基于金屬反射鏡電極的高壓LED芯片設計

徐兆青　孫廣輝　劉晴

【摘 要】我國的LED企業主要集中在封裝和應用等下游領域，核心技術力量還比較薄弱，因此如何研制出高性能的LED器件產品，變得尤為重要。本文從提高芯片的發光效率出發，結合現有的制備技術，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。

【關鍵詞】LED芯片；金屬反射鏡；高壓LED；倒裝結構

1 LED芯片技術的現狀及問題

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展中，傳統的單個大功率芯片在應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動方式，其工作在350mA的大電流下，如果電流擴展不均勻將導致嚴重的電流擁擠效應，大大降低LED的發光效率，并且大電流使控制電路的負載過大，造成電子零件因過熱而產生損壞現象。在故障檢測中時常發現單個高功率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問題。此外，單個大功率芯片還面臨著封裝難度高，工藝復雜，成本高等一系列問題。由此以低電流高電壓驅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的設計要求，而且相對于點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，執行特定的系統功能，實現元器件、電路和系統的完美結合。高壓LED驅動電流一般為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效應的影響[2]。對于高壓LED來說，它具有體積更小、性能更穩定、散熱更好、封裝成本更低等優勢，在高端芯片領域得到了越來越多地實際應用。

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行電性連接，若N、P電極采用串聯結構即為高壓直流LED芯片，若N、P電極采用并聯后再串聯的結構即為高壓交流LED芯片。傳統的高壓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、電極蒸鍍、金屬連線蒸發。這種傳統的正裝結構缺點較多，比如：1）金屬連線需要爬過深溝槽進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局部電流密度過高引起擊穿和燒毀現象，然而連線和N電極越寬，損失的發光區就越大，LED發光效率就越低。2）P-GaN上鍍一層ITO透明導電層會使電流分布更均勻，但透明導電層會對LED發出的光產生部分吸收，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）其襯底是藍寶石，藍寶石的熱導率低，散熱不佳。4）電極焊盤在出光面上吸光造成光損失。以上這些導致傳統工藝的高壓芯片散熱差而且發光效率較低。

2 基于金屬反射鏡電極的高壓LED芯片設計原理及探索

高壓LED芯片發光效率越高其節能能力就越好，市場競爭力也就越強。如何進一步提升高壓LED的發光效率，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）的發光是全方位的，光在各個方向上隨機輻射，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，相比于傳統正裝結構的高壓芯片，其發光效率更高。

基于金屬反射鏡電極的高壓LED芯片，即將芯片的發光區與電極區不設計在同一個平面，電極區面朝封裝杯底部進行貼裝，最終減薄藍寶石襯底，以襯底為出光面，電極焊盤這一側不在是芯片的出光面。它有著較高的發光效率，具體分析如下：1）它的有源面即PN結在芯片底部，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向上，光不經過電極而直接從透明藍寶石襯底射出，避開了P電極上透明導電層吸光和電極焊盤遮光的問題，提高了芯片亮度，提升了芯片的發光效率。2）它的出光路徑是從藍寶石射出到熒光粉和硅膠再到空氣中，傳統正裝結構時出光路徑是從GaN射出到熒光粉和硅膠再到空氣中，藍寶石的折射率為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折射率比較接近，不容易產生全反射，大大減少了全反射損耗的光量。3）它的芯片結構設計不同，導致電流密度和電壓的不同，對LED的光效有明顯影響[1]。

此外，傳統正裝結構的高壓芯片襯底是藍寶石，藍寶石的熱導率低，其上面封裝的環氧樹脂散熱性也較差，這樣的結構不利于熱量的導出，散熱不佳導致芯片過熱而產生故障損壞。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芯片的設計及制備

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

圖2 芯片的剖面結構圖

在襯底101藍寶石上按常規方法依次制出n-GaN層102、量子阱有源層105、p- GaN層106，在106上采用常規紫外光刻技術旋涂厚度約為2.0？滋m的負型光刻膠，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將深刻蝕掩蔽層進行Lift-off，得到蝕掩蔽層圖形。然后采用ICP干法刻蝕技術刻蝕蝕掩蔽層圖形，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到電學隔離以便后續進行微晶粒之間的串聯。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制備完成。接下來采用常規方法，利用ICP干法刻蝕技術刻蝕出N臺階。再采用蒸發臺，在各微晶粒的p-GaN層106表面制備透明電流擴展層（ITO）108，然后以光刻膠做掩膜層利用氧化鐵腐蝕液對ITO進行腐蝕，留下需要的ITO去除其它區域的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面和底部并擴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構的P電極107，采用常規方法得到P電極的光刻膠掩膜層，然后進行真空蒸鍍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面，這樣制得的金屬反射鏡面積可達到芯片發光面積的90% 以上，將芯片發光幾乎全部反射至底面，可有效控制發光方向，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。接著采用常規方法在絕緣層202上制備出金屬連線203及凸點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204的Si基板201上，實現所有微晶粒單元間的串聯連接。

對以上方法制備的GaN芯片進行測試，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芯片光效比傳統正裝芯片光效提高約16%～25%。

4 結語

基于金屬反射鏡電極的高壓LED芯片發光效率高，可靠性強且使用壽命長，同時其結構簡單，工藝穩定，操作容易，產品良率也大大提升。

【參考文獻】

[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.先進封裝材料[M].陳明祥，尚金堂，譯.北京：機械工業出版社，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[M].北京：電子工業出版社，2015.

[責任編輯：田吉捷]