（材料物理与化学专业论文）si衬底gan基功率型led芯片性能研究.pdf

摘要 摘要 自从1 9 8 9 年第一支具有p n 结的蓝光发光二极管( l e d ) 问世以来，l e d 发展已经超过6 0 年。g a n 基l e d 是市场的主力，主要的成员是蓝光和绿光l e d ， 还包括使用荧光粉获得的白光l e d 。大功率l e d 适合高亮度方面的应用如汽车 前灯、大面积显示屏和普通照明等。目前g a n 基大功率l e d 在芯片性能方面已 经优于传统的l e d ，但其制作过程仍需优化。本论文主要研究了s i 衬底g a n 基 蓝光l e d 芯片的一些性能：可靠性，结温特性，高注入电流下效率下降( e f f i c i e n c y d r o o p ) 现象，得到了如下研究结果： 1 对s i 衬底g a n 基蓝光l e d 芯片在常温下经1 0 0 0 小时老化的电学和发 光性能进行了研究。老化后的光功率随时间的变化分先升后降两个阶段。老化 前后i v 曲线结果显示，反向漏电流和正向小电压下的电流都有明显的增加。测 试了老化前后不同电流密度下l e d 的e q e 和光衰，发现老化前后e q e 衰减幅 度与注入电流密度关系密切，在2 0 a * c m 2 电流密度处e q e 有最大值，同时也 是老化前后光衰最小处。芯片经2 0 0 m a 加速老化1 0 0 0 h 后在6 0 m a 工作电流下 光功率下降仅3 8 ，说明硅衬底l e d 芯片具有较高的可靠性。 2 基于电学测量法研究了正向电压与温度之间的线性关系，此线性关系可 用于l e d 结温的测量。 3 蓝光和绿光l e d 的光功率与工作环境和驱动条件有密切的关系。在小电 流区域随着温度的升高l i 曲线由线性转换为超线性。在3 0 0 k 的温度下随着驱 动电流增加时，l i 由超线性转换为次线性。随着温度的降低，l e d 的e q e 峰 值出现即效率下降现象发生的电流密度在单一下降；在高电流密度下，1 0 0 k 温 度下l e d 的e q e 下降速率最快且小于其它温度下l e d 的e q e ，两者的起因都 可归结为电子泄漏。 本论文得到了国家8 6 3 纳米专项( n o 2 0 0 3 a a 3 0 2 1 6 0 ) 和电子发展基金资助 关键词：s i 衬底；g a n ；l e d ；可靠性；结温 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fl i g h t - e m i t t i n gd i o d e s ( l e d s ) h a so c c u r r e do v e rap e r i o do f o v e r6 0y e a r s ，b e g i n n i n gw i t ht h ed i s c o v e r yo ft h ef i r s tp - nj u n c t i o nb l u eg a n - b a s e d l e di n19 8 9 t h eg a n b a s e dl e di st h el i n c h p i no ft h el e dm a r k e t ，i tf o r m st h e k e yi n g r e d i e n ti ng r e e na n db l u ee m i t t e r s ，a sw e l la sp r o v i d i n gt h ef o u n d a t i o nf o r w h i t el e d se m p l o y i n gy e l l o wp h o s p h o r s h i g hp o w e rl e di ss u i t a b l ef o rh i g h l u m i n a n c ea p p l i c a t i o n sl i k ea u t o m o t i v eh e a d l i g h t s ，l a r g e - a r e ad i s p l a y sa n dg e n e r a l i l l u m i n a t i o n an e wd e v e l o p e dh i g hp o w e rg a n b a s e dl e dh a ss h o w ng r e a t a d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a ll e di nt h ed e v i c ep e r f o r m a n c e y e t ，i nt h ef a b r i c a t i o n p r o c e s so fg a n b a s e dl e d ，s e v e r a lp r o c e s s e ss t i l lr e m a i nt ob eo p t i m i z e d i nt h i sp a p e r ，w ed i s c u s s e ds o m ed e v i c ep r o p e r t i e so fg a n - b a