以DLC接口及鉆銅基材制造大功率的垂直LED
加入技術交流群
垂直LED的制作必需把GaN半導體軟銲在低膨脹率的基材上，但偏偏低膨脹率的材料(如矽或GuW)其散熱不佳，而高導熱材料的熱膨脹卻遠大于GaN(約5.5ppm/mK), 因此LED專家找不到理想的銜接材料。本文推薦以DLC為接口而鉆石和銅的復合材料(鉆石散熱片)為基材制作全世界最先進的垂直LED。這樣可以讓臺灣LED的產業(yè)蛙跳超前外國的主導公司(如Nichia, Osram，Lumiled)，也順勢擺脫歐、美、日對臺灣的專利封鎖。
LED的世界革命。2010年LED開始大量用于室內照明、戶外路燈、及電視背光。室內照明常用的白熾燈(Incandescent Lamp)及螢光燈(Fluorescent Lamp)乃致LCD背光常用的冷陰極管(Cold Cathode Fluorescent Lamp)正在快速被淘汰中。
LED的主流產品為白光照明，大部份的白光乃以藍光的LED激發(fā)黃色的螢光粉產生假性的白光。LED的大宗生產乃以藍寶石為基材外延磊晶生長GaN成為LED的芯片。生長的主要方法為金屬有機化學氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition 或MOCVD) 。 臺灣擁有最多臺的MOCVD設備，為世界LED晶粒產量第一的國家。但大陸已經急起直追，甚至提供每臺MOCVD 補助人民幣一千萬元的優(yōu)惠獎勵 。
臺灣主要的生產公司（晶電、燦圓、新世記等）都已在大陸設廠。另一方面，臺灣光電產品的勁敵韓國（如Samsung）在２０１０年雖向臺灣大量采購LED貨源，但自己卻也安裝了兩百多臺的MOCVD。所以臺灣MOCVD生產的LED其產能在2011年可能過剩，預期即將成無利可圖的紅海市場。臺灣急需開發(fā)更高端的產品才能避免金融風暴后DRAM殺價競爭的復轍 (如表一~表四) 。
表一：世界最大產值的LED產品公司(2009)
參考：LED Inside
表二：世界最大芯片產量的LED 公司(2010)
參考：IMS Research, SEMI
表三、主要LED公司使用MOCVD的規(guī)模(2009)
參考︰Yuanta Research estimates
表四：世界最大產值公司PK世界最大產量公司的競爭優(yōu)勢
LED的專利網(wǎng)
臺灣雖為LED制造王國，但就像其他的代工產業(yè)一樣，LED專利受制于國外的大公司，每年必須繳付鉅額的權利金。臺灣出錢制造卻為外國老板賺錢，而現(xiàn)在生產LED的技術更已大量外移大陸，這是臺灣LED代工生態(tài)的悲哀。(如圖1、2)
圖1：LED 專利網(wǎng)
圖2︰LED外國公司交互授權而邊緣臺灣代工產業(yè)的現(xiàn)狀。然而這個劣勢卻可以讓鉆石科技中心發(fā)展的鉆石專利逆轉獲勝(見下述)
LED的戰(zhàn)國時代
提高LED性能的一種方法乃將電流由彎流改成順流。由于藍寶石基材不導電，LED正負兩個電極乃設在同面。當電流通過GaN晶格時電流必須由垂直順流改成水平橫流，這樣電流就會集中在內彎處，導致不能有效使用P-N接口的電子層和電洞層，因而減少了發(fā)光效率。更有甚者，電流集中之處會產生熱點使晶格缺陷范圍延伸，LED的亮度就會隨缺陷擴大而遞減。為了延長LED的壽命，輸入的電流必須降低（如３５０mA），單位面積的發(fā)光亮度，就受到了限制。LED設計的主要設計有如下列諸圖所示(如圖3)
