高亮度高可靠度胶质黏着型

摘要：本论文中采用一不吸光的透明黏接层来黏接一具吸光GaAs基板的AlGaInPLED与一透明基板Sapphire，接着将吸光的GaAs基板除去，来形成一具透明基板的AlGaInPLED，由于所使用的胶质黏着技术是在低温下进行，不至破坏原LED磊晶结构而影响其特性，同时所使用的透明基板Sapphire具备相当好的穿透性，因此大幅提升LED的发光效率。我们所做成的GBAlGaInPLED比传统GaAs吸光基板AlGaInPLED发光效率提升将近2倍，在20mA的操作电流下可达40lm/w的发光效率，操作电压在2.1V左右。同时在70mA与850C1000h连续操作下，其输出光强度与操作电压的变化率也都维持相当稳定的。

（AlXGa1－X）0.5In0.5P四元素化合物是一种晶格常数匹配于GaAs基板，并且有一直接能隙从1.8eV（X=0）至2.3eV（X=0.7），相当于从红光到黄绿光的发光波长范围，特别在短波长590nm与630nm上，AlGaInP四元素所形成的多层量子井层（MultipleQuantumWell，MQW）LED，已俨然成为户外看板，交通号志灯、车用煞车灯等用途上取代白炽灯泡的唯一选择。

在一般AlGaInP四元素LED上，由于磊晶成长所用的GaAs基板能隙比活性层产生的光子能隙小，因而使往下入射至GaAs的光子将会被吸收掉，而使得发高效率大打折扣。为了避免基板的吸光,传统上有一些文献揭示出一种利用加入一层分散布拉格反射（Dist－ributedBraggReflector；DBR）于GaAs基板上，藉以反射入射向GaAs基板的光，并减少GaAs基板吸收，然而由于DBR反射层只对于较接近垂直入射于GaAs基板的光能有效的反射，因此效果并不大。

Kish等人发表于【Appl.PhysLett.Vol.64，No.21，2839，（1994）之文献，名称为「Veryhigh－efficiencysemiconductorwafer－bondedtransparent－substrate（AlxGal－x）0.5In0.5P/GaP」】教示一种黏接晶圆（Waferbonding）之透明式基板（Transparent－Substrate；TS）（AlxGal－x）0.5In0.5P/GaP发光二极管。这种TSAlGaInPLED系利用气相磊晶法（VPE）而形成厚度相当厚（约50um）之P型磷化镓（GaP）窗户（Window）层，然后再以习知之化学蚀刻法选择性地移除N型砷化镓（GaAs）基板。随后将此曝露出之N型（AlxGa1－x）0.5In0.5P下包覆层黏接至厚度约为8－10mil之n型磷化锭基板上。由于此晶圆黏接（Waferbonding）是将二种Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体直接在一起，因此要在较高温度加热加压一段时间才能完成。就发光亮度而言，这种方式所获得之TSAlGaInPLED比传统的吸收式基板（AbsorbingSubstrate；AS）AlGaInPLED大两倍以上。然而，这种TSAlGaInPLED的缺点就是制造过程太过繁杂。因此，无法获得高生产良率且难以降低制造成本。

另一种传统技术，例如Horng等人发表于【Appl.Phys.Lett.Vol.75，No.20，3054（1999）文献，名称为「AlGaInPlight－emittingdiodeswithmirrorsubstratesfabricatedbywaferbonding」】。Horng等人教示一种利用芯片融合技术以形成镜面基板（Mirror－Substrate；MS）磷化铝镓铟/金属/二氧化硅/硅LED。其使用AuBe/Au作为黏着材料藉以接合硅基板与LED磊晶层。然而，在20mA操作电流下，这种MSAlGaInPLED之发光强度仅约为90mcd，仍然比TSAlGaInPLED之发光强度少至少百分之四十，所以其发光强度无法令人满意。