s e dl e do ns i s u b s t r a t e si n c l u d i n g ：r e l i a b i l i t i e s ，j u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h ee f f i c i e n c yd r o o pw i t h c u r r e n ti n c r e a s e s o m er e s u l t so ft h i ss t u d yw e r ea c h i e v e da sf o l l o w i n g ： 1 t h ee l e c t r i c a la n do p t i c a la g i n gc h a r a c t e r i s t i c so fg a n - b a s e dl i g h t - e m i u i n g d i o d e so ns is u b s t r a t eh a v eb e e ns t u d i e d t h el e d s a m p l e sw e r es t r e s s e da tr o o m t e m p e r a t u r ew i t ha l li n j e c t i o nc u r r e n to f2 0 0m a l i g h to u t p u ti n c r e a s e di nt h ef i r s t s t a g ea n dd e c r e a s e dw i t ha g i n gt i m e r e v e r s ec u r r e n ta n df o r w a r dc u r r e n ta tl o wb i a s w e r ei n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y t h ee q ea t t e n u a t i o nb e f o r ea n da f t e ra g i n gw e r e s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n ta td i f f e r e n ti n j e c t i o nc u r r e n t s t h es m a l l e s ta t t e n u a t i o n o c c u r r e da tt h ec u r r e n td e n s i t yr a n g ec o r r e s p o n d i n gt ot h eh i g h e s te f f i c i e n c y 2 t h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o r w a r dv o l t a g ea n dj u n c t i o nt e m p e r a t u r e w a sr e s e a r c h e da n dc o u l db ea p p l i e dt ol e d j u n c t i o nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s 3 t h eo u t p u tp o w e ro fb l u ea n dg r e e nl e d sw e r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h e w o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dd r i v i n gc o n d i t i o n s t h el - ic u r v ec h a n g e df r o ml i n e a r r e l a t i o n s h i pt os u p e r l i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ei nt h es m a l l c u r r e n tr e g i m ea n dc h a n g e df r o ms u p e r l i n e a rr e l a t i o n s h i pt os u b l i n e a rr e l a t i o n s h i p u n d e r3 0 0 kt e m p e r a t u r e t h ec u r r e n td e n s i t yv i za p p e a r a n c eo fp e a ke q ei e e f f i c i e n c yd r o o pm o n o t o n o u s l yd e c r e a s e da n dt h e d e c l i n er a t eo fe q ea t10 0 kw a s f a s t e s ti nh i g hc u r r e n td e n s i t y , b o t hc a u s e do fc a r r i e rl e a k a g e i i i a b s t r a c t t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l8 6 3n a n o m e t e rp r o j e c t ( n o 2 0 0 3 a a 3 0 2 16 0 ) a n de l e c t r o nd e v e l o p m e n tf u n di nc h i n a 。 