以DLC接口及鉆銅基材制造大功率的垂直LED.doc

以DLC接口及鉆銅基材制造大功率的垂直LED2010年全球LED產(chǎn)值(約百億美元)幾乎追近臺(tái)積電一年的銷(xiāo)售額。許多重量級(jí)的大公司( 如臺(tái)積電、鴻海、友達(dá)等 )也將跳進(jìn)這片光海。然而大陸卻早有布局使2012年成為傳統(tǒng)LED的總決戰(zhàn)(Armageddon)年，而最后獲勝的將會(huì)是中國(guó)。中國(guó)不僅掌握市場(chǎng)，更布局近千臺(tái)的MOCVD機(jī)海, 因此可抓住LED的上、中、下游產(chǎn)業(yè)。有鑑于此，CREE、晶電、燦圓、新世紀(jì)、旭明光電等LED磊晶生產(chǎn)的領(lǐng)頭羊已紛紛進(jìn)駐大陸。美國(guó)、日本及臺(tái)灣 LED磊晶公司的生存之道就是把傳統(tǒng)的水平LED設(shè)計(jì)升級(jí)成垂直式LED，這樣才能在大面積的芯片上加大電流(如單芯片10W)而以一顆LED的生產(chǎn)成本取代多顆的傳統(tǒng)LED。垂直LED的制作必需把GaN半導(dǎo)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(dǎo)熱材料的熱膨脹卻遠(yuǎn)大于GaN(約 5.5ppm/mK), 因此LED專(zhuān)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(fù)合材料(鉆石散熱片)為基材制作全世界最先進(jìn)的垂直LED。這樣可以讓臺(tái)灣LED的產(chǎn)業(yè)蛙跳超前外國(guó)的主導(dǎo)公司(如Nichia, Osram，Lumiled)，也順勢(shì)擺脫歐、美、日對(duì)臺(tái)灣的專(zhuān)利封鎖。LED的世界革命。2010年LED開(kāi)始大量用于室內(nèi)照明、戶外路燈、及電視背光。室內(nèi)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(chǎn)品為白光照明，大部份的白光乃以藍(lán)光的LED激發(fā)黃色的螢光粉產(chǎn)生假性的白光。LED的大宗生產(chǎn)乃以藍(lán)寶石為基材外延磊晶生長(zhǎng)GaN成為L(zhǎng)ED的芯片。生長(zhǎng)的主要方法為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition 或MOCVD) 。 臺(tái)灣擁有最多臺(tái)的MOCVD設(shè)備，為世界LED晶粒產(chǎn)量第一的國(guó)家。但大陸已經(jīng)急起直追，甚至提供每臺(tái)MOCVD 補(bǔ)助人民幣一千萬(wàn)元的優(yōu)惠獎(jiǎng)勵(lì) 。臺(tái)灣主要的生產(chǎn)公司(晶電、燦圓、新世記等)都已在大陸設(shè)廠。另一方面，臺(tái)灣光電產(chǎn)品的勁敵韓國(guó)(如Samsung)在2010年雖向臺(tái)灣大量采購(gòu)LED 貨源，但自己卻也安裝了兩百多臺(tái)的MOCVD。所以臺(tái)灣MOCVD生產(chǎn)的LED其產(chǎn)能在2011年可能過(guò)剩，預(yù)期即將成無(wú)利可圖的紅海市場(chǎng)。臺(tái)灣急需開(kāi)發(fā)更高端的產(chǎn)品才能避免金融風(fēng)暴后DRAM殺價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)轍 (如表一表四) 。表一：世界最大產(chǎn)值的LED產(chǎn)品公司(2009) 參考：LED Inside表二：世界最大芯片產(chǎn)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(chǎn)值公司PK世界最大產(chǎn)量公司的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì) LED的專(zhuān)利網(wǎng)臺(tái)灣雖為L(zhǎng)ED制造王國(guó)，但就像其他的代工產(chǎn)業(yè)一樣，LED專(zhuān)利受制于國(guó)外的大公司，每年必須繳付鉅額的權(quán)利金。臺(tái)灣出錢(qián)制造卻為外國(guó)老板賺錢(qián)，而現(xiàn)在生產(chǎn)LED的技術(shù)更已大量外移大陸，這是臺(tái)灣LED代工生態(tài)的悲哀。(如圖1、2) 圖1：LED 專(zhuān)利網(wǎng) 圖2LED外國(guó)公司交互授權(quán)而邊緣臺(tái)灣代工產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀。然而這個(gè)劣勢(shì)卻可以讓鉆石科技中心發(fā)展的鉆石專(zhuān)利逆轉(zhuǎn)獲勝(見(jiàn)下述)LED的戰(zhàn)國(guó)時(shí)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(lán)寶石基材不導(dǎo)電，LED正負(fù)兩個(gè)電極乃設(shè)在同面。當(dāng)電流通過(guò)GaN晶格時(shí)電流必須由垂直順流改成水平橫流，這樣電流就會(huì)集中在內(nèi)彎處，導(dǎo)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(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)使晶格缺陷范圍延伸，LED的亮度就會(huì)隨缺陷擴(kuò)大而遞減。