圖3：LED芯片的主要設計示意
LED電流轉彎的問題不能靠封裝的設計(如復晶或Flip Chip)改善，把電流截彎取直才是正道，這樣必須把電極置于LED磊晶的兩側。電流平順就可以明顯提升LED的亮度。除此之外，相同亮度的順流LED使用的芯片面積較小，因此晶圓上切出的晶粒數(shù)目較多，也就是單顆LED的制造成本可能降低。尤其進者，電流轉彎時若擴大芯片的面積會使LED發(fā)光更不均勻。但是順流LED其發(fā)射的光子數(shù)目則會由發(fā)光面積的加大而提高。所以一顆以大電流(如1A)驅動大面積的順流LED，其亮度會大于具有相同面積的多顆橫流LED。(如圖4)
LED的順流制造
制造順流式LED時乃將一導電體(如CuW)軟銲(如Au-Sn)在GaN的正極(P-Type)面。其后以雷射(如波長248nm的KrF氣體雷射)從反面透明的藍寶石面照入，就可氣化GaN成為Ga及N2，這樣藍寶石就可以和負極(N-Type)剝離分開了。(如圖5)
雷射剝離藍寶石基材后暴露出的GaN負極(如加入Si Dopant)在拋光后其導電率及透光率比正極(如加入Mg Dopant)要高，因此不需鍍上會吸光的ITO層做為電流散布層(Current Spreading Layer)就可在其上的部份鍍上電極而制成LED光源。
CREE以半導體SiC磊晶基材生長GaN，在蒸鍍反射層(如銀)后軟銲(Solder)導電的矽晶制成所謂的“垂直式”LED。這種間接制程不僅可將昂貴的SiC基材以雷射剝離收回再用，垂直LED也能加大芯片(電流)及減少亮度衰減。國內的晶電也以矽晶軟銲在GaN晶圓上，而燦圓則以GuW合金軟銲在GaN 的芯片上。旭明光電則以電鍍金屬(如Ni、Co、Cu)直接披復在GaN的晶圓上。然而軟銲可能局部接合不良以致若干GaN芯片(Die)在切割(Dicing)后發(fā)光不亮。另一方面，不以軟銲接合而以電鍍沈積的接口結合強度不高，更有甚者，金屬膨脹后可能自GaN表面剝離。有鑑于此，本文敘述一種新的垂直LED設計，乃采用“似鉆膜”Diamond Like Carbon (DLC)為半導體和金屬體的接口，不僅可避免軟銲造成制造良率問題，也能舒解兩種回異材料之間的應力。除此之外，DLC的熱傳導比銅快許多，因此以DLC為接口，可加速移除LED發(fā)光時產生的廢熱，而可能大幅延長使用壽命。
接口應力的問題
半導體(如GaN)和金屬(如Ni-Cu)的接口極其脆弱。合金的熱膨脹系數(shù)遠大于GaN，在高電流密度下的溫度較高處其接口應力會迅速上升。尤其在啟動LED的瞬間電流自接口電阻最低處匯流時可能會產生爆點。除此之外，GaN晶格為六方晶系的würtzite結構，因此具有壓電效應，界面應力產生的即時電場可以擾亂了LED內的電流分布。不僅如此，金屬基材即使不自接口剝離，其膨脹也可能撐裂缺陷的某中區(qū)，以致在GaN內部產生更大的缺陷，加大的缺陷會形成微小的熱點而造成光度衰淢的惡性循環(huán)。LED的電光效應因接口的疲勞會在數(shù)千小時后迅速降低。(如圖6~7)
圖6：各種材料的熱傳導率及熱膨脹率的比較。圖示鉆石和銅的復合材料或“似鉆膜”(DLC)不僅有較高的熱傳導率，也具有可調節(jié)的熱膨脹率，因此能降低垂直LED的接口應力及加快散出電光效應產生的廢熱。
圖7：LED壽命隨接口應力加大而縮短的示意圖。加大電流后壽命更會急遽衰減。
雷射剝離前磊晶的正極(P Type)需鍍上一層反射金屬(如銀)，再接上一個導電的支撐體。 若支撐體為合金，半導體和
評論