以DLC接口及钻铜基材制造大功率的垂直LED

    垂直LED的制作必需把GaN半导体软銲在低膨胀率的基材上，但偏偏低膨胀率的材料(如矽或GuW)其散热不佳，而高导热材料的热膨胀却远大于GaN(约5.5ppm/mK), 因此LED专家找不到理想的衔接材料。本文推荐以DLC为接口而钻石和铜的复合材料(钻石散热片)为基材制作全世界最先进的垂直LED。这样可以让台湾LED的产业蛙跳超前外国的主导公司(如Nichia, Osram，Lumiled)，也顺势摆脱欧、美、日对台湾的专利封锁。

    LED的世界革命。2010年LED开始大量用于室内照明、户外路灯、及电视背光。室内照明常用的白炽灯(Incandescent Lamp)及萤光灯(Fluorescent Lamp)乃致LCD背光常用的冷阴极管(Cold Cathode Fluorescent Lamp)正在快速被淘汰中。

    LED的主流产品为白光照明，大部份的白光乃以蓝光的LED激发黄色的萤光粉产生假性的白光。LED的大宗生产乃以蓝宝石为基材外延磊晶生长GaN成为LED的芯片。生长的主要方法为金属有机化学气相沈积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition 或MOCVD) 。 台湾拥有最多台的MOCVD设备，为世界LED晶粒产量第一的国家。但大陆已经急起直追，甚至提供每台MOCVD 补助人民币一千万元的优惠奖励 。

    台湾主要的生产公司（晶电、灿圆、新世记等）都已在大陆设厂。另一方面，台湾光电产品的劲敌韩国（如Samsung）在２０１０年虽向台湾大量采购LED货源，但自己却也安装了两百多台的MOCVD。所以台湾MOCVD生产的LED其产能在2011年可能过剩，预期即将成无利可图的红海市场。台湾急需开发更高端的产品才能避免金融风暴后DRAM杀价竞争的复辙 (如表一~表四) 。

    表一：世界最大产值的LED产品公司(2009)

参考：LED Inside

表二：世界最大芯片产量的LED 公司(2010)

参考：IMS Research, SEMI

表三、主要LED公司使用MOCVD的规模(2009)

参考︰Yuanta Research estimates

表四：世界最大产值公司PK世界最大产量公司的竞争优势

    LED的专利网
    台湾虽为LED制造王国，但就像其他的代工产业一样，LED专利受制于国外的大公司，每年必须缴付钜额的权利金。台湾出钱制造却为外国老板赚钱，而现在生产LED的技术更已大量外移大陆，这是台湾LED代工生态的悲哀。(如图1、2)

图1：LED 专利网

    图2︰LED外国公司交互授权而边缘台湾代工产业的现状。然而这个劣势却可以让钻石科技中心发展的钻石专利逆转获胜(见下述)

    LED的战国时代
    提高LED性能的一种方法乃将电流由弯流改成顺流。由于蓝宝石基材不导电，LED正负两个电极乃设在同面。当电流通过GaN晶格时电流必须由垂直顺流改成水平横流，这样电流就会集中在内弯处，导致不能有效使用P-N接口的电子层和电洞层，因而减少了发光效率。更有甚者，电流集中之处会产生热点使晶格缺陷范围延伸，LED的亮度就会随缺陷扩大而递减。为了延长LED的寿命，输入的电流必须降低（如３５０mA），单位面积的发光亮度，就受到了限制。LED设计的主要设计有如下列诸图所示(如图3)

图3：LED芯片的主要设计示意

    LED电流转弯的问题不能靠封装的设计(如复晶或Flip Chip)改善，把电流截弯取直才是正道，这样必须把电极置于LED磊晶的两侧。电流平顺就可以明显提升LED的亮度。除此之外，相同亮度的顺流LED使用的芯片面积较小，因此晶圆上切出的晶粒数目较多，也就是单颗LED的制造成本可能降低。尤其进者，电流转弯时若扩大芯片的面积会使LED发光更不均匀。但是顺流LED其发射的光子数目则会由发光面积的加大而提高。所以一颗以大电流(如1A)驱动大面积的顺流LED，其亮度会大于具有相同面积的多颗横流LED。(如图4)

    LED的顺流制造
    制造顺流式LED时乃将一导电体(如CuW)软銲(如Au-Sn)在GaN的正极(P-Type)面。其后以雷射(如波长248nm的KrF气体雷射)从反面透明的蓝宝石面照入，就可气化GaN成为Ga及N2，这样蓝宝石就可以和负极(N-Type)剥离分开了。(如图5)