x i a oy o u p e n g ( m m e f i mp h y s i c sa n dc h e m i s t r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i a n gf e n g y i k e y w o r d s ：g a n ；s is u b s t r a t e ；l e d ；r e l i a b i l i t i e s ；j u n c t i o nt e m p e r a t u r e ； i v 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名c 手瓢哨玛签字吼办，矿年，月么日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：韶i 吗 签字日期 | ，月6 日 剔磁引手写x 初凡移 签字日期：2 1 0ju 年1 月石e t 第1 章综述 1 1 前言 第1 章综述 以氮化镓( g a n ) 、氧化锌( z n o ) 、氮化铝( a 1 n ) 、碳化硅( s i c ) 为代 表的宽禁带半导体材料被称为第三代半导体材料。第三代半导体材料具有比第 一代半导体材料( 以s i 基半导体材料为代表) 、第二代半导体材料( 以砷化镓 和磷化镓为代表) 更宽的禁带宽度( e g 2 2 e v ) 、更高的击穿电场、更高的热 导率、更高的电子饱和浓度和更高的抗辐射能力，是目前世界上最先进的半导 体材料。1 9 8 6 年i s a m ua k a s a k i 1 】等人利用m o c v d 设备和a i n 缓冲层技术外 延生长出透明、无龟裂的g a n 薄膜。成长过程中使用的是蓝宝石衬底，低温 a l n 缓冲层的插入使得外延生长的g a n 薄膜具有完美的晶格排列、施主浓度且 电子迁移率大幅提升，g a n 薄膜的电特性也得到改善。g a n 材料本征偏于1 1 型， 直到1 9 8 9 年，a m a n o l 2 l 等人使用c p 2 m g 掺杂源在低温缓冲层上得到p 型g a n 。 a k a s a k i 研究团队利用低能电子束辐照( l o w e n e r g ye l e c t r o n b e a mi r r a d i a t i o i l ， l e e b i ) 活化m g 原子，获得低电阻率的g a n 薄膜，并制备出了第一支具有p n 结的蓝光g a nl e d i 引。1 9 9 2 年，日本n i c h i a 公司的s n a k a m u r a l 4 开展g a n 材 料的研究并取得两个重大的突破，一是抛弃了以a i n 为缓冲层，而改用低温成 长的g a n 为缓冲层；二是使用热退火技术活化m g 原子，并在1 9 9 5 年研制出 高亮度蓝光和绿光l e d s 。g a n 及其化合物是直接带隙半导体材料，禁带宽度 从1 9 e v - 6 2 e v 连续可调，发光范围覆盖了从红色到紫外的光谱。g a n 材料是 一种理想的短波长发光材料，可制成高效蓝、绿光发光二极管l e d 和激光二极 管l d ( 又称激光器) ，并可延伸到白光l e d 。超高亮度l e d 器件的出现，为 l e d 应用领域的拓展开辟了广阔的前景。 半导体p n 结发光现象的发现，可以追溯到2 0 世纪2 0 年代。l e d 的发展 历程如图1 1 【5 1 。由于i v 族材料与器件工艺的进步，1 9 6 2 年出现了磷砷化镓 红光l e d ，并被g e 公司大量生产用作仪器仪表指示灯。1 9 7 2 年p a n k o v e 报道 了第一个g a n 基l e d 6 10 8 0 年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代 高亮度的l e d 的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色，采用支架封装 第1 章综述 并使用了反射碗杯。到2 0 世纪9 0 年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、 橙、黄和绿光的l e d 。第一个有历史意义的蓝光l e d 也出现在9 0 年代早期。 此后出现了亮度很高的蓝、绿及紫光l e d 器件。近来超高亮度l e d 器件的出 现，为l e d 应用领域的拓展开辟了极为绚丽的前景。 