以DLC接口及钻铜基材制造大功率的垂直LED

以以 DLCDLC 接口及钻铜基材制造大功率的垂直接口及钻铜基材制造大功率的垂直 LEDLED 2010 年全球 LED 产值 约百亿美元 几乎追近台积电一年的销售额 许多重量级的大公 司 如台积电 鸿海 友达等 也将跳进这片光海 然而大陆却早有布局使 2012 年成为传 统 LED 的总决战 Armageddon 年 而最后获胜的将会是中国 中国不仅掌握市场 更布局 近千台的 MOCVD 机海 因此可抓住 LED 的上 中 下游产业 有鑑于此 CREE 晶电 灿 圆 新世纪 旭明光电等 LED 磊晶生产的领头羊已纷纷进驻大陆 美国 日本及台湾 LED 磊晶公司的生存之道就是把传统的水平 LED 设计升级成垂直式 LED 这样才能在大面积的 芯片上加大电流 如单芯片 10W 而以一颗 LED 的生产成本取代多颗的传统 LED 垂直 LED 的制作必需把 GaN 半导体软銲在低膨胀率的基材上 但偏偏低膨胀率的材料 如矽或 GuW 其散热不佳 而高导热材料的热膨胀却远大于 GaN 约 5 5ppm mK 因此 LED 专家找不到理想的衔接材料 本文推荐以 DLC 为接口而钻石和铜的复合材料 钻石散热片 为基材制作全世界最先进的垂直 LED 这样可以让台湾 LED 的产业蛙跳超前外国的主导公 司 如 Nichia Osram Lumiled 也顺势摆脱欧 美 日对台湾的专利封锁 LED 的世界革命 2010 年 LED 开始大量用于室内照明 户外路灯 及电视背光 室内 照明常用的白炽灯 Incandescent Lamp 及萤光灯 Fluorescent Lamp 乃致 LCD 背光常用的 冷阴极管 Cold Cathode Fluorescent Lamp 正在快速被淘汰中 LED 的主流产品为白光照明 大部份的白光乃以蓝光的 LED 激发黄色的萤光粉产生假 性的白光 LED 的大宗生产乃以蓝宝石为基材外延磊晶生长 GaN 成为 LED 的芯片 生长的 主要方法为金属有机化学气相沈积 Metal Organic Chemical Vapor Deposition 或 MOCVD 台湾拥有最多台的 MOCVD 设备 为世界 LED 晶粒产量第一的国家 但大陆已经急起直追 甚至提供每台 MOCVD 补助人民币一千万元的优惠奖励 台湾主要的生产公司 晶电 灿圆 新世记等 都已在大陆设厂 另一方面 台湾光电 产品的劲敌韩国 如 Samsung 在 2010 年虽向台湾大量采购 LED 货源 但自己却也安装了两 百多台的 MOCVD 所以台湾 MOCVD 生产的 LED 其产能在 2011 年可能过剩 预期即将成无利 可图的红海市场 台湾急需开发更高端的产品才能避免金融风暴后 DRAM 杀价竞争的复辙 如表一 表四 表一 世界最大产值的 LED 产品公司 2009 参考 LED Inside 表二 世界最大芯片产量的 LED 公司 2010 参考 IMS Research SEMI 表三 主要 LED 公司使用 MOCVD 的规模 2009 参考 Yuanta Research estimates 表四 世界最大产值公司 PK 世界最大产量公司的竞争优势 LED 的专利网 台湾虽为 LED 制造王国 但就像其他的代工产业一样 LED 专利受制于国外的大公司 每年必须缴付钜额的权利金 台湾出钱制造却为外国老板赚钱 而现在生产 LED 的技术更 已大量外移大陆 这是台湾 LED 代工生态的悲哀 如图 1 2 图 1 LED 专利网 图 2 LED 外国公司交互授权而边缘台湾代工产业的现状 然而这个劣势却可以让钻石 科技中心发展的钻石专利逆转获胜 见下述 LED 的战国时代 提高 LED 性能的一种方法乃将电流由弯流改成顺流 由于蓝宝石基材不导电 LED 正 负两个电极乃设在同面 当电流通过 GaN 晶格时电流必须由垂直顺流改成水平横流 这样 电流就会集中在内弯处 导致不能有效使用 P N 接口的电子层和电洞层 因而减少了发光 效率 更有甚者 电流集中之处会产生热点使晶格缺陷范围延伸 LED 的亮度就会随缺陷 扩大而递减 为了延长 LED 的寿命 输入的电流必须降低 如 350mA 单位面积的发光亮 度 就受到了限制 LED 