淺談金屬基板在LED發(fā)展中的運(yùn)用

王景景

【摘 要】近年來(lái)LED產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展，但散熱問(wèn)題一直困擾LED尤其是大功率LED在照明領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展。應(yīng)用金屬基板為有效解決LED散熱提供了新的思路和途徑。

【關(guān)鍵詞】散熱；金屬基板

業(yè)內(nèi)一般按照外延片及芯片制造，器件封裝和LED應(yīng)用將LED產(chǎn)業(yè)劃分為上，中，下游。其中上游的外延片及芯片制造時(shí)LED產(chǎn)業(yè)鏈的核心，同時(shí)也是附加值最高的環(huán)節(jié)，是典型的技術(shù)，資本密集的“三高”產(chǎn)業(yè)；而中，下游的器件封裝和LED應(yīng)用環(huán)節(jié)則壁壘較低，屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在LED產(chǎn)業(yè)鏈中，LID外延片與芯片約占行業(yè)70%利潤(rùn)，LED封裝約占10至20%而LED應(yīng)用大概也占10至20%.但值得注意的是，盡管上游芯片供不應(yīng)求，但國(guó)內(nèi)企業(yè)并不具備技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是在要求較高的大尺寸背光和大功率照明等領(lǐng)域，產(chǎn)品缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，下游封裝也存在一些不足，比如散熱，高亮度，可靠性等，因此，加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，擴(kuò)展研究領(lǐng)域，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)持續(xù)，深入，健康發(fā)展就顯得尤為迫切和意義重大。

1.重要意義

隨著大功率LED的應(yīng)用，散熱問(wèn)題成為諸多問(wèn)題中亟待解決的最關(guān)鍵技術(shù)之一，金屬因良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電能力越來(lái)越多地受到研究者的青睞，并被嘗試應(yīng)用于LED基板中。

圖1垂直結(jié)構(gòu)LED芯片示意圖

圖1為垂直結(jié)構(gòu)LED芯片示意圖，從圖中可以看出基板是芯片很重要的一部分，主要起支撐，導(dǎo)電，導(dǎo)熱等作用，故要求有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電能力，穩(wěn)定性和反光性。將金屬基板應(yīng)用于GaN基LED具有重要意義。

（1）適合于制作垂直結(jié)構(gòu)的金屬基板GaN基LED，并且金屬普遍具有較好的反光性能，可以提高LED的出光效率，以更好的進(jìn)入固態(tài)照明。

（2）金屬基板優(yōu)良的導(dǎo)熱，電學(xué)性能，降低了諸如藍(lán)寶石絕緣襯底對(duì)GaN基LED的工作電流的限制，也降低了由于大的阻抗導(dǎo)致GaN基LED器件的溫度增加，并提高了GaN基LED器件的可靠性。

（3）通過(guò)將GaN基LED外延片轉(zhuǎn)移到不同厚度的金屬基板上，從而制備厚度不同的GaN基LED，甚至可以制備超薄GaN基LED，從而更好地滿(mǎn)足市場(chǎng)，也給當(dāng)今超微電子領(lǐng)域提供了可能，并由此可能開(kāi)發(fā)出新的潛在的市場(chǎng)。

（4）可以降低生產(chǎn)成本，實(shí)行大批量生產(chǎn)，增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的籌碼。

采用藍(lán)寶石為基板的藍(lán)光LED雖然是制程主流，但是它不導(dǎo)電，P，N兩級(jí)需要放在同一側(cè)，才能形成電光轉(zhuǎn)換，而且導(dǎo)熱又差，對(duì)于大尺寸LED來(lái)說(shuō)，電流不易通過(guò)并且散熱問(wèn)題較難解決，也就是說(shuō)藍(lán)寶石襯底GaN基LED存在以下缺點(diǎn)：

1）無(wú)法制備垂直結(jié)構(gòu)藍(lán)寶石襯底GaN基LED，只能制作同側(cè)電極藍(lán)寶石基板GaN基LED，而同側(cè)電極結(jié)構(gòu)GaN基LED的光效比垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED的光效要低得多。

