準分子激光剝離系統在高亮LED生產中的應用

時間:2014-10-14 15:34來源:激光網作者:yeyan 點擊:
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摘要:在過去的十年中,GaN基底的高亮度白光LED以其良好的性價比越來越引起人們的關注。各個廠商競相研發新的LED結構形式來提高其發光效率,以此增加LED芯片的發光度,從而降低LED芯片的單位發光成本。這些技術的發展以及高亮LED芯片自身的特點,極大地增加了全固態照明的應用范圍,其在自動化照明、背光顯示技術以及傳統照明方面顯示了蓬勃發展的局面。荷蘭的A44高速公路已經

關鍵字:準分子,激光,高亮LED

  在過去的十年中,GaN基底的高亮度白光LED以其良好的性價比越來越引起人們的關注。各個廠商競相研發新的LED結構形式來提高其發光效率,以此增加LED芯片的發光度,從而降低LED芯片的單位發光成本。這些技術的發展以及高亮LED芯片自身的特點,極大地增加了全固態照明的應用范圍,其在自動化照明、背光顯示技術以及傳統照明方面顯示了蓬勃發展的局面。荷蘭的A44高速公路已經成為世界上第一條采用LED照明的高速公路。

  基底剝離的垂直結構實現更高亮度輸出

  傳統方式采用兩種方法設計LED芯片,即平面結構和垂直結構。芯片結構的選擇很大程度上依賴于材料的特性。

  藍寶石晶體由于其低廉的成本以及良好的晶格匹配度而被廣泛用于GaN發光材料的襯底生長。但是,藍寶石同時是一種優異的絕緣材料,因此,對于P結和N結的接觸電極,只能放置在LED芯片的正面同一側,如圖2中左圖所示。如果采用導電材料(如銅、硅或碳化硅)來代替藍寶石襯底,就可以采用正面和背面同時接觸的垂直結構。

  但是這樣做也存在一定的困難。藍寶石內在的優異特征能夠促進LED發光材料的完美生長,藍寶石對于生長LED芯片最佳襯底材料不可或缺。因此,要實現垂直結構,就要在生長完后再去剝離藍寶石基底。

  垂直結構的優勢在于有效擴大了發光多重量子井的有效面積,從而避免了從P結到N結的電流瓶頸效應。更為重要的是,垂直結構對于基底的散熱有著巨大優勢。

  采用激光剝離系統剝離藍寶石基底

  垂直結構的制備如圖3所示,首先在藍寶石基底上外延生長出GaN發光層,然后在P結層一側粘合上一層熱傳導良好的轉移襯底,該襯底要求具有良好的導電性和散熱性,通常采用硅或是特殊的合金;然后再采用激光剝離技術將藍寶石襯底從芯片上剝離。

  由于GaN發光層通常只有幾個微米厚,采用化學刻蝕或機械研磨的手段來剝離藍寶石襯底,很容易損傷到GaN發光層,這不利于垂直結構的制備。相比之下,激光剝離技術是一種非接觸式技術,它可以實現選擇性剝離襯底而不會對發光層材料造成損傷。

  在激光剝離過程中,LED芯片直接受到高能量密度的紫外激光脈沖的照射,由于藍寶石基底帶隙很高,相對于248nm激光而言是透明的,所以激光脈沖會透過藍寶石基底打到GaN層,而GaN和藍寶石的連接層處(約2nm)會強烈吸收紫外激光能量,在激光能量密度為800~900J/cm2時,接觸層的局部區域溫度可以達到大約1000℃,導致連接層的材料產生氣化,從而使藍寶石襯底與GaN芯片安全分離。

  248nm激光剝離工藝

  激光剝離采用高能量的248nm脈沖準分子激光器,根據脈沖激光方形光斑大小,將整個芯片分成若干個區域,每個區域采用單脈沖照射,通過電機平臺的移動,逐個掃描實現整個芯片的基底剝離。方形光斑的邊緣重疊部分可以設置在芯片單元之間的通道上,從而可以忽略其副作用。對于激光剝離系統而言,為了能夠精確地控制剝離進程,達到良好的剝離效果,要求激光器必須具有良好的脈沖能量穩定性,其能量波動要控制在1%(RMS)左右。

  激光剝離需要激光能量密度大于800mJ/cm2,而大尺寸的LED芯片通常其單個的芯片單元都在幾個平方毫米大小,這就意味著剝離使用的準分子激光器需要提供的單脈沖能量通常在500mJ以上。這對于采用獨立設計的準分子激光器而言是比較容易實現的,如美國相干公司的LEAP系列準分子激光器(如圖4)。通常這類激光器提供的脈沖能量很高,可以實行單個脈沖同時剝離多個芯片單元。

  激光剝離工藝中一個最為關鍵的問題在于準分子激光器提供的激光脈沖光斑的均勻性。準分子激光器本身具有較大的發光截面以及較低的光束相干性,因此適于采用高性能的紫外光學元件進行整形。采用柱狀透鏡組制備的光束整形鏡,將激光光束沿光軸方向進行勻化,再加上準分子激光器本身光束的相干性比較低,因此整形效果非常好。通過激光整形后,可以實現能量分布均勻、光斑邊緣清晰的大尺寸激光光斑,非常適合用于高效快捷的激光剝離工藝。采用這種光源,對于6英寸的晶元,可以實現50片/小時的剝離速度。同時這種高功率的準分子激光器除了氣瓶的更換外,基本不需要任何維護,更換氣瓶也只需要幾分鐘的時間。因此,低廉的維護成本以及極小的故障時間,是準分子激光器相對于其他固態激光器而言最大的優勢。

【光粒網綜合報道】( 責任編輯:yeyan )
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