯片制程：电千束蒸镀３００ｎｍ的ＩＴ０薄膜作为ｐ型接触层，通过甚应耦台等离子系统（ＩＣＰ）划蚀列ｎ型ＯａＮ．然后燕镀ｌｕｍ的Ａｕ电极，并采用等离干增强化学５ｔ相沉积法（ＰＥＣＶＤ）沉积ｓｐ触化层，最后在蓝宝石衬底的背面蒸镀反射膜，通过光刻、刘蚀、燕镀、沉积、热处理清洗、划片、厝”、测战、分选等多次‘Ｔ＝序后得到４５ｍｌｌ规格功率型ＬＥｎ枣片成品，并对芯片进行封装测试．ＬＥＤ芯片结构如牲１２所示。‘Ｈ㈨】】ｒ”●■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■一ｍｆ…１ｒＩ图２４５ｍｉｌ功率型ＬＥＤ芯片结构示意图测试：通过扫面电子显微镜税察ＰＳＳ形貌，录用ＦｉｔＴｅｃｈＩＰＴ６０００整合型ＬＥＤ晶粒点洲机、枕卅ｊｔ方ＬＥＤ３００型光色电综合测量系统测试ＬＥＤ芯片的正向压降（Ｖｆ）、光功率（Ｐ）、波长（ｘ）封装成品光通量（【Ｄ）、抗静电性能（ＥＳＤ）、老化曲线等光电参数。三、结果与讨论通过扫描电子吐微镜（ＳＥＭ）图形对ＩＣＰ干法刻ｉ虫的ＰＳＳ进行测试．得到女Ｉ『图３所爪的币意图．由囝ｕｒ知制作的ＰＳＳ结拘规整，大小及深度具有良好的均一性，半圆球直径约为３／ａｍ，中心问距为６｝ＩＴ【１高约ＩｌｌｌＴｌ。囝３ＰＳＳ的ＳＥＭ示意圈２００９全用半导体月明技术与应用论坛论文集图４为ＰＳＳ上制程的４５ｍｉｌ大功率ＬＥＤ芯片的ｖ＿Ｉ曲线，曲线表现为典型的二极管特性。在整个测试范围内，电流随电压呈平滑的变化，反映了器件稳定的电学性能。在３５０ｍＡ驱动电流．器件的正ｌｑ压降约为３３５Ｖ。此外．在反向１０Ｖ电压时，８０％以上芯片反向漏电流低于０５¨，在反向］Ｏｖａ下电压为２ＩＶ，均体现出良好的漏电特性。ｌ刊４ＰＳＳｌ－制挫４５ｍｉｌ大功率ＬＥＤ芯片的Ｖ－ｌｌｉｈ线幽５揭示Ｊ＇ＰＳＳ以眭Ｎｏｎ－ＰＳＳ，９Ｉ程ＬＥＤ芯片的光功率吼厦发光效牢，与Ｎｏｎ＋ＰＳＳ制程ＬＥＤ芯片相比ＰＳＳＺ９Ｊ程ＬＥＤ芯片且打更高的止功牢和发光杖牢围６出示ＴｅＳＳ以及Ｎｏｎ．ＰＳＳ制程ＬＥＤ。Ｓ片的饱和曲线能罅发现，当输入电流较小时随荷｝ｉｉ八电流的增加，此功率线性增打¨而ＰＳＳ制程ＬＥＤ，卷片的输出光功率始终大十ＮｏｎＰＳＳ％Ｊｌ程芯¨．在３５０ｍＡ输八电流时ＰＳＳ制程芯¨光功牢为２９５ｍＷ，Ｉｌｌ［ＮｏｎＰＳＳ．０¨样＾ｊ为２４５ｍＷ。嘲而，ｊｍ过在ｅｓｓｒ制程ＬＥＤ芯Ｈｕｒ以提高输出光功率逃２２９％，光敏提高约４Ｉｏ％，这种改普上要”１功于ＰＳＳ提高了芯Ｊ｝内音Ｉ；光干的逸出牢¨时也Ｉ女叫ＰＳＳ的生长日Ｅ啦有效＆善品体生长性能，在定程度ｒ提高了内睛ｒ艘率ｋ图５ＬＥＤ芯片的光功率以及封装成品的光通量圈６ＬＥＤ芯片的饱和曲线图图７给出ＹＰＳＳ制程功率型ＬＥｎ苎片在３５０ｍＡ以厦７００ｍＡ时的老化曲线，由图可以发现．ＬＥＤ芯片具有良好的可靠性和稳定性，３５０ｍＡＦ１０００４，时光衰为．０４％，而７００ｍＡＪ／Ｉ］速老化１０００ｄ，时光衰为２８％。图７ＬＥＤ芯片（ＰＳＳ）的老化曲线２册々十【目ｔ＊＊％Ⅲ摧求ｔ－＾川ｔｋ＊女难四、产业化恻８硅不ＹＰＳＳ上制备的ＬＥＤ芯片的光电参数舒佑图．由图可知，正向降主要分布在３３．３４Ｖ．渡长上要分布在４５５＿４６０ｎｍ而光功率删｜丰要分布在２８５－３００ｍＷ．通过大量的研究已成功解决ｒ产ｑｋ化的关崩￡术幽８ＰＳＳ上制备ＬＥＤ芯，片的光电参数分布斛（ａ正向压降分布幽ｂ波长分布图ｃ光功率分布图五、结论在ＰＳＳ上戚功制程了４５ｍＪｌＪＪｊ率型ＬＥＤＪｌ‘ＪＩ并腹功将其产、ｌｋ化．’