2）無(wú)法承受高電流，難以制備大功率器件，而且由于熱量難以散射易產(chǎn)生高的結(jié)溫，導(dǎo)致光率下降，壽命降低。

2.研究現(xiàn)狀

近幾年，有研究組展開(kāi)了金屬基板GaN基LED的研究工作，LED芯片器件結(jié)構(gòu)均是垂直結(jié)構(gòu)。2003年，UedaT報(bào)道了通過(guò)激光剝離技術(shù)制備金屬基板hiGaN基垂直結(jié)構(gòu)LED。2006年，chengcc報(bào)道了金屬合金基板垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED，其波長(zhǎng)范圍從近紫外到綠色，并且具有非常高的溫度和優(yōu)秀的可靠性。450nm大小的芯片，經(jīng)過(guò)涂覆黃色熒光粉封裝成的LED其光效達(dá)到801m/w，通過(guò)多色熒光粉制備的白光LED[芯片大小為405nm]其出光效率為50lm/W相當(dāng)于藍(lán)寶石襯底GaN基LED表現(xiàn)出了更多的優(yōu)越性。2007年，ChunGaNhTran報(bào)道高亮度金屬合金基板GaN基LED，并且可以經(jīng)受3A電流老化，在350mA下的工作電壓為3W。目前，SeniLEDs[旭明光電]公司，以銅基板作為GaN基LED基板，以提高散熱性能和LED出光效率，制備出了金屬銅基板GaN基LED器件是可行的。

就材料方面，目前研究者主要是采用Cu，Cr等做金屬基板。

3.存在問(wèn)題

將金屬基板應(yīng)用于GaN基LED主要面臨以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）起步比較晚，無(wú)經(jīng)驗(yàn)可借鑒。用金屬基板作為GaN基LED的轉(zhuǎn)移基板，其研究近幾年才開(kāi)始，而且由于受到技術(shù)保密的限制，很難查找到有關(guān)金屬基板GaN基LED應(yīng)用中涉及到工藝技術(shù)方面的文獻(xiàn)報(bào)道。

（2）對(duì)金屬基板的選擇要求高。在GaN基LED制備的過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)一系列酸堿腐蝕，所以作為GaN基LED用金屬基板必須滿(mǎn)足具有抗酸腐蝕的性能。除此之外，由于該金屬LED的P電極相接觸，該金屬基板表面應(yīng)該具有較高的反光系數(shù)，以提高GaN基LED的出光效率。而要滿(mǎn)足這兩個(gè)的條件的金屬狠少，大部分金屬都能與酸活檢其的化學(xué)反應(yīng)而被腐蝕掉。

（3）制備性能優(yōu)良的金屬基板比較困難。很多金屬基板的制備用離子鍍活著濺射，這就必須解決兩個(gè)問(wèn)題；①由于金屬材料與GaN LED外延片材料之間在晶格常數(shù)，熱膨脹系數(shù)以及結(jié)構(gòu)方面的差異，容易產(chǎn)生應(yīng)力，使制備的金屬基板GaN基LED外延片不平整，影響GaN基LED制備后工序；②由于應(yīng)力的存在容易導(dǎo)致所獲得的鉻基金屬基板GaN基LED外延表面產(chǎn)生裂紋。

（4）金屬基板應(yīng)用于GaN基LED后，整個(gè)器件制備的很多關(guān)鍵工藝，如GaN的歐姆接觸，GaN的刻蝕，劃片要重新摸索，特別是劃片，用傳統(tǒng)的金剛石劃刀很難解決金屬基板劃片問(wèn)題。

4.結(jié)論

SI襯底由于對(duì)光有很大的吸收，所以嚴(yán)重限制了光的輸出功率，并且制備GaN基LED應(yīng)該追求更低的成本，而金屬具有反光率高，成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以講SI襯底GaN基LED通過(guò)某種技術(shù)轉(zhuǎn)移到到金屬基板上，以克服光效與成本的問(wèn)題，自然就成為研究的思路和途徑。

為此，SimiLEDS公司通過(guò)激光剝離技術(shù)將藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)的GaN基LED轉(zhuǎn)移到金屬銅基板上，制備出了銅基板GaN基LED該LED器件在尺寸大小為1000pmx1000pm，能承受3000mA的電流不使器件失效，其正向電壓為3.2V（350fnA時(shí)），串聯(lián)電阻為0.7歐姆，光效為70lm/W，這從實(shí)驗(yàn)之中也證實(shí)了金屬基板在GaN基LED中應(yīng)用的的可行性。

金屬基板具有非金屬基板無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，它具有優(yōu)良的導(dǎo)熱，導(dǎo)電性能和反光性能，并且金屬材料本身容易得到。應(yīng)此，作為一種新的思路和途徑，金屬基板在LED的應(yīng)用中具有廣泛，深入的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展前景。

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