本论文中使用一胶质透明黏接层如旋涂式玻璃（Spinonglass,SOG）将发光二极管磊晶层与透明基板Sapphire结合，然后再将原LED结构上GaAs基板移除至一蚀刻终止层，并于其上形一n型欧姆接触电极，同时部份蚀刻至P型电流分布层而形成另一P型欧姆电极，整个LED组件的P与n电极是位属同一方向，如图一所示。使用此胶质透明黏接层的黏着方式，可容许在较低的温度下进行芯片黏结，不仅可以减少V族元素在黏结过程挥发，也可防止LED结构中所渗杂的载子浓度分布产生变化而影响LED的发光强度与寿命。另外所使用的透Sapphire基板没有吸光的问题，也就是AlGaInP从红光至黄绿光都能有效穿透出Sapphire基板，因此LED的发光效率自然可以大幅提升。

本文中LED结构是使用德国Aixtron公司所制型号AIX2600G3有机金属气相磊晶法（MetalorganicChemicalVaporPhaseDeposition，MOCVD）所磊晶而成。其结构包括在一n型GaAs基板上，成长－2000A0GaAs缓冲层，然后成长－500A0厚GaInP蚀刻终止层，接下来为1um厚n型AlInP下局限（LowCladding）层，再一总厚度0.7um（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5P/（AlXGa1－X）0.5In0.5PMQW发光层，其中X=0至0.45决定不同的发光波长，再一0.7um厚的P型AlInP上局限（UpperCladding）层，最后为一P型GaP电流分布（CurrentSpreading）层。另一边使用透明基板Sapphire上面布上SOG透明黏胶，黏着的过程是在3000C左右的高温加压加热30min完成。接着以化学腐蚀液5H3PO4：3H2O2：3H2O腐蚀，将吸光的n型GaAs基板除去，而停止于GaInP蚀刻终止层，其GaInP蚀刻终止层的载子浓度大于3E18cm－3，因此使得n型欧姆接触金属容易形成一低阻值的接触电触，接着再以RIE方式将N型局限层与MQW发光层及P型局限层除去，并曝露出P型GaP电流分布层，此电流分布层载子浓度大于3E18cm－3，使得P型欧姆接触金属容易形成一低阻值的接触电阻，最后完成整个制程再将Sapphire基板研磨至90um厚，使用划线（Scribe）与断裂（Break）方式形成一LED晶粒。如图二所示为一300umX300um的LEDChip发光图片与其包装其Lamp所量到的发光光形，可以发现的是整个发光光子透过Sapphire而散出，整个LED上下区域皆均匀的发亮，并且所包装成LEDLamp产生的光型相当集中于轴上方向，形成一相当饱满的光形，这主要是因为Sapphire的折射指数约1.7与空气折射指数1相当接近，因而使全反射角变小，致使光子较少从两侧散出而集中于轴上方向，另外，也由于所形成的P与N电极在LED晶粒两侧，这也让LED产生的轴上光没有被电极所挡住，因而使其方向所产生的光特别强。

图三（a）所示为波长λd=622nmGBAlGaInP红光LEDLamp与传统吸光型GaAs基板LEDLamp的输出光强度一输出电流（L－I），输出电压一输出电流（I－V）的比较，可以发现GBLED其输出光强度为传统Astype的二倍，在20mA操作下，相当于40lm/w的发光效率，而其I－V曲线在20mA下操作电压为2.1V，100mA下操作电压为2.8V，这表示整个GBLED的阻值并无太大的增加。图三（b）为波长λd=590nmGBAlGaInP黄光LED与HPTStype黄光LEDL－I与I－V曲线的比较，我们也发现GBtypeAlGaInPLED在发光效率上与HPTStypeLED已不相上下，而且整个GBLED的电阻值比TSLED来的低。图四为其在－300C，250C，850C的操作环境下分别注入70mA，70mA与45mA下其光强度与操作电压连续1000h运作下的变化率，可以发现输出光强度维持相当稳定，并且操作电压也无随时间而变动，这可能是因为90um厚度的Sapphire虽然其导热系数为35～40W/m－K，但整体效应比Astype的GaAs基板厚约150um，导热系数46W/m－K具有较高的导热能力，因而使其可靠度测试结果相当稳定。

此外，GB型AlGaInPLED除了目前亮度与寿命都比AstypeLED大幅提升外，未来更可使用覆晶式（FlipChip）封装，如此一来不仅亮度可在提升50％以上，而且导热能力更强更适合在高电流、高功率的应用，我们相信，GB型AlGaInPLED在往后的全彩与许多的户外显示看板，车灯等用途上，将扮演一举足轻重的角色。