淺析硅基GaN LED及光萃取技術(shù)

 傳統(tǒng)的氮化鎵(GaN)LED元件通常以藍(lán)寶石或碳化硅(SiC)為襯底，因?yàn)檫@兩種材料與GaN的晶格匹配度較好，襯底常用尺寸為2"或4"。業(yè)界一直在致力于用供應(yīng)更為豐富的硅晶圓(6"或更大)來發(fā)展GaN，因?yàn)楣枰r底可顯著降低成本，而且可以在自動化IC生產(chǎn)線上制造。據(jù)合理估計(jì)，相較于傳統(tǒng)技術(shù)，這種襯底可節(jié)省80%的成本。

但是，硅襯底的問題在于與GaN之間在機(jī)械和熱力方面嚴(yán)重不匹配，這會導(dǎo)致構(gòu)成LED元件的晶圓出現(xiàn)嚴(yán)重翹曲和晶體材料質(zhì)量變差?，F(xiàn)在，劍橋大學(xué)衍生公司CamGan(2012年被Plessey收購)的硅基GaN技術(shù)已解決了此類不匹配問題，且已成功應(yīng)用于其位于英國普利茅斯的晶圓加工廠。由此，業(yè)界首款低成本、入門級別的商用硅基GaN LED現(xiàn)正處于上市階段。初級產(chǎn)品主要面向指示燈和重點(diǎn)照明市場，其光效為30-40lm/W。

圖1：垂直LED生產(chǎn)流程圖。

GaN on Si Growth：硅基氮化鎵生長

Mirror layer added：增設(shè)的鏡像圖層

Wafer：使用晶圓

Flip bonded wafer：倒裝鍵合晶片

Substrate removal：襯底去除

Metallisation and surface texturing：噴涂金屬層和表面紋理

采用硅襯底生產(chǎn)LED需要一些工藝步驟來克服架構(gòu)中固有的硅材料吸收光問題并制造出高效的元件。在晶圓加工工藝中(如圖1所示)，在GaN架構(gòu)(基于6"的硅晶圓，通過MOCVD生長)上設(shè)計(jì)一個(gè)垂直LED元件。緊接著沉積并粘附上一個(gè)高反射性觸點(diǎn)(反射率通常為95%)，然后制作一些金屬層，以將晶圓粘貼至替換襯底上。

接著是焊線，在鑄造焊接層時(shí)，采用導(dǎo)電和導(dǎo)熱易熔金錫層(重熔點(diǎn)溫度約為280℃)與其他金屬層一起，以作為焊接金屬和元件或替代品之間的載體。焊線完成后，去除親本晶圓，將用于GaN層外延生長的晶種層露出來。翻轉(zhuǎn)晶圓進(jìn)行下一步的LED元件圖案化處理。在晶圓上將金屬涂層圖案化，并置于阻擋層之上，使發(fā)光區(qū)覆蓋量最小化。大部分電流會由頂部金屬(通常為2m)傳送。最后，進(jìn)行光萃取圖案化，蝕刻到GaN層(曝露在焊線后面)內(nèi)，去除親本晶圓。最后一步對于遠(yuǎn)程熒光粉應(yīng)用特別關(guān)鍵，因?yàn)樗蓪?shí)現(xiàn)藍(lán)光LED的發(fā)光圖案控制。

由于GaN半導(dǎo)體的反射指數(shù)很高(445nm藍(lán)光的反射指數(shù)約為2.45)，因此只有很少的光逃逸到自由空間。根據(jù)Snell法則，其窄光逃逸錐大概為25°。若我們假定半導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)的光有一致的空間分布，并且反射鏡反射指數(shù)大于90%，那么只有8%的總體光線可以從半導(dǎo)體頂部表面逃逸出去，其他的被全內(nèi)反射限于內(nèi)部，并最終被組分材料吸收。

為改進(jìn)光萃取，采用了一個(gè)包含將半導(dǎo)體耦合至一個(gè)大的穹形透鏡(其半徑比半導(dǎo)體發(fā)光區(qū)尺寸大1.5倍)的簡單設(shè)計(jì)方案。理想情況下，穹形透鏡應(yīng)由反射指數(shù)(n~2.45)跟GaN近似的材料做成，這使得超過90%的光逃逸至自由空間。

但實(shí)際上，不存在與GaN反射指數(shù)匹配且具有高成本效益、可做成穹形透鏡的材料，因此LED制造商們通常轉(zhuǎn)而使用容易獲得的反射指數(shù)為1.5左右的環(huán)氧膠或硅材料。不過，添加反射指數(shù)為1.5的穹形透鏡，僅使光萃取率達(dá)到12%。為克服因全內(nèi)反射所導(dǎo)致的弱光萃取性能，有必要優(yōu)化光線的光學(xué)路徑，以增加其出現(xiàn)在逃逸錐內(nèi)的可能性。