全垂直LED芯片RGB超高清顯示屏方案研究

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

隨著現代生活水平的提高和5G高速通信技術的飛速發展，人們對大屏顯示及人機互動方面的需求日益廣泛。當前以普通藍寶石襯底的LED藍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、可靠性差等劣勢已經限制了行業進一步向家用高清互動領域的拓展。全垂直結構的LED芯片構成的全彩RGB顯示屏有效解決了上述痛點，較現有產品在工藝上可以少打兩根線，器件內打線面積更充足，而且垂直芯片的結構更穩定，如圖1所示，整個芯片表面只有電極和二氧化硅保護層，可有效阻擋外界水汽、酸氣侵擾。為進一步提升直顯RGB顯示屏的分辨率，實現實時互動等功能提供了方向和解決方案。近年來，間距P1.25及以下的產品增長率逐年提高，最高超過100%。因間距變小后相同面板尺寸需貼燈珠數量大幅度提高，出現了四合一、九合一及N合一等多種封裝形式來簡化下游客戶的貼片量。

圖1 垂直Mini LED芯片結構圖

1 芯片制備

1.1 硅襯底外延生長

硅襯底上外延生長高質量氮化鎵薄膜的技術難點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。而熱膨脹系數的差異使得氮化鎵外延層在生長結束后的降溫過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力(圖2)，非常容易產生裂紋。裂紋會嚴重降低材料良率，甚至導致材料完全報廢。

圖2 藍寶石襯底上和硅襯底上生長的GaN薄膜在降溫過程的應力變化及外延片的凹凸彎曲情況

晶能光電采用AlN/AlGaN應力控制層來對GaN外延層產生壓應力，從而補償降溫過程中產生的張應力，重復穩定的解決了硅襯底上外延GaN薄膜的裂紋問題；精細優化AlN/AlGaN緩沖層結構、組分和生長參數，并結合硅襯底GaN的內應力狀態調整了緩沖層之上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中止機制，促進了整個外延層內的位錯湮滅反應。通過上述外延工藝優化，在硅襯底上實現了高質量的GaN基薄膜外延，達到99%以上的外延良率。圖3(a)為整爐外延片生長結束后降到室溫的照片，圖3(b)為單片外延片的照片。外延生長的LED結構如圖4所示。

圖3 (a)外延片生長結束后；(b)外延片

圖4 硅襯底上外延生長LED結構示意圖

評估硅襯底GaN的外延薄膜的晶體質量，圖5為LED外延片(0002)和(1012)晶面的X射線搖擺曲線，對應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

硅襯底的垂直結構工藝制作相較于激光剝離藍寶石的垂直結構的LED芯片有較大的良率和可靠性優勢，主要是襯底通過濕法工藝剝離后，氮化鎵晶體結構幾乎零損傷，而激光剝離工藝或多或少因外延結構缺陷在剝離過程中因激光穿透缺陷部位從而對量子阱造成一定的損傷，對生產良率和長期的可靠性方面有較深遠的影響。硅襯底垂直結構的工藝流程如圖6所示。

圖6 垂直結構芯片工藝流程圖

垂直芯片制作比普通藍寶石正裝芯片工藝流程要多出許多，普通流程大概20～30個工步，垂直結構約150～200個，故芯片工藝生產周期要長3～5倍，成本上要高出2～3倍，如果大規模量產后會大幅降低。

1.3 藍綠垂直芯片關鍵技術

垂直結構工藝的關鍵技術有兩個，一個是歐姆接觸層兼具反射鏡作用，且為金屬，電流擴展較金屬氧化物高1～2個數量級，另一個關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，除了穩定的金屬結構之外，成本也較常見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工藝，金屬銀的特性為光反射率高、導電性好，但是其也有易遷移、粘附性差、歐姆接觸難制作等缺點，故在工藝上如何做到與GaN的歐姆接觸匹配性好、結構穩定也充滿挑戰。晶能光電采用蒸發的方式附著在晶圓表面，再進行特殊的合金工藝，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，確保整體結構長期的可靠性不受影響，此工藝已在產品上經過了檢驗。

1.3.2 金屬鍵合工藝制作

垂直結構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硅基板，這個工藝的穩定性直接關系到芯片的最終質量，所以需要一個高可靠性、低成本的技術，目前晶能光電采用的是金屬錫作為鍵合金屬。因其化學性質穩定、價格低廉的特點被廣泛應用在垂直結構的鍵合工藝上。另外鍵合后整體結構的翹曲程度也是工藝優劣的重要考量，為此我們進行了如下實驗：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個組合列在表1中。3個組合中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厚度對應的晶圓在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厚度對應的晶圓在LED芯片制備完成后的彎曲情況

2 結果和分析

目前晶能光電完成了Mini-LED 05 mil×05 mil藍綠芯片的開發，如圖8所示。

圖8 晶能光電Mini-LED 0505A型號藍綠芯片點亮圖

從客戶端驗證數據看，基本達到了顯示屏應用的各項參數指標，個別指標如鹽水實驗，指標超普通藍寶石產品的24 h，甚至做到通過了168 h測試。還有一大優勢是伏安特性曲線一致性好，如圖9所示。

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

垂直藍綠芯片與砷化鎵的紅光芯片高度基本一致，約為140 μm，且僅在表面發光，這樣在封裝工藝中可以有效提高設備稼動率和效率。同時在顯示屏端可視角度更大，可以達到178°。

垂直結構的芯片因為熱電沒有分離，散熱效果好，制作成顯示屏后屏幕表面較其他產品更低，同時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品更遠，可以有效避免因離子遷移問題造成屏幕壞點，俗稱的“毛毛蟲”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越小，垂直芯片的優勢將會越來越大，因只需一個電極，故有效發光面積利用率較普通藍寶石產品更高，因其需要占用發光面積來制作N電極。圖10為垂直結構的典型成品結構。

3 結論

應用Mini-LED藍綠芯片可以有效促進顯示屏進一步向極小間距(P1.25及以下)邁進。目前成品主要有P1.25間距的1010產品,P0.9375和P0.625的四合一產品，在亮度方面也較藍寶石有優勢，如表2所示。

圖10 P0.625四合一、九合一和1010產品結構

表2 垂直結構藍綠5 mil×5 mil芯片與普通藍寶石藍綠5 mil×6 mil芯片封裝成品性能對比表

我們相信，全垂直結構的超高清顯示屏方案定能在顯示領域有巨大的發展空間。