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传统的LED芯片是在蓝宝石衬底上生长制作而成,但是蓝宝石衬底具有一些缺点:GaN和蓝宝石的晶格和热膨胀系数不匹配;蓝宝石热传导比较差,不利于LED工作过程中的热扩散,当注入电流比较大的时候就会在有源区产生过量的热量,从而影响器件的光电特性和寿命。本文针对上述问题,研究了把传统的LED转移到Si衬底上的垂直结构LED制备的键合技术。键合技术的好坏直接影响到LED的工作电压、漏电和老化性能,并影响GaN外延片的应力和激光剥离后芯片成品率。本文针对上述问题进行了系统的研究,主要研究内容和结果如下:
1.实现了AuSn键合和银胶键合技术。对不同键合条件下的AuSn键合层进行金属相分析,发现键合前AuSn的δ相和ζ相呈水平层状分布,键合后,对键合效果良好的芯片δ相和ζ相为棒状分布,对键合效果不好的芯片AuSn相分布比较混乱。进而,对AuSn键合过程中产生的空洞做了研究,发现适当控制huSn键合层中部的空洞,有利于释放GaN外延片的应力;要尽量抑制交界面的空洞,这些空洞对键合强度,对键合后的导电和导热特性都有不利的影响。
2.通过控制AuSn键合的降温速度优化了AuSn键合,调整了AuSn键合层的金属相分布变化,并在激光剥离后得到完整的垂直结构LED芯片。提出最佳的AuSn层相分布是:ζ相和δ相呈棒状相分布,ζ相贯穿整个键合层,δ相更多聚集在AuSn键合层边界处。
3.分析了AuSn键合对GaN外延层应力的影响和对垂直结构LED光电特性的影响。提出应力的充分释放和均匀分布是得到完整的管芯的关键,其中键合对应力起到关键的作用,因为ζ相和δ相呈棒状相分布使键合层具有良好的塑性,6相硬度比较小,并趋向于分布在键合层与芯片的交界处,在激光剥离过程中可以充分释放GaN外延片的应力。另外,ζ相硬度比较高,并贯穿整个AuSn键合层,可以抵御激光剥离过程的瞬间力冲击。L-I曲线表明:由于ζ相导电和导热效果好,ζ相在键合层的贯穿有利于提高芯片的散热性能,饱和电流可达400mA。大电流下LED发光波长的红移是由GaN外延层热应力失配引起,AuSn键合层对GaN外延层应力的释放可以减少波长红移。