鑽石科技中心 宋健民博士
 

摘要︰
2010年全球LED產值(約百億美元)幾乎追近台積電一年的銷售額。許多重量級的大公司( 如台積電、鴻海、友達等 )也將跳進這片光海。然而大陸卻早有佈局使2012年成為傳統LED的總決戰(Armageddon)年，而最後獲勝的將會是中國。中國不僅掌握市場，更佈局近千台的MOCVD機海, 因此可抓住LED的上、中、下游產業。有鑑於此，CREE、晶電、燦圓、新世紀、旭明光電等LED磊晶生產的領頭羊已紛紛進駐大陸。美國、日本及台灣LED磊晶公司的生存之道就是把傳統的水平LED設計升級成垂直式LED，這樣才能在大面積的晶片上加大電流(如單晶片10W)而以一顆LED的生產成本取代多顆的傳統LED。

垂直LED的製作必需把GaN半導體軟銲在低膨脹率的基材上，但偏偏低膨脹率的材料(如矽或GuW)其散熱不佳，而高導熱材料的熱膨脹卻遠大於GaN(約5.5ppm/mK), 因此LED專家找不到理想的銜接材料。本文推薦以DLC為介面而鑽石和銅的複合材料(鑽石散熱片)為基材製作全世界最先進的垂直LED。這樣可以讓台灣LED的產業蛙跳超前外國的主導公司(如Nichia, Osram，Lumiled)，也順勢擺脫歐、美、日對台灣的專利封鎖。

LED的世界革命。
2010年LED開始大量用於室內照明、戶外路燈、及電視背光。室內照明常用的白熾燈(Incandescent Lamp)及螢光燈(Fluorescent Lamp)乃致LCD背光常用的冷陰極管(Cold Cathode Fluorescent Lamp)正在快速被淘汰中。

LED的主流產品為白光照明，大部份的白光乃以藍光的LED激發黃色的螢光粉產生假性的白光。LED的大宗生產乃以藍寶石為基材外延磊晶生長GaN成為LED的晶片。生長的主要方法為金屬有機化學氣相沈積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition 或MOCVD) 。 台灣擁有最多台的MOCVD設備，為世界LED晶粒產量第一的國家。但大陸已經急起直追，甚至提供每台MOCVD 補助人民幣一千萬元的優惠獎勵 。

台灣主要的生產公司（晶電、燦圓、新世記等）都已在大陸設廠。另一方面，台灣光電產品的勁敵韓國（如Samsung）在２０１０年雖向台灣大量採購LED貨源，但自己却也安裝了兩百多台的MOCVD。所以台灣MOCVD生產的LED其產能在2011年可能過剩，預期即將成無利可圖的紅海市場。台灣急需開發更高端的產品才能避免金融風暴後DRAM殺價競爭的覆轍 (如表一~表四) 。

表一：世界最大產值的LED產品公司(2009)

參考：LED Inside

表二：世界最大晶片產量的LED 公司(2010)

參考：IMS Research, SEMI

表三、主要LED公司使用MOCVD的規模(2009)

參考︰Yuanta Research estimates

表四：世界最大產值公司PK世界最大產量公司的競爭優勢

LED的專利網
台灣雖為LED製造王國，但就像其他的代工產業一樣，LED專利受制於國外的大公司，每年必須繳付鉅額的權利金。台灣出錢製造却為外國老板賺錢，而現在生產LED的技術更已大量外移大陸，這是台灣LED代工生態的悲哀。(如圖1、2)

圖1：LED 專利網

圖2︰LED外國公司交互授權而邊緣台灣代工產業的現狀。然而這個劣勢卻可以讓鑽石科技中心發展的鑽石專利逆轉獲勝(見下述)

LED的戰國時代
提高LED性能的一種方法乃將電流由彎流改成順流。由於藍寶石基材不導電，LED正負兩個電極乃設在同面。當電流通過GaN晶格時電流必須由垂直順流改成水平橫流，這樣電流就會集中在內彎處，導致不能有效使用P-N介面的電子層和電洞層，因而減少了發光效率。更有甚者，電流集中之處會產生熱點使晶格缺陷範圍延伸，LED的亮度就會隨缺陷擴大而遞減。為了延長LED的壽命，輸入的電流必須降低（如３５０mA），單位面積的發光亮度，就受到了限制。LED設計的主要設計有如下列諸圖所示(如圖3)

圖3：LED晶片的主要設計示意（網絡資訊）

LED電流轉彎的問題不能靠封裝的設計(如覆晶或Flip Chip)改善，把電流截彎取直才是正道，這樣必須把電極置於LED磊晶的兩側。電流平順就可以明顯提昇LED的亮度。除此之外，相同亮度的順流LED使用的晶片面積較小，因此晶圓上切出的晶粒數目較多，也就是單顆LED的製造成本可能降低。尤其進者，電流轉彎時若擴大晶片的面積會使LED發光更不均勻。但是順流LED其發射的光子數目則會由發光面積的加大而提高。所以一顆以大電流(如1A)驅動大面積的順流LED，其亮度會大於具有相同面積的多顆橫流LED。(如圖4)