1 2g a n 的基本性筐 氮化物半导体器件复杂的发展历史和近来的巨大成功都与g a n 及l n g a n 和 a i g a n 台金独特的材料性能密切相关。g a n 是制作l e d 的热门材料，l e d 的 外延生长、芯片制作及后续工艺部需掌握g a n 及相关合金材料的各项性能。 1 2 1g a n 的基本结桷 第1 章综述 图1 2 纤锌矿结构 图1 3纤锌矿型原子密排方式 f 0 0 0 1 j o 一6 i 一n 图1 4 闪锌矿结构图1 5 闪锌矿型原子密排方式 g a n 及其化合物通常有六方对称的纤锌矿( w u r t z i t e ) 结构和立方对称的闪 锌矿( z i n c b l e n d ) 结构。纤锌矿结构是g a n 及其化合物晶体的稳定结构。纤锌 矿结构是由六角单胞组成，因而具有a 和c 两个晶格常数，如图1 2 所示。每 个单胞由两套沿c 轴方向错位( 3 8c ) 的六角最密堆积( h c p ) 的子晶格相互 贯穿叠合构成，即g a 和n 双原子面沿 0 0 0 1 方向交替堆垛而成，每个g a ( n ) 原子均被四个最紧邻的n ( g a ) 原子所包围，每个子晶格由一种原子组成，每 个单元子晶格包含了1 2 个原子，如图1 3 所示。 闪锌矿结构即俗称的钻石结构，由立方单胞构成，单胞中的原子位置与金 b b b ，i j c b c 鲁 第1 章综述 刚石晶体结构相似，这两种结构的单胞都是由沿体对角线方向错位1 4 体对角 线距离的两个面心立方子晶格镶嵌而成，如图1 4 所示，它们的密排面是( 1 1 1 ) 面，每个密排面由g a 和n 双原子面构成，每个单元晶格包含了8 个原子，如图 5 所示。闪锌矿结构与纤锌矿结构相似，在这两种结构中，每个i i i 族原子连接 四个n 原子，同样，每个n 原子与四个i i i 族原子相连接。这两种结构的最大 不同是原子层的堆积顺序不同。 对闪锌矿结构，沿 1 1 1 】方向原子堆积顺序为： g a a n a g a b n b g a c n c g a a n a g a b n b g a c n c 对纤锌矿结构，沿【0 0 0 1 】方向原子堆积顺序为： g 删a g a b n b g a a n a g a b n b g a a n a g a b n b 纤锌矿结构的g a n 生长方向一般在 o 0 0 1 基面，在那里原子被排列在由两 个很接近的六角形层构成的双层内，一层由阳离子占据，另一层由阴离子构成， 因此双层具有两个极性面，极性面只是体效应的结果，和最外层是什么原子并 无关系。g a n 的基面可能由g a 占据，也可能由n 占据。g a 极性原子面通常光 滑稳定，相反，n 极性面却很粗糙。在( o o o i ) 方向上存在着自发极化和压电极 化，受极化电场影响，能带发生倾斜，电子和空穴分别被限制在异质结界面处 的三角势阱中，降低g a n 基l e d 器件的性能及效率：一方面，能带弯曲导 致有效禁带宽度变小，电子空穴复合发光发生红移，即产生量子限制斯塔克效 应；另一方面，由于电子和空穴的波函数空间分离，量子阱辐射复合的效率降 低，极大地限制了器件的发光效率。 1 2 2 g a n 的基本参数 纤锌矿结构g a n 和闪锌矿结构g a n 的基本参数列于表1 1 川 表1 13 0 0 k g a n 的基本参数 4 第1 章综述 5 第1 章综述 1 2 3g a n 衬底的种类 对g a n 外延生长来说，理想的衬底当然是g a n 和a 1 n 单晶了【引，但这种 体单晶衬底本身就难取得，所以生长g a n 通常采用异质外延生长技术。由于 g a n 异质外延时缺乏晶格常数与热膨胀系数相匹配的衬底，而且必须在极高的 温度下外延生长，所以高质量的晶体不易获得。 表1 2 常用g a n 薄膜外延衬底参数【9 】 生长g a n 薄膜经常使用的是蓝宝石衬底( s a p p h i r e ) 、s i c 衬底和s i 衬底。 表1 2 是常用g a n 薄膜外延衬底参数。蓝宝石也就是单晶a 1 2 0 3 。蓝宝石衬底 有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝 宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高， 6 第1 章综述 易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。不过蓝宝石衬 底与g a n 外延膜之间巨大的晶格失配( 1 5 ) 导致g a n 外延膜中高达1 0 1 0c m 五 的位错密度【l o l 。高的缺陷密度将降低载流子迁移率、降低少数载流子寿命和降 低热导率，所有这些都会降低器件性能。蓝宝石的硬度非常高，莫氏硬度等级 为9 ，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在l e d 器件的制作过程中却需 要对它进行减薄和切割( 从4 0 0 n m 减到1 0 0 n m 左右) ，添置完成减薄和切割工 艺的设备又要增加一笔较大的投资。 导热性能是一个需考虑的非常重要的因素。