低熱阻高光效藍(lán)寶石基GaN LED材料外延及芯片技術(shù)

LED外延片生長的基本原理是:在一塊加熱至適當(dāng)溫度的襯底基片(主要有藍(lán)寶石和、SiC、Si)上，氣態(tài)物質(zhì)InGaAlP有控制的輸送到襯底表面，生長出特定單晶薄膜。目前LED外延片生長技術(shù)主要采用有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積方法。

LED外延片襯底材料是半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展的基石。不同的襯底材料，需要不同的LED外延片生長技術(shù)、芯片加工技術(shù)和器件封裝技術(shù)，襯底材料決定了半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展路線。

LED外延片襯底材料選擇特點(diǎn):

1、結(jié)構(gòu)特性好，外延材料與襯底的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配度小、結(jié)晶性能好、缺陷密度小

2、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性強(qiáng)

3、化學(xué)穩(wěn)定性好，在外延生長的溫度和氣氛中不容易分解和腐蝕

4、熱學(xué)性能好，包括導(dǎo)熱性好和熱失配度小

5、導(dǎo)電性好，能制成上下結(jié)構(gòu) 6、光學(xué)性能好，制作的器件所發(fā)出的光被襯底吸收小

7、機(jī)械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等

8、價格低廉。

9、大尺寸，一般要求直徑不小于2英吋。

10、容易得到規(guī)則形狀襯底(除非有其他特殊要求)，與外延設(shè)備托盤孔相似的襯底形狀才不容易形成不規(guī)則渦流，以至于影響外延質(zhì)量。

11、在不影響外延質(zhì)量的前提下，襯底的可加工性盡量滿足后續(xù)芯片和封裝加工工藝要求。

襯底的選擇要同時滿足以上十一個方面是非常困難的。所以，目前只能通過外延生長技術(shù)的變更和器件加工工藝的調(diào)整來適應(yīng)不同襯底上的半導(dǎo)體發(fā)光器件的研發(fā)和生產(chǎn)。用于氮化鎵研究的襯底材料比較多，但是能用于生產(chǎn)的襯底目前只有二種，即藍(lán)寶石Al2O3和碳化硅SiC襯底。表2-4對五種用于氮化鎵生長的襯底材料性能的優(yōu)劣進(jìn)行了定性比較。

LED外延片的襯底材料考慮的因素:

1、襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配:外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低;

2、襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配:熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會在器件工作過程中，由于發(fā)熱而造成器件的損壞;

3、襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配:襯底材料要有好的化學(xué)穩(wěn)定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因?yàn)榕c外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降;

4、材料制備的難易程度及成本的高低:考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜很高。襯底尺寸一般不小于2英寸。

目前LED外延片襯底材料

當(dāng)前用于GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有兩種，即藍(lán)寶石和碳化硅襯底。其它諸如GaN、Si、ZnO襯底還處于研發(fā)階段，離產(chǎn)業(yè)化還有一段距離。

總的來說，LED制作流程分為兩大部分:

首先在襯底上制作氮化鎵(GaN)基的外延片，這個過程主要是在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積外延片爐(MOCVD)中完成的。準(zhǔn)備好制作GaN基外延片所需的材料源和各種高純的氣體之后，按照工藝的要求就可以逐步把外延片做好。常用的襯底主要有藍(lán)寶石、碳化硅和硅襯底，還有GaAs、AlN、ZnO等材料。

MOCVD是利用氣相反應(yīng)物(前驅(qū)物)及Ⅲ族的有機(jī)金屬和Ⅴ族的NH3在襯底表面進(jìn)行反應(yīng)，將所需的產(chǎn)物沉積在襯底表面。通過控制溫度、壓力、反應(yīng)物濃度和種類比例，從而控制鍍膜成分、晶相等品質(zhì)。MOCVD外延爐是制作LED外延片最常用的設(shè)備。

然后是對LED PN結(jié)的兩個電極進(jìn)行加工，電極加工也是制作LED芯片的關(guān)鍵工序，包括清洗、蒸鍍、黃光、化學(xué)蝕刻、熔合、研磨;然后對LED毛片進(jìn)行劃片、測試和分選，就可以得到所需的LED芯片。如果芯片清洗不夠乾凈，蒸鍍系統(tǒng)不正常，會導(dǎo)致蒸鍍出來的金屬層(指蝕刻后的電極)會有脫落，金屬層外觀變色，金泡等異常。

蒸鍍過程中有時需用彈簧夾固定芯片，因此會產(chǎn)生夾痕(在目檢必須挑除)。黃光作業(yè)內(nèi)容包括烘烤、上光阻、照相曝光、顯影等，若顯影不完全及光罩有破洞會有發(fā)光區(qū)殘多出金屬。

芯片在前段工藝中，各項工藝如清洗、蒸鍍、黃光、化學(xué)蝕刻、熔合、研磨等作業(yè)都必須使用鑷子及花籃、載具等，因此會有芯片電極刮傷情形發(fā)生。

對于制作LED芯片來說，襯底材料的選用是首要考慮的問題。應(yīng)該采用哪種合適的襯底，需要根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進(jìn)行選擇。三種襯底材料:藍(lán)寶石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)。

藍(lán)寶石的優(yōu)點(diǎn):1.生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量較好 ;2.穩(wěn)定性很好，能夠運(yùn)用在高溫生長過程中; 3.機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗。

藍(lán)寶石的不足:1.晶格失配和熱應(yīng)力失配，會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷;2.藍(lán)寶石是一種絕緣體，在上表面制作兩個電極，造成了有效發(fā)光面積減少;3.增加了光刻、蝕刻工藝過程，制作成本高。

硅是熱的良導(dǎo)體，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。

碳化硅襯底(CREE公司專門采用SiC材料作為襯底)的LED芯片，電極是L型電極，電流是縱向流動的。采用這種襯底制作的器件的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。優(yōu)點(diǎn): 碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/m·K，要比藍(lán)寶石襯底高出10倍以上。不足:碳化硅制造成本較高，實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。