為了延長(zhǎng)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(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)有如下列諸圖所示(如圖3) 圖3：LED芯片的主要設(shè)計(jì)示意LED電流轉(zhuǎn)彎的問(wèn)題不能靠封裝的設(shè)計(jì)(如復(fù)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(cè)。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(jìn)者，電流轉(zhuǎn)彎時(shí)若擴(kuò)大芯片的面積會(huì)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(huì)由發(fā)光面積的加大而提高。所以一顆以大電流(如1A)驅(qū)動(dòng)大面積的順流LED，其亮度會(huì)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(shí)乃將一導(dǎo)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(zhǎng)248nm的KrF氣體雷射)從反面透明的藍(lán)寶石面照入，就可氣化GaN成為Ga及N2，這樣藍(lán)寶石就可以和負(fù)極(N-Type)剝離分開(kāi)了。(如圖5) 雷射剝離藍(lán)寶石基材后暴露出的GaN負(fù)極(如加入Si Dopant)在拋光后其導(dǎo)電率及透光率比正極(如加入Mg Dopant)要高，因此不需鍍上會(huì)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(dǎo)體SiC磊晶基材生長(zhǎng)GaN，在蒸鍍反射層(如銀)后軟銲(Solder)導(dǎo)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(guó)內(nèi)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(fù)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(jié)合強(qiáng)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(shè)計(jì)，乃采用“似鉆膜”Diamond Like Carbon (DLC)為半導(dǎo)體和金屬體的接口，不僅可避免軟銲造成制造良率問(wèn)題，也能舒解兩種回異材料之間的應(yīng)力。除此之外，DLC的熱傳導(dǎo)比銅快許多，因此以 DLC為接口，可加速移除LED發(fā)光時(shí)產(chǎn)生的廢熱，而可能大幅延長(zhǎng)使用壽命。接口應(yīng)力的問(wèn)題半導(dǎo)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(yuǎn)大于GaN，在高電流密度下的溫度較高處其接口應(yīng)力會(huì)迅速上升。尤其在啟動(dòng) LED的瞬間電流自接口電阻最低處匯流時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生爆點(diǎn)。除此之外，GaN晶格為六方晶系的wrtzite結(jié)構(gòu)，因此具有壓電效應(yīng)，界面應(yīng)力產(chǎn)生的即時(shí)電場(chǎng)可以擾亂了LED內(nèi)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(nèi)部產(chǎn)生更大的缺陷，加大的缺陷會(huì)形成微小的熱點(diǎn)而造成光度衰淢的惡性循環(huán)。LED的電光效應(yīng)因接口的疲勞會(huì)在數(shù)千小時(shí)后迅速降低。(如圖67) 圖6：各種材料的熱傳導(dǎo)率及熱膨脹率的比較。圖示鉆石和銅的復(fù)合材料或“似鉆膜”(DLC)不僅有較高的熱傳導(dǎo)率，也具有可調(diào)節(jié)的熱膨脹率，因此能降低垂直LED的接口應(yīng)力及加快散出電光效應(yīng)產(chǎn)生的廢熱。 圖7：LED壽命隨接口應(yīng)力加大而縮短的示意圖。加大電流后壽命更會(huì)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(gè)導(dǎo)電的支撐體。 若支撐體為合金，半導(dǎo)體和 金屬的接口難以接合。不僅如此，金屬的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于GaN，所以接口會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。LED在通電時(shí)電流乃沿電阻最小處滲透前進(jìn)，應(yīng)力較大的局部溫度會(huì)快速升高，金屬就會(huì)把GaN的晶格撐大。由于LED開(kāi)關(guān)頻繁，GaN晶格會(huì)被重復(fù)拉扯以致不斷產(chǎn)出缺陷(如差排或Dislocation) ，這樣LED的亮度就會(huì)快速減低。