蓝宝石的热导率低( 在1 0 0 约为2 5 w ( m k ) ) ，会限制热量的传出，特别是对面积较大的功率型器件，因 此其散热效果就不如其它衬底。蓝宝石的热膨胀系数比g a n 的大，从生长温度 降温时，在g a n 外延中产生双轴压应力。对于厚的外延膜，应力导致外延膜和 衬底龟裂【1 1 1 。蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1 0 11 q c m ，在这种情 况下无法制作垂直结构的器件，通常只在外延层上表面制作n 型和p 型两个电 极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程， 结果使材料利用率降低且成本增加。由于p 型g a n 掺杂困难，当前普遍采用在 p 型g a n 上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。 但是金属透明电极一般要吸收约3 0 0 o - , 4 0 的光【1 2 1 ，同时g a n 基材料的化学性 能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的 设备，这将会增加生产成本。 美国的c r e e 公司专门采用s i c 材料作为衬底。s i c 衬底相较于蓝宝石衬 底来说有更小的晶格失配( 对于( 0 0 0 1 ) 方向的外延膜只有3 1 ) ，碳化硅衬 底的导热性能( 碳化硅的热导率为4 9 0 w ( m k 1 ) 要比蓝宝石衬底高出l o 倍以 上。蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶， 这种银胶的传热性能也很差。使用碳化硅衬底的芯片电极为l 型，两个电极分 布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底 不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光 效率。g a n 外延层的晶面与s i c 衬底平行，因而较易用解理的方法形成谐振腔 面。s i c 可以是c 极性或s i 极性，所以控制g a n 的极性也更容易。虽然s i c 有许多优点，但在s i c 上外延g a n 还是存在一些问题，这是由于材料间的浸润 性差造成的。这可以利用a 1 n 或a i 。g a l x n 缓冲层得到改善，但a 1 n 或a 1 x g a l “ 会提高器件与衬底之间的电阻。虽然用s i c 的晶格失配小于用蓝宝石，但它仍 7 第1 章综述 在g a n 外延层中造成很高的缺陷密度。制备光亮表面的s i c 也很难，一般买来 的s i c 的表面粗糙度为l n m ，而蓝宝石的表面粗糙度为0 1 n m 。表面粗糙和抛 光残留损伤都会是g a n 外延层的缺陷源。s i c 中的螺位错密度为 1 0 3 1 0 4 c m 2 【”】，这些缺陷会延伸到外延层，从而降低器件质量。另外s i c 的热 膨胀系数小于a 1 n 和g a n 的，在外延层引入的是双轴张应力，相对于蓝宝石衬 底而言，碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。 s i 材料优良的物理性能、高质量、低成本，成为了生长g a n 材料的关注点。 在g a n 外延生长条件下，s i 具有很好的热稳定性。s i 材料的晶体完美性比g a n 外延用的其它任何一种衬底材料都好，而且表面非常光亮。g a n 光电器件和s i 电子器件可能形成光电子集成，这非常诱人【l 制。 在g a n 外延生长中，一般选s i ( 1 1 1 ) 作衬底，这是由于s i ( 1 1 1 ) 为三次对称 衬底，更易于生长六方g a n ( 0 0 0 1 ) 面。用m b e 方法直接在s i ( 1 1 1 ) 表面生长 g a n ，在g a n s i ( 1 l1 ) 界面形成无定形的s i x n 。层，导致生长的g a n 外延层为 多副”l 。要防止s i x n ，的产生就先要通t m a ( ( c h 3 ) 3 a i ) 气体再通氨气( n h 3 ) 以减 少n h 3 和s i 起反应，在s i ( 1 1 1 ) 衬底上生长a i n 缓冲层【1 6 , 1 7 。这些技术抑制在 界面形成s i 。n v ，因此g a n 二维生长。 l e d 外延生长的技术包括了气相外延( v p e ) i s 】、液相外延( l p e ) 1 1 9 l 、 金属有机化学气相淀积( m p c v d ) 1 2 0 j 、分子束外延( m b e ) 1 2 1 1 。m o c v d 是 目前外延生长技术的主要方法之一，其具有的优点是：一、相对于h a l i d ec v d 来说，有机金属原料选择性广泛，且原料的纯度、来源、价格、稳定度及处理 方便性都受到肯定；二、相对于m b e 来说，操作上不需要高真空，可在一大 气压下操作，所以系统价格低，维修简易；三、相较于l p e 来说不需溶剂及事 后出去溶剂的操作；四、外延膜表面光滑，多重结构生长容易控制，掺杂深度 及浓度可精确控制；五、可量产化。 