基于金屬反射鏡電極的高壓LED芯片設(shè)計

徐兆青　孫廣輝　劉晴

【摘 要】我國的LED企業(yè)主要集中在封裝和應(yīng)用等下游領(lǐng)域，核心技術(shù)力量還比較薄弱，因此如何研制出高性能的LED器件產(chǎn)品，變得尤為重要。本文從提高芯片的發(fā)光效率出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)有的制備技術(shù)，制備出高性能的高壓LED芯片，希望對高壓LED芯片今后的研究有所幫助。

【關(guān)鍵詞】LED芯片；金屬反射鏡；高壓LED；倒裝結(jié)構(gòu)

1 LED芯片技術(shù)的現(xiàn)狀及問題

為了滿足照明市場的需求，LED芯片工作電流從過去的20mA增加到1A的程度，在這個LED朝著大功率方向的發(fā)展中，傳統(tǒng)的單個大功率芯片在應(yīng)用上遇到了很多問題。首先由于單個大功率芯片是采用高電流低電壓的驅(qū)動方式，其工作在350mA的大電流下，如果電流擴(kuò)展不均勻?qū)?dǎo)致嚴(yán)重的電流擁擠效應(yīng)，大大降低LED的發(fā)光效率，并且大電流使控制電路的負(fù)載過大，造成電子零件因過熱而產(chǎn)生損壞現(xiàn)象。在故障檢測中時常發(fā)現(xiàn)單個高功率LED芯片本身并未故障，單模組中的電源控制電路卻更容易出現(xiàn)問題。此外，單個大功率芯片還面臨著封裝難度高，工藝復(fù)雜，成本高等一系列問題。由此以低電流高電壓驅(qū)動的集成芯片便成為了市場上解決大功率LED的重要方案之一。高壓LED給LED照明帶來成本和重量的有效降低，特別是大幅降低了對散熱系統(tǒng)的設(shè)計要求，而且相對于點(diǎn)光源的單顆大功率芯片，集成式芯片由于是面光源，配光也相對容易。

高壓LED芯片是通過一系列特定的工藝，將相互隔離的發(fā)光單元通過電極連接，集成在一塊單晶片上，封裝在一個外殼內(nèi)，執(zhí)行特定的系統(tǒng)功能，實現(xiàn)元器件、電路和系統(tǒng)的完美結(jié)合。高壓LED驅(qū)動電流一般為20mA，并且每個LED單元都為小功率的LED，因此流過LED的電流密度很小，從而會降低了droop效應(yīng)的影響[2]。對于高壓LED來說，它具有體積更小、性能更穩(wěn)定、散熱更好、封裝成本更低等優(yōu)勢，在高端芯片領(lǐng)域得到了越來越多地實際應(yīng)用。

目前高壓芯片一般是在一個芯片上制備大量微晶粒單元，然后各個單元的N、P電極之間再通過在芯片上制備金屬連線進(jìn)行電性連接，若N、P電極采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)即為高壓直流LED芯片，若N、P電極采用并聯(lián)后再串聯(lián)的結(jié)構(gòu)即為高壓交流LED芯片。傳統(tǒng)的高壓LED芯片工藝包含：深隔離槽刻蝕、n-GaN臺階刻蝕、絕緣層淀積、ITO蒸發(fā)、電極蒸鍍、金屬連線蒸發(fā)。這種傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)較多，比如：1）金屬連線需要爬過深溝槽進(jìn)行各微晶粒單元間的電氣連接，因溝槽深度在4？滋m以上，金屬連線必須連貫均勻電阻低且具有良好的歐姆接觸，這就要求連線和電極都要有足夠的寬度和厚度，避免金屬爬越深溝槽時出現(xiàn)局部電流密度過高引起擊穿和燒毀現(xiàn)象，然而連線和N電極越寬，損失的發(fā)光區(qū)就越大，LED發(fā)光效率就越低。2）P-GaN上鍍一層ITO透明導(dǎo)電層會使電流分布更均勻，但透明導(dǎo)電層會對LED發(fā)出的光產(chǎn)生部分吸收，且P電極會遮擋住部分光，這就限制了LED芯片的出光效率。3）其襯底是藍(lán)寶石，藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率低，散熱不佳。4）電極焊盤在出光面上吸光造成光損失。以上這些導(dǎo)致傳統(tǒng)工藝的高壓芯片散熱差而且發(fā)光效率較低。