LED的順流製造
製造順流式LED時乃將一導電體(如CuW)軟銲(如Au-Sn)在GaN的正極(P-Type)面。其後以雷射(如波長248nm的KrF氣體雷射)從反面透明的藍寶石面照入，就可氣化GaN成為Ga及N2，這樣藍寶石就可以和負極(N-Type)剝離分開了。(如圖5)

雷射剝離藍寶石基材後暴露出的GaN負極(如加入Si Dopant)在拋光後其導電率及透光率比正極(如加入Mg Dopant)要高，因此不需鍍上會吸光的ITO層做為電流散佈層(Current Spreading Layer)就可在其上的部份鍍上電極而製成LED光源。

CREE以半導體SiC磊晶基材生長GaN，在蒸鍍反射層(如銀)後軟銲(Solder)導電的矽晶製成所謂的「垂直式」LED。這種間接製程不僅可將昂貴的SiC基材以雷射剝離收回再用，垂直LED也能加大晶片(電流)及減少亮度衰減。國內的晶電也以矽晶軟銲在GaN晶圓上，而燦圓則以GuW合金軟銲在GaN 的晶片上。旭明光電則以電鍍金屬(如Ni、Co、Cu)直接披覆在GaN的晶圓上。然而軟銲可能局部接合不良以致若干GaN晶片(Die)在切割(Dicing)後發光不亮。另一方面，不以軟銲接合而以電鍍沈積的介面結合強度不高，更有甚者，金屬膨脹後可能自GaN表面剝離。有鑑於此，本文敘述一種新的垂直LED設計，乃採用「似鑽膜」Diamond Like Carbon (DLC)為半導體和金屬體的介面，不僅可避免軟銲造成製造良率問題，也能舒解兩種迴異材料之間的應力。除此之外，DLC的熱傳導比銅快許多，因此以DLC為介面，可加速移除LED發光時產生的廢熱，而可能大幅延長使用壽命。

介面應力的問題
半導體(如GaN)和金屬(如Ni-Cu)的介面極其脆弱。合金的熱膨脹係數遠大於GaN，在高電流密度下的溫度較高處其介面應力會迅速上昇。尤其在啟動LED的瞬間電流自介面電阻最低處匯流時可能會產生爆點。除此之外，GaN晶格為六方晶系的würtzite結構，因此具有壓電效應，界面應力產生的即時電場可以擾亂了LED內的電流分佈。不僅如此，金屬基材即使不自介面剝離，其膨脹也可能撐裂缺陷的某中區，以致在GaN內部產生更大的缺陷，加大的缺陷會形成微小的熱點而造成光度衰淢的惡性循環。LED的電光效應因介面的疲勞會在數千小時後迅速降低。(如圖6~7)

圖6：各種材料的熱傳導率及熱膨脹率的比較。圖示鑽石和銅的覆合材料或「似鑽膜」(DLC)不僅有較高的熱傳導率，也具有可調節的熱膨脹率，因此能降低垂直LED的介面應力及加快散出電光效應產生的廢熱。

圖7：LED壽命隨介面應力加大而縮短的示意圖。加大電流後壽命更會急遽衰減。

雷射剝離前磊晶的正極(P Type)需鍍上一層反射金屬(如銀)，再接上一個導電的支撐體。 若支撐體為合金，半導體和金屬的介面難以接合。不僅如此，金屬的熱膨脹係數遠大於GaN，所以介面會產生應力。LED在通電時電流乃沿電阻最小處滲透前進，應力較大的局部溫度會快速昇高，金屬就會把GaN的晶格撐大。由於LED開關頻繁，GaN晶格會被重覆拉扯以致不斷產出缺陷(如差排或Dislocation) ，這樣LED的亮度就會快速減低。(如圖8)

圖8︰電鍍金屬和半導體的界面只是機械式的靠在一起，並沒有化學鍵結，因此在LED迅速開關產生冷熱交替時，金屬會沿界面逐漸剝離。

若在GaN和金屬的介面加入熱脹低而散熱快的似鑽膜(DLC Coating)就可大幅度降低介面應力(如圖9)

圖9:作者與璨圓公司合作開發的DLC LED 其截面設計之一

DLC LED
若在金屬和半導體之間加入多層的陶瓷(如TiC)及DLC，介面的應力就因分散而大降。除此之外DLC熱傳導率遠高於銅，是垂直LED介面散熱的極緻材料。LED發光所產生廢熱(>50%電能)就可迅速散出。這樣可避免GaN的晶格因溫度過高而增加缺陷所導致的光衰問題，除此之外，順流LED的面積可以加大(如2mm)，而電流更可提高(如1A/mm2)。一顆大面積的順流LED(如10W)會比多顆並聯而功率相同的彎流LED更光亮也更耐久。(如圖10)