1 3g a n 基l e d 发光和散热性能 g a i n 基l e d 的研究与优化涉及到许多方面。光和热是l e d 研发的两大课 题。l e d 应用于普通照明必须在提升亮度上下工夫。理论上将芯片的面积加大 并增加注入电流就可以使亮度得到提升，实际上输入到l e d 的能量并不能全部 以光的形式放射出来，而有大部分的能量以热的形式聚集在芯片，由于器件散 8 第1 章综连 热不良而无法提高l e d 的发光效率。所以提升l e d 的发光效率与有效散热都 是非常重要的课题。 1 3 1l e d 发光亮度的提升 l e d 的亮度主要取决于外延方法和外延品质。提高l e d 的发光效率有很多种 方法。早期l e d 的研究主要是从提高内量子效率方面着手，提高外延的品质和优 化外延结构，使得电能不易转换成热能，间接提高l e d 的发光效率。而在芯片的 制作过程中从出光效率方面着手提高l e d 的发光效率主要有三种方式： 一、改变芯片的外形。传统的发光二极管的芯片的外形为矩形结构。由于 半导体材料的折射指数比起封装环氧树脂的折射指数相差很大，在两种材料的 界面的全反射临界角很小，光子逃出芯片的机会很小，大部分光子被反射回芯 片内部转被半导体材料吸收而形成热。m k t 栅e s 等人口”制作出n p ( t r u n c a t e d i n v e r t e d p y r a m i d ) 型芯片结构。利用此结构光子被有效引出，外量子效率在直流 和交流驱动条件下分别大幅提升到5 5 和6 09 峰值发光效率超过1 0 0 1 m w 。 c r e e 公司也采取了相同的结构，将以s i c 为衬底的l e d 的外量子效率大幅提升 至3 2 。 i 白h w g i p t n 誓山山l 口件耐叶r u n l d ( t i 竹l e 下= = _ = _ t 7 彰： 圉l6t i p 型l e d 芯片结构，( a ) 正向偏压f t i p l e d 显微相；( b ) 光于经全反射重新 导出横截面示意图 二、衬底剥离和芯片键合( w a f e r b o n d i n g ) 。这项技术最先由h p 公司采用， 将吸收光的g a a s 衬底剥离，然后粘接在透明的g a p 上发光效率提高接近2 倍。 o s r a i n 公司也采用了这项技术矧，用激光剥离技术将蓝宝石衬底去除，出光效率 第1 章综述 也提高到7 5 ，+ 寿一睁 ，。厂一= f 。f 幽17o s r a m t h i n g a nj ：在i n g a n 层上形成金属膜，之后再剥离蓝宝石 三、表面粗化。表面粗化的晟主要的作用是破坏全反射角增加光的散射率。 一般光只有在临界角( 2 3 。) 构成的锥体内才能逸出有源层，且大于l 临界角，光 将无法逸出。但如果对芯片表面进行粗化处理，改变g a n 与空气界面的几何形状， 光就能在多次反射后经由一个合适的界面射出，出光效率也随之提高。t f u j i i 等人”“将衬底激光剥离( l l o ) 后用光电化学( p h m o e l e c t r o c h e m i c a l ，p e c ) 湿 法粗化顶表面形成锥状粗糙面，出光效率也提高2 1 j 3 倍。如图18 所示。 ( a ) 圈l8 ( a ) 表面粗化l e d 截面图 ( b ) b ) n 面g a n 经k o h 腐蚀s e m 显微图 y a 4 ul e e 等人口5 】先是对生长外延层的蓝宝石衬底进行刻蚀，后又对顶表面 的n - g a n 进行粗化得到双扩散表面的垂直结构l e d ，如图1 9 所示，不仅增加 了出光效率，也增加了内量子效率。双扩散表面的应用极大地增强了光的散射 效率，使得光子逃出芯片的几率大为增加。 第1 章综述 ( a )( b ) 圈l9( a ) 积扩散表面l e d 截面图：( b ) 具般扩散表面l e d 光线圈 其它提高l e d 发光效率的方法还有光子晶体 “i 、图形化衬底1 2 “、表面微结 构1 2 8 肄。 1 3 2l e d 的热t 理 散热问题是因为大功率l e d 的发展而引起关注的。有效散热既能提高器件发 光效率，也能延长器件的使用寿命。目前大功率l e d 的光电转换效率( w a i l p l u g e f f i c i e n c y ) 仍然不高，一般只有3 0 左右转换成光，其余则转换成热能”。由 于l e d 芯片的面积很小，单位面积的发热量很高，使得l e d 芯片结温大幅上升。 结温的上升会引起l e d 的发光亮度降低，波长偏移进而影响演色性，过高的结温 还会影响器件的可靠性，制约l e d 技术的发展p 。l e d 的发光效率和可靠性都 强烈地依赖于成功的热管理。 散热设计是一个系统工程，必须从芯片层级( c h i pl e v e l ) 、封装层级( p a c k a g e l e v e l ) 、散热板层级( b o a r dl e v e l ) 到散热模组层级( t h e r m a lm o d u l el e v e l ) 牟：盘考虑 寻求蛀佳的散热方案p ”。利用热阻网络模型来分析l e d 传热问题，如图11 0 所 示，将l e d 由芯片热源到环境温度的主要散热路径构建热阻网络，然后分析各 热阻的特性及大小，这样可以推算理想状况时的芯片结温，并寻找降低针各热 阻网络部分的热阻值。 