2 基于金屬反射鏡電極的高壓LED芯片設(shè)計原理及探索

高壓LED芯片發(fā)光效率越高其節(jié)能能力就越好，市場競爭力也就越強(qiáng)。如何進(jìn)一步提升高壓LED的發(fā)光效率，很大程度上取決于如何從芯片中用最少的功率提取最多的光。LED量子阱（MQW）的發(fā)光是全方位的，光在各個方向上隨機(jī)輻射，使得只有少部分光從LED芯片正面出來，而大量的光是從芯片底面和側(cè)面逸出，因此只要提高不需要出光的那一面對可見光波段的反射率，就能提高LED的光提取效率。因此具有金屬反射鏡電極的高壓LED芯片，相比于傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)的高壓芯片，其發(fā)光效率更高。

基于金屬反射鏡電極的高壓LED芯片，即將芯片的發(fā)光區(qū)與電極區(qū)不設(shè)計在同一個平面，電極區(qū)面朝封裝杯底部進(jìn)行貼裝，最終減薄藍(lán)寶石襯底，以襯底為出光面，電極焊盤這一側(cè)不在是芯片的出光面。它有著較高的發(fā)光效率，具體分析如下：1）它的有源面即PN結(jié)在芯片底部，且PN電極上制備有較高反射率的金屬反射鏡將往下的光線引導(dǎo)向上，光不經(jīng)過電極而直接從透明藍(lán)寶石襯底射出，避開了P電極上透明導(dǎo)電層吸光和電極焊盤遮光的問題，提高了芯片亮度，提升了芯片的發(fā)光效率。2）它的出光路徑是從藍(lán)寶石射出到熒光粉和硅膠再到空氣中，傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)時出光路徑是從GaN射出到熒光粉和硅膠再到空氣中，藍(lán)寶石的折射率為1.8，GaN的折射率約為2.4，熒光粉的折射率為1.7，硅膠的折射率約為1.5，空氣的折射率為1.0，明顯具有金屬反射鏡電極的高壓芯片的各介質(zhì)折射率比較接近，不容易產(chǎn)生全反射，大大減少了全反射損耗的光量。3）它的芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，導(dǎo)致電流密度和電壓的不同，對LED的光效有明顯影響[1]。

此外，傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)的高壓芯片襯底是藍(lán)寶石，藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率低，其上面封裝的環(huán)氧樹脂散熱性也較差，這樣的結(jié)構(gòu)不利于熱量的導(dǎo)出，散熱不佳導(dǎo)致芯片過熱而產(chǎn)生故障損壞。具有金屬反射鏡電極的高壓LED芯片，是通過接觸層金屬與Si基板鍵合，金屬和Si的散熱性都很好，從而改善了散熱性能，同時還可以降低芯片正向電壓，提高了高壓芯片的可靠性和使用壽命。

基于金屬反射鏡電極的高壓LED芯片所用的金屬反射鏡必須對可見光有較高的反射率。金屬銀（Ag）在可見光波段具有很高的反射率，常被用來做LED的反射層，但Ag的功函數(shù)較低很難與P-GaN形成良好的歐姆接觸，而且Ag與P-GaN的黏附性很差，很容易脫落，通常可以在Ag與P-GaN中間加入插入層來解決[3]。鎳（Ni）、鈦（Ti）具有較高的功函數(shù)并且具有良好的黏附性，通常被選作插入層，但Ni/Ag在可見光段的反射率較低。金屬鋁對可見光波段具有較高的反射率，并且對紫光和紫外光也具有較高的反射率，如圖1，而且Al較便宜，因此Al也可以作反射鏡，但Al的功函數(shù)也很低，同樣也需要其他插入層[4]，因此可以用Ni/Ag/Al作為金屬反光鏡。

3 基于金屬反射鏡電極的高壓LED芯片的設(shè)計及制備

圖2為設(shè)計芯片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，以說明具有金屬反射鏡電極的高壓LED芯片的設(shè)計。其中101為藍(lán)寶石襯底，102為n-GaN層，103為N電極，104為絕緣層，105為量子阱有源區(qū)，106為p- GaN層，107為金屬反射鏡結(jié)構(gòu)的P電極，108為透明電流擴(kuò)展層，201為Si基板，202為絕緣層，203為金屬連線，204為金屬凸點(diǎn)。

