《炬丰科技-半导体工艺》 硅基氮化镓发光二极管的减薄缓冲层

书籍：《华林科纳半导体材料·半导体工艺》
文章：基于减薄技术的SiN-GaN二极管缓冲层
编号：JFKJ/21-S-1147
作者：华林科纳材料科技公司

通过优化其InGaN-Si发光二极管工艺，这些成果展示了首例采用薄缓冲层工艺实现的照明级高效氮化镓-Si发光二极管。这一工艺可显著提升晶圆外延效率并降低成本。然而，在某些情况下人工可行性仍需进一步验证。同时，在硅衬底上采用氮化镓集成材料可集成双极型晶体管、齐纳二极管以及硅光电二极管。但生产无裂纹外延层仍具有挑战性。

相较于蓝宝石上的n-GaN缓冲层相比，在温度下降时通过压紧表面层实现了约34%的性能提升。在低温环境下压紧表面层有助于减少开裂风险。研究人员指出：
a) 晶圆厂作为一条经过改造的老生产线；
b) 采用包括自定义封装技术、全自动化光刻设备在内的多种先进制造工艺；
c) 这些改进显著提升了生产效率；
d) 随着先进光刻技术的应用需求增加，
e) 精确控制晶片曲率成为必须解决的关键问题。

发光二极管外延材料（图1）通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在150毫米级的硅（100面）晶圆上制备。该工艺采用约999°C温度条件进行基底处理，并结合不同工艺参数优化：基底厚度为毫米级；氮化铝成核层与分级铝镓氮化物缓冲层分别制备于200nm和6μm；无掺杂n-型i-GaN缓冲层通过慢速沉积工艺制备8μm级薄膜片状沉积；此外还制备了用于修复AlGaN晶体缺陷的氮化硅中间层片状沉积；最后采用此方法实现了后续i-GaN薄膜的有效过度生长

图1

图1(一)展示了发光二极管的外延结构示意图(一)，图1(二)呈现了扫描电子显微镜截面图(二)，图1(三)描绘了器件的整体布局。在氮化镓层生长过程中引入部分氢环境会降低钒坑密度和直径，并且显著减小了晶片弯曲程度至10毫米以下。p电极由薄镍触点与银基反射镜构成，在镓面一侧形成了一个位于n电极正上方并连接完整的额外更厚钛/铝电极以提高电流扩散性能。随后将晶片结合至硅处理晶片上，并采用化学机械抛光及湿法蚀刻工艺去除所生长的衬底层以确保最终加工质量

通过等离子体蚀刻处理来清除一层氮化铝及氮化铝镓层，在此过程中使用氢氧化钾溶液对暴露于空气的n-GaN表面进行去氧化处理以实现粗糙化效果。随后将制备完成的光二极管晶片按照1毫米×1毫米的标准尺寸切割好后并将其固定在3.5毫米×3.5毫米的塑料封装基底（型号：3535）上完成整个封装过程

图2展示了无封装芯片和球顶透镜封装芯片在光出力及密封效率方面的性能参数随输入电流变化的情况

在注入电流强度为350毫安且正向电压为3.05伏的条件下，在裸芯片状态下测得光输出功率达到480毫瓦（如图2所示）。主波长测得为452纳米。采用硅树脂圆顶透镜封装后，光输出功率（LOP）值可提升至563毫瓦。当注入电流密度达到35A/cm²时，壁塞效率测定值为52.7%。将注入电流密度降至10A/cm²时，则壁塞效率可提升至64%。作为行业标杆比较基准，研究团队参考了欧司朗等领先企业的设备设计方案，并将其应用于蓝宝石 substrates制造工艺中。这些设备均基于蓝宝石 substrates进行制造，并具有类似的制造工艺参数设置。其中一组实验数据显示，在冷热因子（90°C/20°C）下的性能比（PRF）指标测定值维持在理论最大值水平表现稳定，并未出现明显下降趋势。对于包含300片晶片的电致发光器件阵列，在波长标准偏差方面表现优异其平均波长稳定于452纳米附近

根据统计数据表明