20xxcb013100-g高性能led制造與裝備中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研(存儲(chǔ)版)
【正文】 0 lm/W，可靠性達(dá)到6000小時(shí)光衰≤%的大功率白光LED器件制造提供支撐。 整個(gè)學(xué)術(shù)思路體現(xiàn)為科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)緊密結(jié)合，以提高品質(zhì)、規(guī)避缺陷為目標(biāo)，研究影響光效、光衰的主要缺陷形成、演化機(jī)理以及與器件性能、可靠性和制造設(shè)備的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)缺陷抑制，突出低成本可制造性。為提高綜合效率，采用多腔分步HVPE系統(tǒng)的技術(shù)路線，即將原本在同一腔中實(shí)現(xiàn)20800μm/h沉積速率的不同步驟分解到多個(gè)不同沉積速率反應(yīng)腔中，并以高溫工藝腔相聯(lián)接，解決晶體生長過程中不同沉積速率與反應(yīng)腔噴頭、流量控制精度等匹配問題，以高效率批量獲得高質(zhì)量GaN襯底。 GaN和空氣的反射系數(shù)分別是 和 1，在 InGaNGaN 活性區(qū)產(chǎn)生的光能夠傳播出去的臨界角約為 23176。依據(jù)導(dǎo)熱微分方程，結(jié)合LED 封裝界面特性，建立LED 封裝和應(yīng)用的精簡熱模型（CTM），獲得系統(tǒng)熱阻值的解析解并形成熱性能評價(jià)方法；基于蒸汽腔均熱基板方法以抑制局部溫度場梯度過陡；研究基于表面微納結(jié)構(gòu)的微熱管高效傳熱機(jī)理和微流控?zé)崃枯斶\(yùn)機(jī)制，形成面向熱輸運(yùn)的微流控器件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)與基板的集成制造技術(shù)。以上路線均有科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。 以上分析表明，本項(xiàng)目通過制造和設(shè)備方面創(chuàng)新性研究，探索出大尺寸LED晶圓制造中缺陷形成機(jī)理并實(shí)現(xiàn)缺陷的有效抑制，突破超快響應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)多參數(shù)耦合機(jī)制及精確控制，揭示LED可靠性制約因素耦合規(guī)律與器件熱流控制機(jī)制，并研制多腔分步HVPE系統(tǒng)、大尺寸多片MOCVD反應(yīng)腔以及復(fù)合過應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和測試系統(tǒng)是完全可能的。 （4） 降低或阻斷應(yīng)力和缺陷生成的方法 通過插入應(yīng)力缺陷調(diào)節(jié)層，探索降低或阻斷應(yīng)力和缺陷生成的方法；研究插入調(diào)節(jié)層后缺陷產(chǎn)生和演化機(jī)理，實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)力和減少缺陷的目標(biāo)。 （5）探索GaN襯底制備中表面平坦化原理 探索GaN襯底材料去除機(jī)制；研究平坦化中磨料性質(zhì)、壓力、溫度等工藝參量與材料去除速率、表面性質(zhì)之間的關(guān)系規(guī)律，實(shí)現(xiàn)GaN表面平坦化。 （3）平坦化中界面行為與損傷控制 研究平坦化中加工表面間納米固體顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和納米二相流的流動(dòng)規(guī)律，研究環(huán)境溫度、下壓力、表面相互運(yùn)動(dòng)速度等因素對表面去除速率和表面質(zhì)量的影響，探討平坦化過程中的缺陷產(chǎn)生機(jī)理及其控制方法。（2） 大尺寸反應(yīng)腔流場與溫度場均勻性設(shè)計(jì) 研究反應(yīng)腔尺寸對溫度場的影響，采用逐步優(yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)溫場的均勻性控制；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)腔噴頭設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大尺寸流場的均勻性控制，提出大尺寸反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法。如深圳清華大學(xué)研究院、清華大學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2吋藍(lán)寶石襯底晶圓的平坦化實(shí)用技術(shù)，并有多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測試設(shè)備成果；北京大學(xué)已實(shí)現(xiàn)三片HVPE樣機(jī)；華中科技大學(xué)已制造出具有知識產(chǎn)權(quán)的MOCVD樣機(jī)；上海大學(xué)實(shí)現(xiàn)了GZO與GaN基LED的器件集成制造；中南大學(xué)已經(jīng)設(shè)計(jì)、制造了電磁驅(qū)動(dòng)的噴膠閥，；大連理工大學(xué)在微納結(jié)構(gòu)集成制造、微納流控技術(shù)等方面取得了豐富的成果；廣東工業(yè)大學(xué)自主研發(fā)了用于LED封裝的熱超聲引線鍵合機(jī)。 