梁伏波，楊小東，封 波

(晶能光電(江西)有限公司， 江西 南昌 330029)

引言

隨著現(xiàn)代生活水平的提高和5G高速通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)大屏顯示及人機(jī)互動(dòng)方面的需求日益廣泛。當(dāng)前以普通藍(lán)寶石襯底的LED藍(lán)綠芯片加普通的紅光芯片為主制作的RGB顯示屏，因分辨率低、可靠性差等劣勢(shì)已經(jīng)限制了行業(yè)進(jìn)一步向家用高清互動(dòng)領(lǐng)域的拓展。全垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片構(gòu)成的全彩RGB顯示屏有效解決了上述痛點(diǎn)，較現(xiàn)有產(chǎn)品在工藝上可以少打兩根線，器件內(nèi)打線面積更充足，而且垂直芯片的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，如圖1所示，整個(gè)芯片表面只有電極和二氧化硅保護(hù)層，可有效阻擋外界水汽、酸氣侵?jǐn)_。為進(jìn)一步提升直顯RGB顯示屏的分辨率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互動(dòng)等功能提供了方向和解決方案。近年來(lái)，間距P1.25及以下的產(chǎn)品增長(zhǎng)率逐年提高，最高超過(guò)100%。因間距變小后相同面板尺寸需貼燈珠數(shù)量大幅度提高，出現(xiàn)了四合一、九合一及N合一等多種封裝形式來(lái)簡(jiǎn)化下游客戶的貼片量。

圖1 垂直Mini LED芯片結(jié)構(gòu)圖

1 芯片制備

1.1 硅襯底外延生長(zhǎng)

硅襯底上外延生長(zhǎng)高質(zhì)量氮化鎵薄膜的技術(shù)難點(diǎn)主要在于硅襯底與氮化鎵之間17%的晶格失配和54%的熱膨脹系數(shù)失配。很大的晶格失配造成硅襯底上氮化鎵外延層中大量的缺陷。而熱膨脹系數(shù)的差異使得氮化鎵外延層在生長(zhǎng)結(jié)束后的降溫過(guò)程中收縮程度是硅襯底的兩倍以上，氮化鎵外延層受到很大的張應(yīng)力(圖2)，非常容易產(chǎn)生裂紋。裂紋會(huì)嚴(yán)重降低材料良率，甚至導(dǎo)致材料完全報(bào)廢。

圖2 藍(lán)寶石襯底上和硅襯底上生長(zhǎng)的GaN薄膜在降溫過(guò)程的應(yīng)力變化及外延片的凹凸彎曲情況

晶能光電采用AlN/AlGaN應(yīng)力控制層來(lái)對(duì)GaN外延層產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而補(bǔ)償降溫過(guò)程中產(chǎn)生的張應(yīng)力，重復(fù)穩(wěn)定的解決了硅襯底上外延GaN薄膜的裂紋問(wèn)題；精細(xì)優(yōu)化AlN/AlGaN緩沖層結(jié)構(gòu)、組分和生長(zhǎng)參數(shù)，并結(jié)合硅襯底GaN的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)調(diào)整了緩沖層之上uGaN的外延溫度和外延氣氛，更有效利用了緩沖層各界面的位錯(cuò)中止機(jī)制，促進(jìn)了整個(gè)外延層內(nèi)的位錯(cuò)湮滅反應(yīng)。通過(guò)上述外延工藝優(yōu)化，在硅襯底上實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的GaN基薄膜外延，達(dá)到99%以上的外延良率。圖3(a)為整爐外延片生長(zhǎng)結(jié)束后降到室溫的照片，圖3(b)為單片外延片的照片。外延生長(zhǎng)的LED結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 (a)外延片生長(zhǎng)結(jié)束后；(b)外延片

圖4 硅襯底上外延生長(zhǎng)LED結(jié)構(gòu)示意圖

評(píng)估硅襯底GaN的外延薄膜的晶體質(zhì)量，圖5為L(zhǎng)ED外延片(0002)和(1012)晶面的X射線搖擺曲線，對(duì)應(yīng)晶面的半高寬分別為281 arcsec和273 arcsec。

圖5 硅襯底LED外延片的X射線搖擺曲線

1.2 芯片工藝制備

硅襯底的垂直結(jié)構(gòu)工藝制作相較于激光剝離藍(lán)寶石的垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片有較大的良率和可靠性優(yōu)勢(shì)，主要是襯底通過(guò)濕法工藝剝離后，氮化鎵晶體結(jié)構(gòu)幾乎零損傷，而激光剝離工藝或多或少因外延結(jié)構(gòu)缺陷在剝離過(guò)程中因激光穿透缺陷部位從而對(duì)量子阱造成一定的損傷，對(duì)生產(chǎn)良率和長(zhǎng)期的可靠性方面有較深遠(yuǎn)的影響。硅襯底垂直結(jié)構(gòu)的工藝流程如圖6所示。

圖6 垂直結(jié)構(gòu)芯片工藝流程圖

垂直芯片制作比普通藍(lán)寶石正裝芯片工藝流程要多出許多，普通流程大概20～30個(gè)工步，垂直結(jié)構(gòu)約150～200個(gè)，故芯片工藝生產(chǎn)周期要長(zhǎng)3～5倍，成本上要高出2～3倍，如果大規(guī)模量產(chǎn)后會(huì)大幅降低。

1.3 藍(lán)綠垂直芯片關(guān)鍵技術(shù)

