[00115167]高性能氧化锌透明电极制备关键技术及LED芯片应用

半导体照明产业是我国重要战略性新兴产业。LED芯片是半导体照明产业“卡脖子技术”,其关键技术是透明电极材料和生长技术。LED芯片透明电极的第一代是Ni/Au材料,第二代是ITO材料,这些材料的透光较低、可靠性较差,尤其ITO材料稀缺、有毒、不可持续发展,且一直受国外专利限制。氧化锌（ZnO）与LED核心材料GaN晶格匹配、高透光、稳定、价廉、环保,代表LED芯片透明电极的发展方向。三星等国际大公司竞相研究ITO换代产品—氧化锌透明电极,但研发氧化锌透明电极面临LED驱动电压高、工艺复杂、无量产设备等系列难题。 在国家863、973、自然科学基金、广东省重大专项等11个项目支持下,为突破国外技术壁垒,采用n+-InGaN隧穿层和三叠层结构的ZnO透明电极和外延生长晶化、水源低温外延生长技术、原位粗化芯片和热稳定氧化物反射层的倒装LED芯片、多层匀气送气和特种喷射的反应腔等技术,完成了ZnO透明电极LED“材料-芯片-光源-装备”创新研究并产业化。项目获得PCT专利2件,获授权中国发明专利62件,出版外文论著1部,发表SCI收录外文期刊论文54篇,参与制修订地方标准5项、团体标准5项,孵化及扶持企业6家（包括培育上市企业1家）。主要创新内容如下： 1)极低接触势垒、高透光氧化锌透明电极外延生长技术。 突破了国际第一代Ni/Au透明电极和第二代ITO透明电极的技术壁垒,发明了用于蓝光LED芯片的n+-InGaN隧穿层和三叠层结构的氧化锌透明电极外延生长技术及红光LED芯片的氧化锌透明电极低温外延生长技术,被业界誉为“LED芯片第三代透明电极技术”,成功解决氧化锌与半导体界面存在高接触势垒的世界难题,将氧化锌透明电极LED芯片20mA下工作电压降至理论极限,获得国际迄今报道最好指标,已广泛应用并产业化。 2)氧化锌透明电极粗化技术和刻蚀精细控制技术。 研发了氧化锌透明电极原位外延粗化技术,制造了具有纳米表面超98%透光率氧化锌薄膜材料;研发了氧化锌透明电极低阻高反氧化物金属复合反射镜和全角高反DBR反射镜,降低了界面接触电阻并有效提高了出光效率;独创氧化锌透明电极低酸低碱蚀刻液,通过束缚氢离子的活性将有害的侧向刻蚀从5μm抑制到1μm以内,实现了电极刻蚀精细可控,有效提高电流承载能力、出光效率、热稳定性。 3)高性能氧化锌透明电极LED芯片制造及应用技术。 发明了全球首台利用H2O作为反应源的氧化锌透明电极LED芯片38片MOCVD设备并经过量产验证,将氧化锌的生长温度从700℃降到350℃并获得高结晶质量的氧化锌透明电极材料;建立了ZnO透明电极蓝光LED芯片生产线和红光LED芯片中试生产线,推出了商用化的氧化锌LED 芯片;研发了全球领先的激光应力单步切割设备,实现了LED芯片单步高精高洁高效切割。开发了电极对称的倒装LED 芯片焊接结构和回流焊SMT工艺,提高了CSP封装良率;建立了氧化锌透明电极LED标准光组件智能检测平台。 该项目成果先后获得2014年2019年度中国产学研创新成果奖。2020年7月17日,以中国工程院姜会林院士为组长的评价专家对本科技成果“高性能氧化锌透明电极制备关键技术及LED芯片应用”进行了评价：认为“该科技成果综合技术水平评价为达到国际先进技术水平,其中在ZnO透明电极制备及MOCVD装备关键技术方面居国际领先地位”,“在应用效益评价方面,该科技成果评价为综合应用效益显著 。”