以DLC接口及钻铜基材制造大功率的垂直LED

图8︰电镀金属和半导体的界面只是机械式的靠在一起，并没有化学键结，因此在LED迅速开关产生冷热交替时，金属会沿界面逐渐剥离。

若在GaN和金属的接口加入热胀低而散热快的似钻膜(DLC Coating)就可大幅度降低接口应力(如图9)

图9:作者与璨圆公司合作开发的DLC LED 其截面设计之一

DLC LED
若在金属和半导体之间加入多层的陶瓷(如TiC)及DLC，接口的应力就因分散而大降。除此之外DLC热传导率远高于铜，是垂直LED接口散热的极致材料。LED发光所产生废热(>50%电能)就可迅速散出。这样可避免GaN的晶格因温度过高而增加缺陷所导致的光衰问题，除此之外，顺流LED的面积可以加大(如2mm)，而电流更可提高(如1A/mm2)。一颗大面积的顺流LED(如10W)会比多颗并联而功率相同的弯流LED更光亮也更耐久。(如图10)

DLC 的扩散系数(Thermal Diffusivify)此铜高12倍(热膨胀率比铜高4倍)，因此可将热点即时消除，LED的亮度和GaN的缺陷密度息息相关，而瞬间热点更会扩大缺陷，淢少了光子射出的数量，因此以DLC形成接口可以保持晶格完整，即使界面的平均温度稍高，也不致减少光亮(如图11)

DLC的散热效果
制造垂直式LED时，若GaN以半导体(如Si)结合虽可以舒缓接口应力，但半导体的热传导系数不高，热量久聚不散后，也会在芯片内产生差排而降低电光效率。若以无晶钻石镀膜披复GaN就可同时提高热传导率及降低热变应力。无晶钻石散热的效果可以下图表示(如图12)

钻铜散热片
除了使用无晶钻石做为接口之外，钻铜(DiaCu)散热片也可以软銲在镀金层的DLC上，这样就可以加厚阳极而强化LED晶圆的支撑体。(如图13)

图13︰由于热膨胀系数可调成同步，钻铜散热片和LED芯片可直接软銲而加速散热。图示钻铜散热片底座露出的1英吋见方能銲接100个1W的LED(晶上板或Chip on Board)，可用于高功率CPU、陆灯、投影灯、舞台灯、车头灯、集鱼灯及投影机。

图14:钻铜散热片的热阻(左图)及散热(右图)。
钻铜散热片也可直接软銲接合LED 晶圆而制造垂直LED(如图15)。

DLC LED的量产制造
含DLC的接口可以自动化设备设备制造，其成本可远低于现有垂直LED的主流制程。DLC的上下接口可以碳化物。(如TiC)无缝衔接。DLC也可重复多次形成整合的接口系统，这样可以更有效的中和GaN和金属之间的应力。(如图16、17)

DLC镀膜不需要软銲
垂直LED的基材(如Si或CuW)可以软銲(Solder)接合GaN。然而以电镀披复GaN却可省去软銲的成本及制造良率偏低的问题，但在金属热膨胀系数太高会逐渐自芯片剥离。以DLC真空镀膜直接披复GaN晶圆再电镀金属则可同时解决软銲良率偏低及金属附着不牢的双重问题。由于软銲时液体必须润湿接合全部面积而常会黏结不良而降低了良率。但直接将GaN晶圆上电镀金属却只能机械贴合。DLC无缝接合的接口可以显善降低垂直LED的生产成本及制造良率。(如图18)

LED显示器
DLC接口可舒解应力，因此可制成大面积的LED。新的蓝宝石基材已经大到6吋(15公分) ，因此可藉1CP蚀刻成阳极连接但阴极分开的微小光点这样就可能分别趋动发光。如果各别光源可缩小成一个像素就可以晶圆制成显示器，每个像素可由上下电极独立控制明暗。这种LED显示器会比LCD亮丽得多。因为这是主动发光所以也很省电。DLC LED的显示器可制成手机的亮丽展示。

若将GaN晶圆上的所有电极加厚(如5μm)， 再镀上含氢而绝缘的DLC，由于DLC黏不住电极，可以轻易擦除。这种晶圆可复盖在DLC PCB上，以芯片接板(Chip on Board)的方式直接软銲，就可制成车灯式的强光源，也可以小电流各别驱动光点，形成亮丽的显示器。(如图19)

结论
生产蓝光LED的主流制程包括在绝缘蓝宝石(刚玉，即Corandun 或Al2O3的单晶)晶圆(2”,4”,6”)基材上外延磊晶(Hetero-Epitaxy)生长GaN。2010年台湾为世界产量最大的国家而日本则为销售金额最高的国家。然而美国的CREE却是赚钱最多的LED公司。CREE在2010年所生产的XLamp为世界最先进的单芯片LED, 可产生1000 Lumens(10W)，这是大面积垂直芯片的应用实例。

根据估计，2010年全球生产了约1千万片(2吋当量)的GaN LED晶圆，产值约20亿美元，但只有不及5%的LED使用垂直式设计。DLC LED有机会让一颗LED的一生总发光效率抵上多颗传统的LED晶粒。例如CREE的2mm单一芯片，其功率可达10W。若能加入DLC，功率可能再加倍。台湾若大量采用DLC LED不仅可打破国外专利的紧箍咒，更可在2012年中国MOCVD机海产能大开时以优越产品区隔而提高制造垂直式LED的毛利率。