垂直結(jié)構(gòu)工藝的關(guān)鍵技術(shù)有兩個(gè)，一個(gè)是歐姆接觸層兼具反射鏡作用，且為金屬，電流擴(kuò)展較金屬氧化物高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，另一個(gè)關(guān)鍵工藝是硅基板的金屬鍵合工藝，采用金屬錫作為鍵合金屬，除了穩(wěn)定的金屬結(jié)構(gòu)之外，成本也較常見(jiàn)的金金鍵合和金錫鍵合減少80%以上。

1.3.1 金屬歐姆接觸層制作

歐姆接觸層采用金屬銀蒸發(fā)工藝，金屬銀的特性為光反射率高、導(dǎo)電性好，但是其也有易遷移、粘附性差、歐姆接觸難制作等缺點(diǎn)，故在工藝上如何做到與GaN的歐姆接觸匹配性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定也充滿挑戰(zhàn)。晶能光電采用蒸發(fā)的方式附著在晶圓表面，再進(jìn)行特殊的合金工藝，可以保證與GaN形成良好的歐姆接觸層，然后再用濺射工藝把銀完全包覆起來(lái)，確保整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期的可靠性不受影響，此工藝已在產(chǎn)品上經(jīng)過(guò)了檢驗(yàn)。

1.3.2 金屬鍵合工藝制作

垂直結(jié)構(gòu)的芯片因襯底需要去除，但因去除后GaN薄膜厚度太薄，只有不到6 μm，所以需要再綁定一個(gè)硅基板，這個(gè)工藝的穩(wěn)定性直接關(guān)系到芯片的最終質(zhì)量，所以需要一個(gè)高可靠性、低成本的技術(shù)，目前晶能光電采用的是金屬錫作為鍵合金屬。因其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、價(jià)格低廉的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在垂直結(jié)構(gòu)的鍵合工藝上。另外鍵合后整體結(jié)構(gòu)的翹曲程度也是工藝優(yōu)劣的重要考量，為此我們進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：外延片和基板上Sn的厚度均固定為0.8 μm不變，改變外延片和基板上Ni的厚度。Ni的厚度一共分為3個(gè)組合列在表1中。3個(gè)組合中Ni的總厚度分別是400 nm、500 nm和600 nm，如表1所示。圖7為不同Ni厚度對(duì)應(yīng)的晶圓在LED芯片制備完成后的彎曲情況。從組合3到組合1，隨著總Ni厚度的降低，晶圓彎曲程度降低。組合1中Ni的總厚度為400 nm，它和0.8 μm的Sn形成Ni-Sn合金，但晶圓幾乎沒(méi)有彎曲。

表1 外延片和基板上不同Ni厚度的組合

圖7 不同Ni厚度對(duì)應(yīng)的晶圓在LED芯片制備完成后的彎曲情況

2 結(jié)果和分析

目前晶能光電完成了Mini-LED 05 mil×05 mil藍(lán)綠芯片的開(kāi)發(fā)，如圖8所示。

圖8 晶能光電Mini-LED 0505A型號(hào)藍(lán)綠芯片點(diǎn)亮圖

從客戶端驗(yàn)證數(shù)據(jù)看，基本達(dá)到了顯示屏應(yīng)用的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，個(gè)別指標(biāo)如鹽水實(shí)驗(yàn)，指標(biāo)超普通藍(lán)寶石產(chǎn)品的24 h，甚至做到通過(guò)了168 h測(cè)試。還有一大優(yōu)勢(shì)是伏安特性曲線一致性好，如圖9所示。

圖9 (a)垂直藍(lán)光Mini-LED IV曲線圖； (b)垂直綠光Mini-LED IV曲線圖

垂直藍(lán)綠芯片與砷化鎵的紅光芯片高度基本一致，約為140 μm，且僅在表面發(fā)光，這樣在封裝工藝中可以有效提高設(shè)備稼動(dòng)率和效率。同時(shí)在顯示屏端可視角度更大，可以達(dá)到178°。

垂直結(jié)構(gòu)的芯片因?yàn)闊犭姏](méi)有分離，散熱效果好，制作成顯示屏后屏幕表面較其他產(chǎn)品更低，同時(shí)芯片表面僅有金屬電極和鈍化層，且P/N電極在物理空間上分隔較其他產(chǎn)品更遠(yuǎn)，可以有效避免因離子遷移問(wèn)題造成屏幕壞點(diǎn)，俗稱的“毛毛蟲(chóng)”等失效異常。

隨著顯示屏分辨率的提升，所用的芯片尺寸越來(lái)越小，垂直芯片的優(yōu)勢(shì)將會(huì)越來(lái)越大，因只需一個(gè)電極，故有效發(fā)光面積利用率較普通藍(lán)寶石產(chǎn)品更高，因其需要占用發(fā)光面積來(lái)制作N電極。圖10為垂直結(jié)構(gòu)的典型成品結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

應(yīng)用Mini-LED藍(lán)綠芯片可以有效促進(jìn)顯示屏進(jìn)一步向極小間距(P1.25及以下)邁進(jìn)。目前成品主要有P1.25間距的1010產(chǎn)品,P0.9375和P0.625的四合一產(chǎn)品，在亮度方面也較藍(lán)寶石有優(yōu)勢(shì)，如表2所示。

圖10 P0.625四合一、九合一和1010產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

表2 垂直結(jié)構(gòu)藍(lán)綠5 mil×5 mil芯片與普通藍(lán)寶石藍(lán)綠5 mil×6 mil芯片封裝成品性能對(duì)比表

我們相信，全垂直結(jié)構(gòu)的超高清顯示屏方案定能在顯示領(lǐng)域有巨大的發(fā)展空間。