介紹了Si襯底功率型GaN基LED芯片和封裝制造技術，分析了Si襯底功率型GaN基LED芯片制造和封裝工藝及關鍵技術，提供了產品測試數據。Si襯底LED芯片制備采用上下電極垂直結構與Ag反射鏡工藝，封裝采用仿流明大功率封裝，封裝后白光LED光通量達80 lm，光效達70 lm／W，產品已達商品化。

0 引言

1993年世界上第一只GaN基藍色LED問世以來，LED制造技術的發展令人矚目。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襯底由于有著優良的導熱導電性能和成熟的器件加工工藝等優勢，因此Si襯底GaN基LED制造技術受到業界的普遍關注。

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，研發其他襯底上的GaN基LED生產技術成為國際上的一個熱點。南昌大學與廈門華聯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”，經過近三年的研制開發，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 關鍵技術及創新性

用Si作GaN發光二極管襯底，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，深入研究和采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、發光波長451 nm、工作電壓3.2 V的藍色發光芯片，完成課題規定的指標。采用的關鍵技術及技術創新性有以下幾個方面。

（1）采用多種在線控制技術，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，獲得了厚度大于4 μm的無裂紋GaN外延膜。

（2）通過引入AIN，AlGaN多層緩沖層，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）通過優化設計n-GaN層中Si濃度結構及量子阱／壘之間的界面生長條件，減小了芯片的反向漏電流并提高了芯片的抗靜電性能。

（4）通過調節p型層鎂濃度結構，降低了器件的工作電壓；通過優化p型GaN的厚度，改善了芯片的取光效率。

（5）通過優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的工作效率并改善器件的可靠性。

（6）采用多層金屬結構，同時兼顧歐姆接觸、反光特性、粘接特性和可靠性，優化焊接技術，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，優化焊接條件，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）通過濕法和干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干凈的難題并優化了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。

2 Si襯底LED封裝技術

2.1 技術路線

采用藍光LED激發YAG／硅酸鹽／氮氧化物多基色體系熒光粉，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芯片（導電膠粘結工藝）→鍵合（金絲球焊工藝）→熒光膠涂覆（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封裝采用仿流明的支架封裝形式，其外形有朗柏型、矩形和雙翼型。其制作過程為：使用導熱系數較高的194合金金屬支架，先將LED芯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接LED芯片與金屬支架電極，完成電氣連接，最后用有機封裝材料（如Si膠）覆蓋芯片和電極引線，形成封裝保護和光學通道。

這種封裝對于取光效率、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（小于10 ℃／W），可靠性高，封裝內部填充穩定的柔性膠凝體，在-40～120℃范圍，不會因溫度驟變產生的內應力，使金絲與支架斷開，并防止有機封裝材料變黃，引線框架也不會因氧化而沾污；優化的封裝結構設計使光學效率、外量子效率性能優異，其結構見圖2。

2.3 關鍵技術及創新性

功率型LED的熱特性直接影響到LED的工作溫度、發光效率、發光波長、使用壽命等，現有的Si襯底的功率型GaN基LED芯片設計采用了垂直結構來提高芯片的取光效率，改善了芯片的熱特性，同時通過增大芯片面積，加大工作電流來提高器件的光電轉換效率，從而獲得較高的光通量，也因此給功率型LED的封裝設計、制造技術帶來新的課題。功率LED封裝重點是采用有效的散熱與不劣化的封裝材料解決光衰問題。為達到封裝技術要求，在大量的試驗和探索中，分析解決相關技術問題，采用的關鍵技術和創新性有以下幾點。

（1）通過設計新型陶瓷封裝結構，減少了全反射，使器件獲得高取光效率和合適的光學空間分布。

（2）采用電熱隔離封裝結構和優化的熱沉設計，以適合薄膜芯片的封裝要求。

（3）采用高導熱系數的金屬支架，選用導熱導電膠粘結芯片，獲得低熱阻的良好散熱通道，使產品光衰≤5％（1 000 h）。

（4）采用高效、高精度的熒光膠配比及噴涂工藝，保證了產品光色參數可控和一致性。

（5）多層復合封裝，降低了封裝應力，實施SSB鍵合工藝和多段固化制程，提高了產品的可靠性。

（6）裝配保護二極管，使產品ESD靜電防護提高到8 000 V。

3 產品測試結果

3.1 Si襯底LED芯片

通過優化Si襯底表面的處理和緩沖層結構，成功生長出可用于大功率芯片的外延材料。采用Pt電極作為反射鏡，成功實現大功率芯片的薄膜轉移。采用銀作為反射鏡，大大提高了反射效率，通過改進反射鏡的設計并引入粗化技術，提高了光輸出功率。改進了Ag反射鏡蒸鍍前p型GaN表面的清洗工藝和芯片焊接工藝，改善了銀反射鏡的歐姆接觸，量子阱前引入緩沖結構。

提高了芯片發光效率，優化量子阱／壘界面生長工藝，發光效率進一步提高，通過改進焊接技術，減少了襯底轉移過程中芯片裂紋問題，芯片制備的良率大幅度提高，且可靠性獲得改善。通過上述多項技術的應用和改進，成功制備出尺寸1 mm×1 mm，350 mA下光輸出功率大于380 mW的藍色發光芯片，發光波長451 nm，工作電壓3.2 V，完成課題規定的指標。表1為芯片光電性能參數測試結果。

注：測試條件為350 mA直流，Ta=25℃恒溫。

3.2 Si襯底LED封裝

根據LED的光學結構及芯片、封裝材料的性能，建立了光學設計模型和軟件仿真手段，優化了封裝的光學結構設計。通過封裝工藝技術改進，減少了光的全反射，提高了產品的取光效率。改進導電膠的點膠工藝方式，并對裝片設備工裝結構與精度進行了改進，采用電熱隔離封裝結構和優化的熱沉設計，降低了器件熱阻，提高了產品散熱性能。采用等離子清洗工藝，改善了LED封裝界面結合及可靠性。

針對照明應用對光源的光色特性的不同要求，研究暖白、日光白、冷白光LED顏色的影響因素：芯片參數、熒光粉性能、配方、用量，并通過改進熒光膠涂覆工藝，提高了功率LED光色參數的控制能力，生產出與照明色域規范對檔的產品。藍光和白光LED封裝測試結果見表2。表中：φ為光通量；K為光效；P為光功率；R為熱阻；μ為光衰；I為飽和電流。

4 結語

Si襯底的GaN基LED制造技術是國際上第三條LED制造技術路線，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，芯片為上下電極，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，由于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芯片（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。因此采用Si襯底GaN的LED產品的推出，對于促進我國擁有知識產權的半導體LED照明產業的發展有著重大意義。

編輯：jq