设计的主要设计有如下列诸图所示 如图 3 图 3 LED 芯片的主要设计示意 LED 电流转弯的问题不能靠封装的设计 如复晶或 Flip Chip 改善 把电流截弯取直才 是正道 这样必须把电极置于 LED 磊晶的两侧 电流平顺就可以明显提升 LED 的亮度 除 此之外 相同亮度的顺流 LED 使用的芯片面积较小 因此晶圆上切出的晶粒数目较多 也 就是单颗 LED 的制造成本可能降低 尤其进者 电流转弯时若扩大芯片的面积会使 LED 发 光更不均匀 但是顺流 LED 其发射的光子数目则会由发光面积的加大而提高 所以一颗以 大电流 如 1A 驱动大面积的顺流 LED 其亮度会大于具有相同面积的多颗横流 LED 如图 4 LED 的顺流制造 制造顺流式 LED 时乃将一导电体 如 CuW 软銲 如 Au Sn 在 GaN 的正极 P Type 面 其 后以雷射 如波长 248nm 的 KrF 气体雷射 从反面透明的蓝宝石面照入 就可气化 GaN 成为 Ga 及 N2 这样蓝宝石就可以和负极 N Type 剥离分开了 如图 5 雷射剥离蓝宝石基材后暴露出的 GaN 负极 如加入 Si Dopant 在抛光后其导电率及透 光率比正极 如加入 Mg Dopant 要高 因此不需镀上会吸光的 ITO 层做为电流散布层 Current Spreading Layer 就可在其上的部份镀上电极而制成 LED 光源 CREE 以半导体 SiC 磊晶基材生长 GaN 在蒸镀反射层 如银 后软銲 Solder 导电的矽 晶制成所谓的 垂直式 LED 这种间接制程不仅可将昂贵的 SiC 基材以雷射剥离收回再用 垂直 LED 也能加大芯片 电流 及减少亮度衰减 国内的晶电也以矽晶软銲在 GaN 晶圆上 而灿圆则以 GuW 合金软銲在 GaN 的芯片上 旭明光电则以电镀金属 如 Ni Co Cu 直接 披复在 GaN 的晶圆上 然而软銲可能局部接合不良以致若干 GaN 芯片 Die 在切割 Dicing 后 发光不亮 另一方面 不以软銲接合而以电镀沈积的接口结合强度不高 更有甚者 金属 膨胀后可能自 GaN 表面剥离 有鑑于此 本文叙述一种新的垂直 LED 设计 乃采用 似钻 膜 Diamond Like Carbon DLC 为半导体和金属体的接口 不仅可避免软銲造成制造良率 问题 也能舒解两种回异材料之间的应力 除此之外 DLC 的热传导比铜快许多 因此以 DLC 为接口 可加速移除 LED 发光时产生的废热 而可能大幅延长使用寿命 接口应力的问题 半导体 如 GaN 和金属 如 Ni Cu 的接口极其脆弱 合金的热膨胀系数远大于 GaN 在 高电流密度下的温度较高处其接口应力会迅速上升 尤其在启动 LED 的瞬间电流自接口电 阻最低处汇流时可能会产生爆点 除此之外 GaN 晶格为六方晶系的 w rtzite 结构 因此 具有压电效应 界面应力产生的即时电场可以扰乱了 LED 内的电流分布 不仅如此 金属 基材即使不自接口剥离 其膨胀也可能撑裂缺陷的某中区 以致在 GaN 内部产生更大的缺 陷 加大的缺陷会形成微小的热点而造成光度衰淢的恶性循环 LED 的电光效应因接口的 疲劳会在数千小时后迅速降低 如图 6 7 图 6 各种材料的热传导率及热膨胀率的比较 图示钻石和铜的复合材料或 似钻膜 DLC 不仅有较高的热传导率 也具有可调节的热膨胀率 因此能降低垂直 LED 的接口应力 及加快散出电光效应产生的废热 图 7 LED 寿命随接口应力加大而缩短的示意图 加大电流后寿命更会急遽衰减 雷射剥离前磊晶的正极 P Type 需镀上一层反射金属 如银 再接上一个导电的支撑 体 若支撑体为合金 半导体和 金属的接口难以接合 不仅如此 金属的热膨胀系数远 大于 GaN 所以接口会产生应力 LED 在通电时电流乃沿电阻最小处渗透前进 应力较大的 局部温度会快速升高 金属就会把 GaN 的晶格撑大 由于 LED 开关频繁 GaN 晶格会被重 复拉扯以致不断产出缺陷 如差排或 Dislocation 这样 LED 的亮度就会快速减低 如 图 8 图 8 电镀金属和半导体的界面只是机械式的靠在一起 并没有化学键结 因此在 LED 迅速开关产生冷热交替时 金属会沿界面逐渐剥离 若在 GaN 和金属的接口加入热胀低而散热快的似钻膜 