浅谈金属基板在LED发展中的运用

王景景

【摘 要】近年来LED产业得到了飞速发展，但散热问题一直困扰LED尤其是大功率LED在照明领域中的应用和发展。应用金属基板为有效解决LED散热提供了新的思路和途径。

【关键词】散热；金属基板

业内一般按照外延片及芯片制造，器件封装和LED应用将LED产业划分为上，中，下游。其中上游的外延片及芯片制造时LED产业链的核心，同时也是附加值最高的环节，是典型的技术，资本密集的“三高”产业；而中，下游的器件封装和LED应用环节则壁垒较低，属于劳动密集型产业。据统计，在LED产业链中，LID外延片与芯片约占行业70%利润，LED封装约占10至20%而LED应用大概也占10至20%.但值得注意的是，尽管上游芯片供不应求，但国内企业并不具备技术优势，特别是在要求较高的大尺寸背光和大功率照明等领域，产品缺乏竞争力，下游封装也存在一些不足，比如散热，高亮度，可靠性等，因此，加强技术研发，扩展研究领域，推进产业持续，深入，健康发展就显得尤为迫切和意义重大。

1.重要意义

随着大功率LED的应用，散热问题成为诸多问题中亟待解决的最关键技术之一，金属因良好的导热导电能力越来越多地受到研究者的青睐，并被尝试应用于LED基板中。

图1垂直结构LED芯片示意图

图1为垂直结构LED芯片示意图，从图中可以看出基板是芯片很重要的一部分，主要起支撑，导电，导热等作用，故要求有良好的导热导电能力，稳定性和反光性。将金属基板应用于GaN基LED具有重要意义。

（1）适合于制作垂直结构的金属基板GaN基LED，并且金属普遍具有较好的反光性能，可以提高LED的出光效率，以更好的进入固态照明。

（2）金属基板优良的导热，电学性能，降低了诸如蓝宝石绝缘衬底对GaN基LED的工作电流的限制，也降低了由于大的阻抗导致GaN基LED器件的温度增加，并提高了GaN基LED器件的可靠性。

（3）通过将GaN基LED外延片转移到不同厚度的金属基板上，从而制备厚度不同的GaN基LED，甚至可以制备超薄GaN基LED，从而更好地满足市场，也给当今超微电子领域提供了可能，并由此可能开发出新的潜在的市场。

（4）可以降低生产成本，实行大批量生产，增加市场竞争的筹码。

采用蓝宝石为基板的蓝光LED虽然是制程主流，但是它不导电，P，N两级需要放在同一侧，才能形成电光转换，而且导热又差，对于大尺寸LED来说，电流不易通过并且散热问题较难解决，也就是说蓝宝石衬底GaN基LED存在以下缺点：

1）无法制备垂直结构蓝宝石衬底GaN基LED，只能制作同侧电极蓝宝石基板GaN基LED，而同侧电极结构GaN基LED的光效比垂直结构GaN基LED的光效要低得多。

2）无法承受高电流，难以制备大功率器件，而且由于热量难以散射易产生高的结温，导致光率下降，寿命降低。

2.研究现状

近几年，有研究组展开了金属基板GaN基LED的研究工作，LED芯片器件结构均是垂直结构。2003年，UedaT报道了通过激光剥离技术制备金属基板hiGaN基垂直结构LED。2006年，chengcc报道了金属合金基板垂直结构GaN基LED，其波长范围从近紫外到绿色，并且具有非常高的温度和优秀的可靠性。450nm大小的芯片，经过涂覆黄色荧光粉封装成的LED其光效达到801m/w，通过多色荧光粉制备的白光LED[芯片大小为405nm]其出光效率为50lm/W相当于蓝宝石衬底GaN基LED表现出了更多的优越性。2007年，ChunGaNhTran报道高亮度金属合金基板GaN基LED，并且可以经受3A电流老化，在350mA下的工作电压为3W。目前，SeniLEDs[旭明光电]公司，以铜基板作为GaN基LED基板，以提高散热性能和LED出光效率，制备出了金属铜基板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等做金属基板。

3.存在问题

将金属基板应用于GaN基LED主要面临以下几个问题：

（1）起步比较晚，无经验可借鉴。用金属基板作为GaN基LED的转移基板，其研究近几年才开始，而且由于受到技术保密的限制，很难查找到有关金属基板GaN基LED应用中涉及到工艺技术方面的文献报道。

（2）对金属基板的选择要求高。在GaN基LED制备的过程中，需要经过一系列酸碱腐蚀，所以作为GaN基LED用金属基板必须满足具有抗酸腐蚀的性能。除此之外，由于该金属LED的P电极相接触，该金属基板表面应该具有较高的反光系数，以提高GaN基LED的出光效率。而要满足这两个的条件的金属狠少，大部分金属都能与酸活检其的化学反应而被腐蚀掉。

（3）制备性能优良的金属基板比较困难。很多金属基板的制备用离子镀活着溅射，这就必须解决两个问题；①由于金属材料与GaN LED外延片材料之间在晶格常数，热膨胀系数以及结构方面的差异，容易产生应力，使制备的金属基板GaN基LED外延片不平整，影响GaN基LED制备后工序；②由于应力的存在容易导致所获得的铬基金属基板GaN基LED外延表面产生裂纹。

（4）金属基板应用于GaN基LED后，整个器件制备的很多关键工艺，如GaN的欧姆接触，GaN的刻蚀，划片要重新摸索，特别是划片，用传统的金刚石划刀很难解决金属基板划片问题。

4.结论

SI衬底由于对光有很大的吸收，所以严重限制了光的输出功率，并且制备GaN基LED应该追求更低的成本，而金属具有反光率高，成本低的优点，所以讲SI衬底GaN基LED通过某种技术转移到到金属基板上，以克服光效与成本的问题，自然就成为研究的思路和途径。

为此，SimiLEDS公司通过激光剥离技术将蓝宝石衬底生长的GaN基LED转移到金属铜基板上，制备出了铜基板GaN基LED该LED器件在尺寸大小为1000pmx1000pm，能承受3000mA的电流不使器件失效，其正向电压为3.2V（350fnA时），串联电阻为0.7欧姆，光效为70lm/W，这从实验之中也证实了金属基板在GaN基LED中应用的的可行性。

金属基板具有非金属基板无法比拟的优点，它具有优良的导热，导电性能和反光性能，并且金属材料本身容易得到。应此，作为一种新的思路和途径，金属基板在LED的应用中具有广泛，深入的研究价值和发展前景。

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