    雷射剥离蓝宝石基材后暴露出的GaN负极(如加入Si Dopant)在抛光后其导电率及透光率比正极(如加入Mg Dopant)要高，因此不需镀上会吸光的ITO层做为电流散布层(Current Spreading Layer)就可在其上的部份镀上电极而制成LED光源。

    CREE以半导体SiC磊晶基材生长GaN，在蒸镀反射层(如银)后软銲(Solder)导电的矽晶制成所谓的“垂直式”LED。这种间接制程不仅可将昂贵的SiC基材以雷射剥离收回再用，垂直LED也能加大芯片(电流)及减少亮度衰减。国内的晶电也以矽晶软銲在GaN晶圆上，而灿圆则以GuW合金软銲在GaN 的芯片上。旭明光电则以电镀金属(如Ni、Co、Cu)直接披复在GaN的晶圆上。然而软銲可能局部接合不良以致若干GaN芯片(Die)在切割(Dicing)后发光不亮。另一方面，不以软銲接合而以电镀沈积的接口结合强度不高，更有甚者，金属膨胀后可能自GaN表面剥离。有鑑于此，本文叙述一种新的垂直LED设计，乃采用“似钻膜”Diamond Like Carbon (DLC)为半导体和金属体的接口，不仅可避免软銲造成制造良率问题，也能舒解两种回异材料之间的应力。除此之外，DLC的热传导比铜快许多，因此以DLC为接口，可加速移除LED发光时产生的废热，而可能大幅延长使用寿命。

    接口应力的问题
    半导体(如GaN)和金属(如Ni-Cu)的接口极其脆弱。合金的热膨胀系数远大于GaN，在高电流密度下的温度较高处其接口应力会迅速上升。尤其在启动LED的瞬间电流自接口电阻最低处汇流时可能会产生爆点。除此之外，GaN晶格为六方晶系的würtzite结构，因此具有压电效应，界面应力产生的即时电场可以扰乱了LED内的电流分布。不仅如此，金属基材即使不自接口剥离，其膨胀也可能撑裂缺陷的某中区，以致在GaN内部产生更大的缺陷，加大的缺陷会形成微小的热点而造成光度衰淢的恶性循环。LED的电光效应因接口的疲劳会在数千小时后迅速降低。(如图6~7)

图6：各种材料的热传导率及热膨胀率的比较。图示钻石和铜的复合材料或“似钻膜”(DLC)不仅有较高的热传导率，也具有可调节的热膨胀率，因此能降低垂直LED的接口应力及加快散出电光效应产生的废热。

图7：LED寿命随接口应力加大而缩短的示意图。加大电流后寿命更会急遽衰减。

    雷射剥离前磊晶的正极(P Type)需镀上一层反射金属(如银)，再接上一个导电的支撑体。 若支撑体为合金，半导体和金属的接口难以接合。不仅如此，金属的热膨胀系数远大于GaN，所以接口会产生应力。LED在通电时电流乃沿电阻最小处渗透前进，应力较大的局部温度会快速升高，金属就会把GaN的晶格撑大。由于LED开关频繁，GaN晶格会被重复拉扯以致不断产出缺陷(如差排或Dislocation) ，这样LED的亮度就会快速减低。(如图8)

图8︰电镀金属和半导体的界面只是机械式的靠在一起，并没有化学键结，因此在LED迅速开关产生冷热交替时，金属会沿界面逐渐剥离。

    若在GaN和金属的接口加入热胀低而散热快的似钻膜(DLC Coating)就可大幅度降低接口应力(如图9)

图9:作者与璨圆公司合作开发的DLC LED 其截面设计之一

    DLC LED
    若在金属和半导体之间加入多层的陶瓷(如TiC)及DLC，接口的应力就因分散而大降。除此之外DLC热传导率远高于铜，是垂直LED接口散热的极致材料。LED发光所产生废热(>50%电能)就可迅速散出。这样可避免GaN的晶格因温度过高而增加缺陷所导致的光衰问题，除此之外，顺流LED的面积可以加大(如2mm)，而电流更可提高(如1A/mm2)。一颗大面积的顺流LED(如10W)会比多颗并联而功率相同的弯流LED更光亮也更耐久。(如图10)