(如圖8) 圖8電鍍金屬和半導(dǎo)體的界面只是機(jī)械式的靠在一起，并沒(méi)有化學(xué)鍵結(jié)，因此在LED迅速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生冷熱交替時(shí)，金屬會(huì)沿界面逐漸剝離。若在GaN和金屬的接口加入熱脹低而散熱快的似鉆膜(DLC Coating)就可大幅度降低接口應(yīng)力(如圖9)圖9:作者與璨圓公司合作開(kāi)發(fā)的DLC LED 其截面設(shè)計(jì)之一 DLC LED若在金屬和半導(dǎo)體之間加入多層的陶瓷(如TiC)及DLC，接口的應(yīng)力就因分散而大降。除此之外DLC熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)高于銅，是垂直LED接口散熱的極致材料。LED發(fā)光所產(chǎn)生廢熱(50%電能)就可迅速散出。這樣可避免GaN的晶格因溫度過(guò)高而增加缺陷所導(dǎo)致的光衰問(wèn)題，除此之外，順流LED的面積可以加大(如2mm)，而電流更可提高(如1A/mm2)。一顆大面積的順流LED(如10W)會(huì)比多顆并聯(lián)而功率相同的彎流LED更光亮也更耐久。 (如圖10) DLC 的擴(kuò)散系數(shù)(Thermal Diffusivify)此銅高12倍(熱膨脹率比銅高4倍)，因此可將熱點(diǎn)即時(shí)消除，LED的亮度和GaN的缺陷密度息息相關(guān)，而瞬間熱點(diǎn)更會(huì)擴(kuò)大缺陷，淢少了光子射出的數(shù)量，因此以DLC形成接口可以保持晶格完整，即使界面的平均溫度稍高，也不致減少光亮(如圖11) DLC的散熱效果制造垂直式LED時(shí)，若GaN以半導(dǎo)體(如Si)結(jié)合雖可以舒緩接口應(yīng)力，但半導(dǎo)體的熱傳導(dǎo)系數(shù)不高，熱量久聚不散后，也會(huì)在芯片內(nèi)產(chǎn)生差排而降低電光效率。若以無(wú)晶鉆石鍍膜披復(fù)GaN就可同時(shí)提高熱傳導(dǎo)率及降低熱變應(yīng)力。無(wú)晶鉆石散熱的效果可以下圖表示(如圖12) 鉆銅散熱片除了使用無(wú)晶鉆石做為接口之外，鉆銅(DiaCu)散熱片也可以軟銲在鍍金層的DLC上，這樣就可以加厚陽(yáng)極而強(qiáng)化LED晶圓的支撐體。(如圖13) 圖13由于熱膨脹系數(shù)可調(diào)成同步，鉆銅散熱片和LED芯片可直接軟銲而加速散熱。圖示鉆銅散熱片底座露出的1英吋見(jiàn)方能銲接100個(gè)1W的LED(晶上板或Chip on Board)，可用于高功率CPU、陸燈、投影燈、舞臺(tái)燈、車(chē)頭燈、集魚(yú)燈及投影機(jī)。 圖14:鉆銅散熱片的熱阻(左圖)及散熱(右圖)。鉆銅散熱片也可直接軟銲接合LED 晶圓而制造垂直LED(如圖15)。 DLC LED的量產(chǎn)制造含DLC的接口可以自動(dòng)化設(shè)備設(shè)備制造，其成本可遠(yuǎn)低于現(xiàn)有垂直LED的主流制程。DLC的上下接口可以碳化物。(如TiC)無(wú)縫銜接。DLC也可重復(fù)多次形成整合的接口系統(tǒng)，這樣可以更有效的中和GaN和金屬之間的應(yīng)力。(如圖16、17) DLC鍍膜不需要軟銲垂直LED的基材(如Si或CuW)可以軟銲(Solder)接合GaN。然而以電鍍披復(fù)GaN卻可省去軟銲的成本及制造良率偏低的問(wèn)題，但在金屬熱膨脹系數(shù)太高會(huì)逐漸自芯片剝離。以DLC真空鍍膜直接披復(fù)GaN晶圓再電鍍金屬則可同時(shí)解決軟銲良率偏低及金屬附著不牢的雙重問(wèn)題。由于軟銲時(shí)液體必須潤(rùn)濕接合全部面積而常會(huì)黏結(jié)不良而降低了良率。但直接將GaN晶圓上電鍍金屬卻只能機(jī)械貼合。DLC無(wú)縫接合的接口可以顯善降低垂直LED的生產(chǎn)成本及制造良率。(如圖18) LED顯示器DLC接口可舒解應(yīng)力，因此可制成大面積的LED。新的藍(lán)寶石基材已經(jīng)大到6吋(15公分) ，因此可藉1CP蝕刻成陽(yáng)極連接但陰極分開(kāi)的微小光點(diǎn)這樣就可能分別趨動(dòng)發(fā)光。如果各別光源可縮小成一個(gè)像素就可以晶圓制成顯示器，每個(gè)像素可由上下電極獨(dú)立控制明暗。這種LED顯示器會(huì)比LCD亮麗得多。因?yàn)檫@是主動(dòng)發(fā)光所以也很省電。DLC LED的顯示器可制成手機(jī)的亮麗展示。若將GaN晶圓上的所有電極加厚(如5m)， 再鍍上含氫而絕緣的DLC，由于DLC黏不住電極，可以輕易擦除。這種晶圓可復(fù)蓋在DLC PCB上，以芯片接板(Chip on Board)的方式直接軟銲，就可制成車(chē)燈式的強(qiáng)光源，也可以小電流各別驅(qū)動(dòng)光點(diǎn)，形成亮麗的顯示器。(如圖19) 結(jié)論生產(chǎn)藍(lán)光LED的主流制程包括在絕緣藍(lán)寶石(剛玉，即Corandun 或Al2O3的單晶)晶圓(2”,4”,6”)基材上外延磊晶(Hetero-Epitaxy)生長(zhǎng)GaN。2010年臺(tái)灣為世界產(chǎn)量最大的國(guó)家而日本則為銷(xiāo)售金額最高的國(guó)家。然而美國(guó)的CREE卻是賺錢(qián)最多的LED公司。CREE在2010年所生產(chǎn)的XLamp為