圖2 芯片的剖面結(jié)構(gòu)圖

在襯底101藍(lán)寶石上按常規(guī)方法依次制出n-GaN層102、量子阱有源層105、p- GaN層106，在106上采用常規(guī)紫外光刻技術(shù)旋涂厚度約為2.0？滋m的負(fù)型光刻膠，在紫外線波長為245～410nm的條件下曝光10～20s，烘烤后經(jīng)過3min的顯影，制備光刻膠幾何圖形掩膜層。接著利用真空蒸鍍設(shè)備在具有光刻膠幾何圖形的掩膜層上蒸鍍Ti/Al/Ni/Al/Ni/Al/Ni，總厚度為500nm金屬層作為深刻蝕掩蔽層，再用110℃去膠液3min將深刻蝕掩蔽層進(jìn)行Lift-off，得到蝕掩蔽層圖形。然后采用ICP干法刻蝕技術(shù)刻蝕蝕掩蔽層圖形，制得底部在襯底層表面上方，且深度>4m的溝槽，使得相鄰的微晶粒之間達(dá)到電學(xué)隔離以便后續(xù)進(jìn)行微晶粒之間的串聯(lián)。接下來用鹽酸水溶液去除GaN基上的殘余金屬掩蔽層。至此，陣列式分布的多個電性隔離的微晶粒已經(jīng)制備完成。接下來采用常規(guī)方法，利用ICP干法刻蝕技術(shù)刻蝕出N臺階。再采用蒸發(fā)臺，在各微晶粒的p-GaN層106表面制備透明電流擴(kuò)展層（ITO）108，然后以光刻膠做掩膜層利用氧化鐵腐蝕液對ITO進(jìn)行腐蝕，留下需要的ITO去除其它區(qū)域的ITO，再用去膠液將光刻膠去除。在以上制備的芯片半制品上淀積SiO2絕緣層104，絕緣層必須覆蓋至每個微晶粒的側(cè)面和底部并擴(kuò)展到每個微晶粒單元的上表面，制成的透明的絕緣層厚度為50～100nm，并利用光刻膠做掩膜使用緩沖氧化蝕刻劑BOE溶液將P電極和N電極窗口的SiO2腐蝕干凈。

下一道制程就是制備具有金屬反射鏡結(jié)構(gòu)的P電極107，采用常規(guī)方法得到P電極的光刻膠掩膜層，然后進(jìn)行真空蒸鍍Ni/Ag/Al，厚度分別為5nm、100nm、500nm，因為 P電極必須既有電極功能，又有反射鏡的功能，因此蒸鍍的金屬面積需要做到盡量大，必須覆蓋至絕緣層的邊緣和微晶粒的側(cè)面，這樣制得的金屬反射鏡面積可達(dá)到芯片發(fā)光面積的90% 以上，將芯片發(fā)光幾乎全部反射至底面，可有效控制發(fā)光方向，大大降低倒裝基底對光的吸收以提高出光效率。接著制作N電極103，金屬Ti/Ag/Al厚度分別為5nm、50nm、200nm。至此，制成了用于倒裝的GaN芯片。

利用Si基板作倒裝的基底，在Si基板201上淀積一層SiO2絕緣層202，厚度為200nm，目的是一方面可以抑制漏電流，另一方面有利于光的透射。接著采用常規(guī)方法在絕緣層202上制備出金屬連線203及凸點(diǎn)204，金屬連線是利用光刻膠作掩膜來蒸鍍Ti/Al的方法制成，厚度為5/1000nm。

最后通過熱超聲鍵合法，將GaN芯片倒裝在已有金屬連線203和凸點(diǎn)204的Si基板201上，實現(xiàn)所有微晶粒單元間的串聯(lián)連接。

對以上方法制備的GaN芯片進(jìn)行測試，電流20mA時每個微晶粒單元的電壓在2.8～3.0V之間，比傳統(tǒng)正裝大功率芯片的3.5V降低很多，在同樣光通量的情況下，具有金屬反射鏡電極的高壓LED芯片光效比傳統(tǒng)正裝芯片光效提高約16%～25%。

4 結(jié)語

基于金屬反射鏡電極的高壓LED芯片發(fā)光效率高，可靠性強(qiáng)且使用壽命長，同時其結(jié)構(gòu)簡單，工藝穩(wěn)定，操作容易，產(chǎn)品良率也大大提升。

【參考文獻(xiàn)】

[1]C.H.Wang，D.W.Lin，C.Y.Lee et al. Efficiency and Droop Improvement in GaN-Based High-Voltage Light-Emitting Diodes.Electron Device Letters[J].2011，32（8）： 1098-1100.

[2]Daniel Lu，Wong C P.先進(jìn)封裝材料[M].陳明祥，尚金堂，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[3]S.Lee，J.H.Sin，G.H.Jung et al. Highly reflective MgAl alloy/Ag/Ru Ohmic contact with low contact resistivety on p-type GaN diodes[J].Applied Physics Letters，2007（91）：222115

[4]郭偉玲，錢可元，王軍喜.LED器件與工藝技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[責(zé)任編輯：田吉捷]