    DLC 的扩散系数(Thermal Diffusivify)此铜高12倍(热膨胀率比铜高4倍)，因此可将热点即时消除，LED的亮度和GaN的缺陷密度息息相关，而瞬间热点更会扩大缺陷，淢少了光子射出的数量，因此以DLC形成接口可以保持晶格完整，即使界面的平均温度稍高，也不致减少光亮(如图11)

    DLC的散热效果
    制造垂直式LED时，若GaN以半导体(如Si)结合虽可以舒缓接口应力，但半导体的热传导系数不高，热量久聚不散后，也会在芯片内产生差排而降低电光效率。若以无晶钻石镀膜披复GaN就可同时提高热传导率及降低热变应力。无晶钻石散热的效果可以下图表示(如图12)

    钻铜散热片
    除了使用无晶钻石做为接口之外，钻铜(DiaCu)散热片也可以软銲在镀金层的DLC上，这样就可以加厚阳极而强化LED晶圆的支撑体。(如图13)

    图13︰由于热膨胀系数可调成同步，钻铜散热片和LED芯片可直接软銲而加速散热。图示钻铜散热片底座露出的1英吋见方能銲接100个1W的LED(晶上板或Chip on Board)，可用于高功率CPU、陆灯、投影灯、舞台灯、车头灯、集鱼灯及投影机。

图14:钻铜散热片的热阻(左图)及散热(右图)。
钻铜散热片也可直接软銲接合LED 晶圆而制造垂直LED(如图15)。

    DLC LED的量产制造
    含DLC的接口可以自动化设备设备制造，其成本可远低于现有垂直LED的主流制程。DLC的上下接口可以碳化物。(如TiC)无缝衔接。DLC也可重复多次形成整合的接口系统，这样可以更有效的中和GaN和金属之间的应力。(如图16、17)

    DLC镀膜不需要软銲
    垂直LED的基材(如Si或CuW)可以软銲(Solder)接合GaN。然而以电镀披复GaN却可省去软銲的成本及制造良率偏低的问题，但在金属热膨胀系数太高会逐渐自芯片剥离。以DLC真空镀膜直接披复GaN晶圆再电镀金属则可同时解决软銲良率偏低及金属附着不牢的双重问题。由于软銲时液体必须润湿接合全部面积而常会黏结不良而降低了良率。但直接将GaN晶圆上电镀金属却只能机械贴合。DLC无缝接合的接口可以显善降低垂直LED的生产成本及制造良率。(如图18)

    LED显示器
    DLC接口可舒解应力，因此可制成大面积的LED。新的蓝宝石基材已经大到6吋(15公分) ，因此可藉1CP蚀刻成阳极连接但阴极分开的微小光点这样就可能分别趋动发光。如果各别光源可缩小成一个像素就可以晶圆制成显示器，每个像素可由上下电极独立控制明暗。这种LED显示器会比LCD亮丽得多。因为这是主动发光所以也很省电。DLC LED的显示器可制成手机的亮丽展示。

    若将GaN晶圆上的所有电极加厚(如5μm)， 再镀上含氢而绝缘的DLC，由于DLC黏不住电极，可以轻易擦除。这种晶圆可复盖在DLC PCB上，以芯片接板(Chip on Board)的方式直接软銲，就可制成车灯式的强光源，也可以小电流各别驱动光点，形成亮丽的显示器。(如图19)

    结论  
    生产蓝光LED的主流制程包括在绝缘蓝宝石(刚玉，即Corandun 或Al2O3的单晶)晶圆(2”,4”,6”)基材上外延磊晶(Hetero-Epitaxy)生长GaN。2010年台湾为世界产量最大的国家而日本则为销售金额最高的国家。然而美国的CREE却是赚钱最多的LED公司。CREE在2010年所生产的XLamp为世界最先进的单芯片LED, 可产生1000 Lumens(10W)，这是大面积垂直芯片的应用实例。

    根据估计，2010年全球生产了约1千万片(2吋当量)的GaN LED晶圆，产值约20亿美元，但只有不及5%的LED使用垂直式设计。DLC LED有机会让一颗LED的一生总发光效率抵上多颗传统的LED晶粒。例如CREE的2mm单一芯片，其功率可达10W。若能加入DLC，功率可能再加倍。台湾若大量采用DLC LED不仅可打破国外专利的紧箍咒，更可在2012年中国MOCVD机海产能大开时以优越产品区隔而提高制造垂直式LED的毛利率。