DLC Coating 就可大幅度降低接 口应力 如图 9 图 9 作者与璨圆公司合作开发的 DLC LED 其截面设计之一 DLC LED 若在金属和半导体之间加入多层的陶瓷 如 TiC 及 DLC 接口的应力就因分散而大降 除此之外 DLC 热传导率远高于铜 是垂直 LED 接口散热的极致材料 LED 发光所产生废热 50 电能 就可迅速散出 这样可避免 GaN 的晶格因温度过高而增加缺陷所导致的光衰问 题 除此之外 顺流 LED 的面积可以加大 如 2mm 而电流更可提高 如 1A mm2 一颗大 面积的顺流 LED 如 10W 会比多颗并联而功率相同的弯流 LED 更光亮也更耐久 如图 10 DLC 的扩散系数 Thermal Diffusivify 此铜高 12 倍 热膨胀率比铜高 4 倍 因此可 将热点即时消除 LED 的亮度和 GaN 的缺陷密度息息相关 而瞬间热点更会扩大缺陷 淢 少了光子射出的数量 因此以 DLC 形成接口可以保持晶格完整 即使界面的平均温度稍高 也不致减少光亮 如图 11 DLC 的散热效果 制造垂直式 LED 时 若 GaN 以半导体 如 Si 结合虽可以舒缓接口应力 但半导体的热 传导系数不高 热量久聚不散后 也会在芯片内产生差排而降低电光效率 若以无晶钻石 镀膜披复 GaN 就可同时提高热传导率及降低热变应力 无晶钻石散热的效果可以下图表示 如图 12 钻铜散热片 除了使用无晶钻石做为接口之外 钻铜 DiaCu 散热片也可以软銲在镀金层的 DLC 上 这样就可以加厚阳极而强化 LED 晶圆的支撑体 如图 13 图 13 由于热膨胀系数可调成同步 钻铜散热片和 LED 芯片可直接软銲而加速散热 图示钻铜散热片底座露出的 1 英吋见方能銲接 100 个 1W 的 LED 晶上板或 Chip on Board 可用于高功率 CPU 陆灯 投影灯 舞台灯 车头灯 集鱼灯及投影机 图 14 钻铜散热片的热阻 左图 及散热 右图 钻铜散热片也可直接软銲接合 LED 晶圆而制造垂直 LED 如图 15 DLC LED 的量产制造 含 DLC 的接口可以自动化设备设备制造 其成本可远低于现有垂直 LED 的主流制程 DLC 的上下接口可以碳化物 如 TiC 无缝衔接 DLC 也可重复多次形成整合的接口系统 这样可以更有效的中和 GaN 和金属之间的应力 如图 16 17 DLC 镀膜不需要软銲 垂直 LED 的基材 如 Si 或 CuW 可以软銲 Solder 接合 GaN 然而以电镀披复 GaN 却可 省去软銲的成本及制造良率偏低的问题 但在金属热膨胀系数太高会逐渐自芯片剥离 以 DLC 真空镀膜直接披复 GaN 晶圆再电镀金属则可同时解决软銲良率偏低及金属附着不牢的 双重问题 由于软銲时液体必须润湿接合全部面积而常会黏结不良而降低了良率 但直接 将 GaN 晶圆上电镀金属却只能机械贴合 DLC 无缝接合的接口可以显善降低垂直 LED 的生 产成本及制造良率 如图 18 LED 显示器 DLC 接口可舒解应力 因此可制成大面积的 LED 新的蓝宝石基材已经大到 6 吋 15 公 分 因此可藉 1CP 蚀刻成阳极连接但阴极分开的微小光点这样就可能分别趋动发光 如 果各别光源可缩小成一个像素就可以晶圆制成显示器 每个像素可由上下电极独立控制明 暗 这种 LED 显示器会比 LCD 亮丽得多 因为这是主动发光所以也很省电 DLC LED 的显 示器可制成手机的亮丽展示 若将 GaN 晶圆上的所有电极加厚 如 5 m 再镀上含氢而绝缘的 DLC 由于 DLC 黏不 住电极 可以轻易擦除 这种晶圆可复盖在 DLC PCB 上 以芯片接板 Chip on Board 的方 式直接软銲 就可制成车灯式的强光源 也可以小电流各别驱动光点 形成亮丽的显示器 如图 19 结论 生产蓝光 LED 的主流制程包括在绝缘蓝宝石 刚玉 即 Corandun 或 Al2O3 的单晶 晶 圆 2 4 6 基材上外延磊晶 Hetero Epitaxy 生长 GaN 2010 年台湾为世界产量最大 的国家而日本则为销售金额最高的国家 然而美国的 CREE 却是赚钱最多的 LED 公司 CREE 在 2010 年所生产的 XLamp 为世界最先进的单芯片 LE