第1 章综述 图i1 0l e d 散热路径及热阻网络 一、芯片层级。对于增加裸芯的散热性能来说，可以改变芯片的几何结构 和替换基板材质，如图11 l 所示：( 1 ) 采用覆晶( f l i p _ c m p ) 封装结构：( 2 ) 剥离衬 底，替换基板材料。对于生长在蓝宝石衬底上的芯片，由于蓝宝石的热导率只 有2 0 w i n k 阻挡了热从芯片向外散出。以l u m i l e d s 公司为代表的做法是将 裸芯做成覆晶结构以将蓝宝石移开热传导路径。 j _ v h 。jl ，_ - j m j 鞫睁 且 _ - 栩 - ，j 1 ( a ) ( b ) 蚓1 1 i ( a ) f i l p - c h i pl e d 结构图：( b ) v l e d 的结构图 以c r e e 公司为代表的做法是将具有高热导率的铜合金与硅基板来取代蓝宝 石制成垂直结构芯片( v l e d ) 口”。两种方式的出发点都是排除蓝宝石在热传导 路径上的障碍作用进而提升散热能力。覆晶形式的缺点是会遮蔽l e d 所发出的 光，从而垂直结构相比起覆晶结构来说更有优势。基板可以选择高导热金属基 板( 如a l 、c u 等) 和高导热陶瓷基板( 如a i n ，s i c 等) 。另外，芯片的尺寸大小 第1 章综述 也是影响l e d 热阻值的关键因素之一，增加芯片尺寸以降低发热密度也是可行的 方向。表1 3 是金属基板和陶瓷基板的特征删。 表1 3 金属基板和陶瓷基板特征 金属基板陶瓷基板 金属基板主要分为金属基材( m e t a l陶瓷基板材料有a i n 、a i o 、s i c 、s i n 、 b a s e ) 和金属芯( m e t a lc o r e ) b e o 材质以铝和铜为主，铝材比率较高热导率较绝缘树脂好 特 在铝铜基材表面做绝缘层，再做铜箔热膨胀系数与半导体材料匹配性好 电路 可做成单层板、双面板和多层板 金属化方法有厚膜法、薄膜法、直接接 征 合铜箔、直接硬焊铝箔 散热性佳 可做高导热通孔( t h e r m a lv i a s ) 可留通孔( t h r o u g hh o l e ) 对于芯片层级的散热关键还是提高芯片的光电转换效率，尽可能将电能转 化成光能，从而少转化成热能，由此来降低发热。 二、封装层级。随着l e d 的发光亮度和功率的不断提升，注入到器件中的电 流不断增加，l e d 的封装散热问题变得越来越重要。传统的指示灯型封装结构的 散热路径为：少量热量经过环氧树脂往大气方向发散，而其余大量热量经导线 往基板散热，因而其封装热阻高达2 5 0 3 5 0 k w 。指示灯型封装另外的缺点是构 成透镜的树脂的黄化和封装提供的光利用效率很低p 引。对于功率型l e d 封装来 说，若采用传统的指示灯型封装方式，将会因为散热不良而导致芯片结温迅速 持续上升，加速器件光衰直至失效，甚至会因为热膨胀引起应力而导致灾难性 的失效。表面贴片( s m d ) 型封装方式是近年的一个发展热点，很好地解决了 亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题。s m d 的散热形式与支架型封装 截然不同，主要是藉由与基板贴合一起的塑料底板来导热，利用增加散热面积 的方式来大幅降低其热阻值。不过，s m d 型封装方式虽可将热阻值降低至 7 5 k w 3 6 】，但仍无法符合高功率l e d 的要求。l u m i l e d s 公司1 37 j 为适应大功率封 装的需要，研制出l u x e o n 型封装方式。l u x e o n 系列功率l e d 是将将a 1 g a l n n 功 率型倒装管芯倒装焊接在具有焊料凸点的硅载体上，然后把完成倒装焊接的硅 载体装入热沉与管壳中，键合引线进行封装。这种含有散热块( h e a ts l u g ) 的封装 对于取光效率，散热性能，加大工作电流密度的设计都是最佳的。其主要特点： 热阻低，一般仅为1 4 w ，只有常规l e d 的1 1 0 ；可靠性高，封装内部填 第l 章综述 充稳定的柔性胶凝体，在4 0 1 2 0 范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金 丝与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而玷污： 反射杯和透镜的最佳设计使辐射图样可控和光学效率最高。 发光二极管封装的热阻最主要来源于封装支架传热至空气的热阻抗( r oo - a ) ， 在无强制对流下藉由自然对流( c o n v e n t i o n ) 从封装支架传至空气中，通常无法顺 利将热量排出至周围环境而累积于器件封装内。为了降低封装支架至空气间的 热阻，可以使用散热块n l e a ts l u g ) 来增加散热表面积从而降低封装的热阻抗。改 变封装的固晶方式也能增加散热性。为适用高功率l e d 的封装要求，使用锡膏或 利用共晶结合方式来取代早期的银胶( a ge p o x y ) 固晶方式都可以明显降低热 阻。