DLC 的擴散係數(Thermal Diffusivify)此銅高12倍(熱膨脹率比銅高4倍)，因此可將熱點即時消除，LED的亮度和GaN的缺陷密度息息相關，而瞬間熱點更會擴大缺陷，淢少了光子射出的數量，因此以DLC形成介面可以保持晶格完整，即使界面的平均溫度稍高，也不致減少光亮(如圖11)

DLC的散熱效果
製造垂直式LED時，若GaN以半導體(如Si)結合雖可以舒緩介面應力，但半導體的熱傳導係數不高，熱量久聚不散後，也會在晶片內產生差排而降低電光效率。若以無晶鑽石鍍膜披覆GaN就可同時提高熱傳導率及降低熱變應力。無晶鑽石散熱的效果可以下圖表示(如圖12)

鑽銅散熱片
除了使用無晶鑽石做為介面之外，鑽銅(DiaCu)散熱片也可以軟銲在鍍金層的DLC上，這樣就可以加厚陽極而強化LED晶圓的支撐體。(如圖13)

圖13︰由於熱膨脹係數可調成同步，鑽銅散熱片和LED晶片可直接軟銲而加速散熱。圖示鑽銅散熱片底座露出的1英吋見方能銲接100個1W的LED(晶上板或Chip on Board)，可用於高功率CPU、陸燈、投影燈、舞台燈、車頭燈、集魚燈及投影機。

圖14:鑽銅散熱片的熱阻(左圖)及散熱(右圖)。
鑽銅散熱片也可直接軟銲接合LED 晶圓而製造垂直LED(如圖15)。

DLC LED的量產製造
含DLC的介面可以自動化設備設備製造，其成本可遠低於現有垂直LED的主流製程。DLC的上下介面可以碳化物。(如TiC)無縫銜接。DLC也可重覆多次形成整合的介面系統，這樣可以更有效的中和GaN和金屬之間的應力。(如圖16、17)

DLC鍍膜不需要軟銲
垂直LED的基材(如Si或CuW)可以軟銲(Solder)接合GaN。然而以電鍍披覆GaN却可省去軟銲的成本及製造良率偏低的問題，但在金屬熱膨脹係數太高會逐漸自晶片剝離。以DLC真空鍍膜直接披覆GaN晶圓再電鍍金屬則可同時解決軟銲良率偏低及金屬附著不牢的雙重問題。由於軟銲時液體必須潤濕接合全部面積而常會黏結不良而降低了良率。但直接將GaN晶圓上電鍍金屬却只能機械貼合。DLC無縫接合的介面可以顯善降低垂直LED的生產成本及製造良率。(如圖18)

LED顯示器
DLC介面可舒解應力，因此可製成大面積的LED。新的藍寶石基材已經大到6吋(15公分) ，因此可藉1CP蝕刻成陽極連接但陰極分開的微小光點這樣就可能分別趨動發光。如果各別光源可縮小成一個像素就可以晶圓製成顯示器，每個像素可由上下電極獨立控制明暗。這種LED顯示器會比LCD亮麗得多。因為這是主動發光所以也很省電。DLC LED的顯示器可製成手機的亮麗展示。

若將GaN晶圓上的所有電極加厚(如5μm)， 再鍍上含氫而絕緣的DLC，由於DLC黏不住電極，可以輕易擦除。這種晶圓可覆蓋在DLC PCB上，以晶片接板(Chip on Board)的方式直接軟銲，就可製成車燈式的強光源，也可以小電流各別驅動光點，形成亮麗的顯示器。(如圖19)

結論  
生產藍光LED的主流製程包括在絕緣藍寶石(剛玉，即Corandun 或Al2O3的單晶)晶圓(2”,4”,6”)基材上外延磊晶(Hetero-Epitaxy)生長GaN。2010年台灣為世界產量最大的國家而日本則為銷售金額最高的國家。然而美國的CREE却是賺錢最多的LED公司。CREE在2010年所生產的XLamp為世界最先進的單晶片LED, 可產生1000 Lumens(10W)，這是大面積垂直晶片的應用實例。

根據估計，2010年全球生產了約1千萬片(2吋當量)的GaN LED晶圓，產值約20億美元，但只有不及5%的LED使用垂直式設計。DLC LED有機會讓一顆LED的一生總發光效率抵上多顆傳統的LED晶粒。例如CREE的2mm單一晶片，其功率可達10W。若能加入DLC，功率可能再加倍。台灣若大量採用DLC LED不僅可打破國外專利的緊箍咒，更可在2012年中國MOCVD機海產能大開時以優越產品區隔而提高製造垂直式LED的毛利率。