７ＮｏｎＰＳＳ制程芯片相比，ｊ‘发光效率提高４Ｉｏ％封装白光ＬＥＤｔｌ单颗ＬＥ时ｒ发光亮度达到９５１ｍ以上，其发光效率达８５１ｍｔＷ。参考文献…Ｋａｗａｋａｒｒ＿ｉＶＮａｍｋａｗａＶＯｍａｅ２０００，１７８：３３１Ｋｅ￡ａｌＤｉｍｅｎｓｌｏｎａｌｉｔｙ“ｅｘｃｉｌｕｎｓｉｎｆｏＧａＮ女螂ｄｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓＰｈｙｓＳｌａｔｕｓＳｏｌｉｄｉＡ，【２】爱长小车志锋『芜等抛物线型｝憾ＩｎＧａＮ／Ｇ４Ｎ发光一概臂的模姒Ⅻ充ｆｊｌ半导体半报．２００６１３ｉＳＪＣｈａｎｇ，ＣＳＣｈａｎｇ，ＹＫＳｕｄａＩＮｉｍｄｅｈ“日ＩＥＤｓｗｉｌｈＩｃｘＩｕｒ“ｓｉｄｅｗａｌｌｓＩＥＥＥＪＱ＿＿ａｎｔｕｍＧ…㈣５（２００５）㈣６ｆ４］ＥｉｓｅｒｔＤ，Ｈ州ｃＶＳｉｍｕｌａｆｏＴＩｓｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐ…ｓｏｆＧａＮ＇ｂａ州ＬＥＤｓ∞ｄ］ａｓｅｔｄｉｏｄＥｏ…ＯｐｔｏＳｅｍｉｃｏｎｄｕｅｔｏ＾‰ｂＨ，Ｈｉｇｈ－Ｂｎｇｈｔｎ＊ｓＧａＮＢ∞ｅｄＦｌｉｐＣｈｉｐＬＥＤｓＥＩ…ｎ２７（Ｉ）・１００—１０４３９】４３９（２００３）ＪＲＬ∞ＳＬＮａ，Ｊｌ¨∞ｎｇｅｌａｌＨｉｇｈｌｙＲｅｌｉａｂｌｅＦｌｍｈｃ｜｜ｌｓｏｃＩ５２，Ｇ９２ＤＷＫｉｍＨＶ‰，ＭＣ‰ｅｔａｉｓｌ舯ｕａｃｌＨｉｎｌｙｅｆｌｊｃｌｅｎｔｖｃｒＩｉｃａｌｌａｓ“－ＴｉｆｉｏｆｆＧａＮ－ｂａ．ｓｃｄＩｉｇｈｌ－ｃｍｉｔｏｎｇｄｉｏｄｅｓｆｏｒｍｅｄｂｙｏｐｔｉｍｉｚａｌｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｌｈｏｄｅ５ＩｎｃｍｍＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓｋ毗ｎ８６０５２１０８（２００５１【７］ｔＰｈｙｓＦｕＪｉｉ、ｉＧａｏＲａｔｋｍｗｉｎｔｈｅｅｔｅｘｉｒａｃｏｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ“（ＴａＮｔ慨ｄｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｎｉｎｇｄｌｏｄ％ｖｌａｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｅｎｉｎｇＡｐｐｌＬｃｌｔ科９５５（２００４）【８ＩＮＮａｋａｄａａ，ＭＮａｋａｊｉ，Ｓｈｕ“ａ－ｋｕａｌ［ｍｐｒｏｘｃｄｃｈａＲｃｔｅｎｄｉｓｔｄｈｕｔｅｄＢｍｇｇ’ｅｎ㈨ｇｒｏｇｎＡＪｓｔｉｃｓｏｆｌｎＧａＮｍｕ…Ｐｌ。１“ａｎｎｍｗｃｌｌＩｌ曲Ｉ－ｃＴ｜ｆｉｕｉｎｇｄｌｏｄｅｂｙＧａＮ／ＡＩＧａＮｏｆｆ∞ｐｐｈｉｒｅＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｌｌｅｒｓ７６１８０５（２０００）【９１ｔＫｉｍＤＷｍｅｒａｎｄＫＤＣｈｏｑｕｅａｅ４】２０（２００５）ｅｌＥｎｈｎｃｃｍｃ㈣ｉｎｘｔ…Ｉｑｕａｎ岫ｅｆ＊ｅｉｅｎｅｙｏｆｂｌｕｅｌｉｇｈｔｅｍｉａｉｎｇｄｉｏｄｅｂｙｐｈｏｔｏｎｌｃｃｏｊｓｔａ］ｓｕｒ耻ｏｇ“ｔｉｎｇＥＩｃｃｕｏａｌｃｓＬｅｔＩｅｒｓ【１０１ＤＳⅥｕｕＷＫＷａｎｇｗｃＳｈｉｈａｌＩＥＩＥＰｈｏｔｏｎｌｃｃｈ［｜ｅｔｔｓ】７】４０３（２００５）Ｌｃｌｔｓｓ【ＩＩ］Ｙ】ＬｅｅＪＭＨｗａｎｇｒｃＨｓｕｄａｌＩＥＥＥＰｈｏｌｏｎｉｅｓｎｏｈ１１５２（２００６）