芯片粘附缺陷可以引起经过l e d 芯片的明显的热梯度，导致器件永久失效 【3 引。表1 4 是l e d 常用材料的热膨胀系数和热导犁3 9 1 。 表1 4l e d 常用材料的热膨胀系数和热导率 1 4 第l 章综述 三、电路板层级。传统的小功率l e d 散热问题相对来说不严重，一般的电子 用铜箔印刷电路板( f r 4 ) 即可满足要求。而大功率l e d 是未来l e d 的发展方向 随着注入电流和功率的不断增加，铜箔印刷电路板已不能满足散热需求，出现 种内具金属核心的印刷电路扳，即所谓的m e t a l - c o r ep r i n t e dc i r c u i t b o 盯d ( m c p c b ) 如图11 2 ，其技术核心在于利用一介质层( 不导电) 将电路板键合 在外部金属板上以改善其传热路径，如图所示，运用底部的铝或铜等热传导性 较佳的金属来加速散热。介质层材料组成与厚度决定了m c p c b 的剥离强度、崩 溃电压、热导率与操作电压介质层的特性决定了m c p c b 可在电路系统中运作 时不能超过1 3 0 。 产茸麓囵 ( a )( b ) 剀11 2( a ) m c p c b 结构幽：( b ) h j m c p c b 封装l e d 的结构图 基于板上的封装技术( c h i p - o n - b o a r d ，c o b ) 直接将l e d 芯片置于m c p c b 板上，有利于降低封装界面材料的热阻，散热效果得到提升。不过其缺点是需 要增加二次光学设计，制作困难且带来了制程的可靠度问题。 对于以上三个层级，热主要以传导方式为主，散热设计重点考虑提高热导 率、缩短传导路径和加大传热面积。而对于系统模组层级的散热来说，对流和 辐射是需重点考虑的对象。 四、散热模组层级。一般大功率l e d 芯片的封装组件整体包括了光学透镜、 l e d 芯片、透明封装树脂、荧光粉、电极导线及散热片等，通常的做法是用焊料 或散热膏将l e d 芯片粘附在散热片上。l e d 组件的散热可以通过空气自然对流来 进行，也可以外加散热风扇来强制散热。自然对流是成本最低且可靠性最高的 散热方式，对于自然散热来说，所使用的散热鳍片的形状、大小厦方向都会对 散热产生影响设计的思路是提高散热鳍片与空气的接触面积、提高对流系数 和增加辐射传热。而对于主动形式的强制散热来说，有传统的风扇散热、利用 合成式喷流原理制成的膜片震荡散热、利用日冕放电原理制作的电流力帮浦为 第1 章综述 动力的固态风扇，都可以大幅降低组件的热阻，同时提高发光亮度。 1 4 l e d 的封装 1 4 1l e d 的封装方式 根据日本i n t e l l e c t u a lp r o p e 啊b a n k 对全球l e d 制厂商的排名，在l e d 照 明领域技术竞争力居首位的厂商是日本的日亚化学公司，其技术优势包括了第 一只商品化的g a n 基蓝光l e d l d 、拥有目前最好的荧光粉技术、蓝光激发黄 色荧光粉技术专利、蓝宝石衬底外延生长技术。其它世界著名的l e d 制造商有 c r e e 公司，其技术优势是s i c 基i i i 族氮化物外延、芯片级封装技术、大功率芯 片和封装技术；o s r a m 公司，其技术优势包括s i c 衬底的“f a c e t i n g ”、在白光 l e d 用荧光材料方面具有领先优势、7 1 正装功率型封装技术及车用灯具技术： p h i l i p s 公司，其技术优势包括独特热沉设计和s i s u b m o u n t “f l i p c h i p ”封装技 术、在大功率白光照明管芯方面具有先发优势。此外还有c i t i z e n 公司、a v a g o 公司、s e o u ls e m i c o n d u c t e r 公司、l a m i n a 公司等。大功率l e d 封装目前仍未有 标准化形式，各大产商都在加紧推广自家产品，以期成为未来标准封装形式， 在市场竞争中占据主导。 从封装的角度来说，为了获得所需的发光亮度，可以将多个小芯片封装于 一个器件中，也可以采用大芯片，甚至是多颗大芯片封装于一个器件中。n i c h i a 公司多颗小芯片封装于特殊引脚封装( p l c c ) 中，电路采用并联方式将多颗小 芯片连接，因而每单一个小芯片所分配到的电流极小，一般皆小于1 0 0 m a ，凭 借输入电流小的特点，即可获得较高的发光效率。多颗芯片封装也有利于降低 热阻，假如有n 个芯片并联的话，热阻值将会是1 n m 】，不过要注意芯片的粘 附和导线的键合。可以将单颗大芯片封装于p l c c 、陶瓷( c e r a m i c ) 、m c p c b 等 材料中，如l u m i l e d s 公司的l u x e o nk 2 产品，热阻可降到5 5 w ，热阻降 低使l e d 可在更高电流下工作，降低了热量管理设计的投入和成本；也可以将 多颗大芯片于p l c c 、陶瓷封装体或基板如c r e e 公司【4 1 1 的x l a m pm c e 产品， 其通过减少系统的复杂性及必需的组件的数量来降低发光二极管的成本。 1 6 第1 章综述 图i13 ( a ) l u x e o n 单芯片封装；( b ) x