淺析硅基GaN LED及光萃取技術

傳統的氮化鎵(GaN)LED元件通常以藍寶石或碳化硅(SiC)為襯底，因為這兩種材料與GaN的晶格匹配度較好，襯底常用尺寸為2"或4"。業界一直在致力于用供應更為豐富的硅晶圓(6"或更大)來發展GaN，因為硅襯底可顯著降低成本，而且可以在自動化IC生產線上制造。據合理估計，相較于傳統技術，這種襯底可節省80%的成本。

　　但是，硅襯底的問題在于與GaN之間在機械和熱力方面嚴重不匹配，這會導致構成LED元件的晶圓出現嚴重翹曲和晶體材料質量變差。現在，劍橋大學衍生公司CamGan(2012年被Plessey收購)的硅基GaN技術已解決了此類不匹配問題，且已成功應用于其位于英國普利茅斯的晶圓加工廠。由此，業界首款低成本、入門級別的商用硅基GaN LED現正處于上市階段。初級產品主要面向指示燈和重點照明市場，其光效為30-40lm/W。

垂直LED生產流程圖

　　GaN on Si Growth：硅基氮化鎵生長

　　Mirror layer added：增設的鏡像圖層

　　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LED需要一些工藝步驟來克服架構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(基于6"的硅晶圓，通過MOCVD生長)上設計一個垂直LED元件。緊接著沉積并粘附上一個高反射性觸點(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，采用導電和導熱易熔金錫層(重熔點溫度約為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。翻轉晶圓進行下一步的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，使發光區覆蓋量最小化。大部分電流會由頂部金屬(通常為2m)傳送。最后，進行光萃取圖案化，蝕刻到GaN層(曝露在焊線后面)內，去除親本晶圓。最后一步對于遠程熒光粉應用特別關鍵，因為它可實現藍光LED的發光圖案控制。

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

　　為改進光萃取，采用了一個包含將半導體耦合至一個大的穹形透鏡(其半徑比半導體發光區尺寸大1.5倍)的簡單設計方案。理想情況下，穹形透鏡應由反射指數(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。

　　但實際上，不存在與GaN反射指數匹配且具有高成本效益、可做成穹形透鏡的材料，因此LED制造商們通常轉而使用容易獲得的反射指數為1.5左右的環氧膠或硅材料。不過，添加反射指數為1.5的穹形透鏡，僅使光萃取率達到12%。為克服因全內反射所導致的弱光萃取性能，有必要優化光線的光學路徑，以增加其出現在逃逸錐內的可能性。