實(shí)現(xiàn)重大突破在項(xiàng)目研究的技術(shù)路線上是可行的?；诹黧w動(dòng)力學(xué)和高速攝像方法，建立高粘度微滴形成模型，優(yōu)化流道和溫度場等參數(shù)，運(yùn)用功能材料及放大機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)噴針超高加速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)納升級微滴噴出；研究輕柔并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型和綜合優(yōu)化方法，建立高加速復(fù)合運(yùn)動(dòng)過程運(yùn)動(dòng)切換的動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)高速柔性微力控制。利用多波長測溫以實(shí)現(xiàn)溫度的精確測量和智能控制，利用原位的光學(xué)光譜來測量反應(yīng)劑氣流分配狀況，通過建立智能反饋系統(tǒng)以精確調(diào)節(jié)反應(yīng)劑氣流分配，實(shí)現(xiàn)均勻生長。通過時(shí)空分離方法，進(jìn)行多目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多變量控制，產(chǎn)生穩(wěn)定生長所需要的均勻場，實(shí)現(xiàn)缺陷密度小于5106 /cm2 的目標(biāo)。3）基于多學(xué)科交叉，運(yùn)用先進(jìn)理論方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)探索LED制造與裝備新原理，豐富和完善LED裝備制造的理論體系。 第二方面：技術(shù)成果 通過本項(xiàng)目研究，在下列若干關(guān)鍵技術(shù)上取得有自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，建立我國高性能LED制造工藝與裝備關(guān)鍵技術(shù)平臺。 2）LED復(fù)合過應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法及可靠性制約因素耦合規(guī)律 針對常規(guī)應(yīng)力下的壽命試驗(yàn)及測試方法很難對器件的壽命和可靠性及時(shí)做出客觀評價(jià)的狀況，通過建立基于多因素（電流、溫度、濕度、振動(dòng)、高低溫沖擊等）復(fù)合過應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法,建立相應(yīng)的試驗(yàn)測試系統(tǒng)，開展LED器件加速壽命試驗(yàn)研究，結(jié)合非線性建模仿真，建立LED器件可靠性快速準(zhǔn)確評估方法；揭示制造過程（工藝）多參數(shù)與LED器件可靠性的關(guān)聯(lián)機(jī)制，建立動(dòng)態(tài)環(huán)境（溫度、濕度等）下的應(yīng)力應(yīng)變、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)特性的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為大功率LED器件的高品質(zhì)制造提供優(yōu)化的加速壽命試驗(yàn)和測試方法、儀器裝備及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中的技術(shù)難點(diǎn)是：高效的熱流輸運(yùn)系統(tǒng)跨尺度集成設(shè)計(jì)與制造，建立復(fù)合過應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法。主要研究內(nèi)容： （1）大尺寸MOCVD反應(yīng)腔設(shè)計(jì)仿真與實(shí)現(xiàn)； （2）大尺寸晶圓外延生長中的缺陷演變機(jī)理及控制； （3）LED發(fā)光復(fù)合機(jī)制與量子效率調(diào)控； （4）晶圓片剝離/鍵合界面制造工藝與損傷控制； （5）表面微納結(jié)構(gòu)透明薄膜電極制造和運(yùn)用表面粗化以提高出光效率。5nm）、厚度和組分均勻性（偏差≤5％）等要求；研究超硬難加工襯底材料表面原子級平坦化（表面粗糙度Ra nm）和高效去除（去除速率大于6 μm/h）方法，解決襯底材料的平坦化難題。隨著LED芯片制造向大尺寸襯底晶圓、低缺陷密度、高光效方向發(fā)展，對襯底平坦化、外延生長、芯片制造技術(shù)及相關(guān)裝備提出了一系列挑戰(zhàn)。這些缺陷會(huì)直接影響光效、光衰。2） 超硬襯底低缺陷、高效去除平坦化新原理與裝備實(shí)現(xiàn) 目前，為了提高LED發(fā)光效率，降低成本，對藍(lán)寶石、SiC及GaN等LED襯底材料表面平整度、粗糙度以及材料去除速率等提出了更高的要求，其中對表面粗糙度的要求更是接近了物理極限
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