電極Al層加厚對水平結構LED芯片性能的影響

摘 要：隨著水平結構LED市場的競爭越來越殘酷，提高產品性能和質量成為各芯片大廠的當務之急。本文在水平結構LED上制備了4種不同Al層厚度的Cr/Al/Cr/Au結構電極，通過比對其電壓、亮度和可靠性發現：2500?-7500?范圍內，Al層厚度每增大1000?，LED的電壓會降低約0.01V，且亮度和可靠性不變；當Al層厚度增大到10000?以上時，Al層側面出現無Au覆蓋缺口，電極Al層容易被氧化、腐蝕，周圍出現黑色鼓包異常，對LED的電壓、亮度和可靠性造成毀滅性影響。

關鍵詞：水平結構LED；電極；Al層

中圖分類號：TN406；TM923.34 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2018）01-0053-03

The Influence of the Al Layer Thickening on the Performance of the Horizontal Structure LED Chip

MA Jieyuan1，YIN Yuting1，ZHOU Ting2

（1.Xi'an BIO-pharmaceutical Incubator Co.，Ltd.，Xi'an 710077，China；

2. Beilin District of Xi'an Creative Industry Development Co.，Ltd.，Xi'an 710068，China）

Abstract：As the competition in the horizontal structure LED market becomes more and more cruel，how to improve product performance and quality become the priority of each chip maker. In this paper，four kinds of Cr/Al/Cr/Au structure electrodes with different Al layer thicknesses were fabricated on LED with horizontal structure. By comparing their voltage，luminance and reliability，it was found that in the range of 2500? to 7500?，the LED voltage were reduced by about 0.01V with each increase of 1000 ? thickness of Allayer，and the brightness and reliability remain unchanged. When the thickness of Al layer was increased to more than 10000 ?，there was some gap without Au covered on the side of the Al layer，and the Al layer of the electrode was easily oxidized and corroded，resulting in the black drum around，which would have a devastating effect on the voltage，the brightness and the reliability of the LED.

Keywords：horizontal structure LED；electrical pad；Al layer

0 引 言

2016年，LED行業經歷了漲價、擴產、并購、環保沖擊后，正在發生著激烈的變革，水平結構LED市場的競爭也越來越殘酷，“微利時代”將是長期的主要形態[1]。目前各個LED廠商將提高產品性能與質量，降低成本作為提升產品競爭力的主要手段。而在提升產品性能中尤以降低LED芯片電壓、提升光效為第一要務。其中，Cr/Al/Cr/Au是水平結構LED常見的反射電極結構，Al反射層是提升水平結構LED正面出光比率有效方法之一[2]。優化電極的歐姆接觸，設計和改善電極結構，均是降低LED電壓的重要途徑。本文在確保亮度不衰減和電極可靠的前提下，通過加厚反射電極的Al層厚度，達到降低水平結構LED電壓的目的。

1 實驗

在35mil的水平結構LED上，采用電子束蒸發鍍膜的方式，確保腔體真空保持在3.0E-6torr以上，先在P-GaN和N-GaN的電極位置同時制備厚度為5?的Cr連接層；再以5?/s蒸鍍速率制備4種不同厚度的Al層，該層作為電極中的光反射層和電子傳輸層，對LED的光電性能影響重大，是本實驗的重點；最后，依次蒸鍍1150?的Cr隔離層和16000?的Au覆蓋層。最終制備如圖1所示的水平結構LED的Cr/Al/Cr/Au電極結構。

圖1 水平結構LED的Cr/Al/Cr/Au電極結構示意圖

將一片4英寸的GaN外延片均勻分為左、右兩半，進行電壓（VF）和亮度（LOP）的比對實驗。其中，左半邊為參考片（REF），設計Al層厚度為2500?，右半邊為實驗片（TEST），設計Al層厚度分別為5000?、7500?和10000?，三組實驗依次標記為No.1、No.2、No.3。

由于LED芯片在COW（Chip on wafer）到COB（Chip on blue-tape）工藝轉換過程中，會遇到各種酸、堿性清洗和高溫環境，有可能造成含Al層電極異常，甚至脫落[3]。因此，需要通過惡化條件實驗確定安全的Al層厚度，來確保LED芯片的可靠性。設計表1所示的惡化條件，將COW工藝完成的LED芯片依次經過“1-3-4-2-4”步驟的惡化條件實驗。

除電極蒸鍍工序和惡化條件實驗外，其他整個芯片的制作工藝，均采用正常量產的工藝。工藝完成后檢查外觀，并比較左右半邊LED 芯片的光電特性。

3 結果與分析

在COB工藝結束后，采用350mA電流點測No.1～No.3全部LED芯片的VF和LOP，并計算TEST組與REF組之間的電壓差異△VF和亮度差異△LOP，其中，△VF=VFTEST-VFREF，△LOP=LOPTEST/LOPREF，比對結果如表2所示。

可以看出：惡化實驗未對TEST1和TEST2的VF和LOP造成影響，Al層厚度在2500?-7500?范圍內時，隨著Al層厚度每增大1000?，LED的電壓會降低約0.01V，且亮度保持不變；而TEST3的VF異常增大，LOP異常降低。進一步通過OM對所有芯片目檢，TEST3的電極異常（含PAD peeling）比率高達5.13%。利用SEM觀察電極異常芯片的電極，發現電極周圍有大量黑色鼓包，用EDX對鼓包位置進行了成分分析，如圖2所示。

從EDX分析結果可以看出：黑色鼓包中同時含有Al和Au元素，判斷表層下面的金屬Al透過Au鉆出到表面形成鼓包，或者與Au形成了Al-Au合金[4]。通過對鼓包電極的截面TEM分析（如圖3），可以看出，當Al層厚度增到10000?或更大時，就有可能會在鋁層側面出現“無Au覆蓋缺口”，導致Al層裸露，易被氧化。

3 結 論

增大Cr/Al/Cr/Au電極結構中Al層的厚度，可以有效地降低水平結構LED的VF：Al層厚度每增大1000?，LED的VF會降低約0.01V。然而，過度增大Al層厚度，會導致Al層側面因出現無Au覆蓋缺口而被氧化、腐蝕，即電極周圍會出現黑色鼓包異常，對LED的電壓、亮度和可靠性都造成毀滅性的影響。選取Al層厚度為7500?或更小，在保持水平結構LED亮度和可靠性不變的同時，可以得到較低的芯片電壓。

參考文獻：

[1] 鄒賢軍，廖穎鈺.LED晶片電極脫落的失效模式分析 [J].科技與企業，2016（8）：217.

[2] 陳才佳，李珅，王靜輝，李曉波.具有反射電極的高亮度LED芯片設計 [J].半導體技術，2014（5）.

[3] 時軍朋.電極中Al層對LED芯片可靠性的影響 [J].電子質量，2017（1）：33-37.

[4] Lu C Z，Chen H N，Lv X L，etal.Temperature and doping dependent resistivity of Ti/Au/Pd/Au multilayer ohmic contactto n-GaN [J].Journal of Applied Physics，2002，91（11）：9218-9224.

作者簡介：馬介淵（1982.05-），男，陜西西安人，碩士，中級工程師。研究方向：LED、半導體。