徐兆青　孙广辉　刘晴

【摘 要】我国的LED企业主要集中在封装和应用等下游领域，核心技术力量还比较薄弱，因此如何研制出高性能的LED器件产品，变得尤为重要。本文从提高芯片的发光效率出发，结合现有的制备技术，制备出高性能的高压LED芯片，希望对高压LED芯片今后的研究有所帮助。

【关键词】LED芯片；金属反射镜；高压LED；倒裝结构

1 LED芯片技术的现状及问题

为了满足照明市场的需求，LED芯片工作电流从过去的20mA增加到1A的程度，在这个LED朝着大功率方向的发展中，传统的单个大功率芯片在应用上遇到了很多问题。首先由于单个大功率芯片是采用高电流低电压的驱动方式，其工作在350mA的大电流下，如果电流扩展不均匀将导致严重的电流拥挤效应，大大降低LED的发光效率，并且大电流使控制电路的负载过大，造成电子零件因过热而产生损坏现象。在故障检测中时常发现单个高功率LED芯片本身并未故障，单模组中的电源控制电路却更容易出现问题。此外，单个大功率芯片还面临着封装难度高，工艺复杂，成本高等一系列问题。由此以低电流高电压驱动的集成芯片便成为了市场上解决大功率LED的重要方案之一。高压LED给LED照明带来成本和重量的有效降低，特别是大幅降低了对散热系统的设计要求，而且相对于点光源的单颗大功率芯片，集成式芯片由于是面光源，配光也相对容易。

高压LED芯片是通过一系列特定的工艺，将相互隔离的发光单元通过电极连接，集成在一块单晶片上，封装在一个外壳内，执行特定的系统功能，实现元器件、电路和系统的完美结合。高压LED驱动电流一般为20mA，并且每个LED单元都为小功率的LED，因此流过LED的电流密度很小，从而会降低了droop效应的影响[2]。对于高压LED来说，它具有体积更小、性能更稳定、散热更好、封装成本更低等优势，在高端芯片领域得到了越来越多地实际应用。

目前高压芯片一般是在一个芯片上制备大量微晶粒单元，然后各个单元的N、P电极之间再通过在芯片上制备金属连线进行电性连接，若N、P电极采用串联结构即为高压直流LED芯片，若N、P电极采用并联后再串联的结构即为高压交流LED芯片。传统的高压LED芯片工艺包含：深隔离槽刻蚀、n-GaN台阶刻蚀、绝缘层淀积、ITO蒸发、电极蒸镀、金属连线蒸发。这种传统的正装结构缺点较多，比如：1）金属连线需要爬过深沟槽进行各微晶粒单元间的电气连接，因沟槽深度在4？滋m以上，金属连线必须连贯均匀电阻低且具有良好的欧姆接触，这就要求连线和电极都要有足够的宽度和厚度，避免金属爬越深沟槽时出现局部电流密度过高引起击穿和烧毁现象，然而连线和N电极越宽，损失的发光区就越大，LED发光效率就越低。2）P-GaN上镀一层ITO透明导电层会使电流分布更均匀，但透明导电层会对LED发出的光产生部分吸收，且P电极会遮挡住部分光，这就限制了LED芯片的出光效率。3）其衬底是蓝宝石，蓝宝石的热导率低，散热不佳。4）电极焊盘在出光面上吸光造成光损失。以上这些导致传统工艺的高压芯片散热差而且发光效率较低。

2 基于金属反射镜电极的高压LED芯片设计原理及探索

高压LED芯片发光效率越高其节能能力就越好，市场竞争力也就越强。如何进一步提升高压LED的发光效率，很大程度上取决于如何从芯片中用最少的功率提取最多的光。LED量子阱（MQW）的发光是全方位的，光在各个方向上随机辐射，使得只有少部分光从LED芯片正面出来，而大量的光是从芯片底面和侧面逸出，因此只要提高不需要出光的那一面对可见光波段的反射率，就能提高LED的光提取效率。因此具有金属反射镜电极的高压LED芯片，相比于传统正装结构的高压芯片，其发光效率更高。

基于金属反射镜电极的高压LED芯片，即将芯片的发光区与电极区不设计在同一个平面，电极区面朝封装杯底部进行贴装，最终减薄蓝宝石衬底，以衬底为出光面，电极焊盘这一侧不在是芯片的出光面。它有着较高的发光效率，具体分析如下：1）它的有源面即PN结在芯片底部，且PN电极上制备有较高反射率的金属反射镜将往下的光线引导向上，光不经过电极而直接从透明蓝宝石衬底射出，避开了P电极上透明导电层吸光和电极焊盘遮光的问题，提高了芯片亮度，提升了芯片的发光效率。2）它的出光路径是从蓝宝石射出到荧光粉和硅胶再到空气中，传统正装结构时出光路径是从GaN射出到荧光粉和硅胶再到空气中，蓝宝石的折射率为1.8，GaN的折射率约为2.4，荧光粉的折射率为1.7，硅胶的折射率约为1.5，空气的折射率为1.0，明显具有金属反射镜电极的高压芯片的各介质折射率比较接近，不容易产生全反射，大大减少了全反射损耗的光量。3）它的芯片结构设计不同，导致电流密度和电压的不同，对LED的光效有明显影响[1]。

此外，传统正装结构的高压芯片衬底是蓝宝石，蓝宝石的热导率低，其上面封装的环氧树脂散热性也较差，这样的结构不利于热量的导出，散热不佳导致芯片过热而产生故障损坏。具有金属反射镜电极的高压LED芯片，是通过接触层金属与Si基板键合，金属和Si的散热性都很好，从而改善了散热性能，同时还可以降低芯片正向电压，提高了高压芯片的可靠性和使用寿命。

基于金属反射镜电极的高压LED芯片所用的金属反射镜必须对可见光有较高的反射率。金属银（Ag）在可见光波段具有很高的反射率，常被用来做LED的反射层，但Ag的功函数较低很难与P-GaN形成良好的欧姆接触，而且Ag与P-GaN的黏附性很差，很容易脱落，通常可以在Ag与P-GaN中间加入插入层来解决[3]。镍（Ni）、钛（Ti）具有较高的功函数并且具有良好的黏附性，通常被选作插入层，但Ni/Ag在可见光段的反射率较低。金属铝对可见光波段具有较高的反射率，并且对紫光和紫外光也具有较高的反射率，如图1，而且Al较便宜，因此Al也可以作反射镜，但Al的功函数也很低，同样也需要其他插入层[4]，因此可以用Ni/Ag/Al作为金属反光镜。

3 基于金属反射镜电极的高压LED芯片的设计及制备

图2为设计芯片的剖面结构示意图，以说明具有金属反射镜电极的高压LED芯片的设计。其中101为蓝宝石衬底，102为n-GaN层，103为N电极，104为绝缘层，105为量子阱有源区，106为p- GaN层，107为金属反射镜结构的P电极，108为透明电流扩展层，201为Si基板，202为绝缘层，203为金属连线，204为金属凸点。

图2 芯片的剖面结构图

在衬底101蓝宝石上按常规方法依次制出n-GaN层102、量子阱有源层105、p- GaN层106，在106上采用常规紫外光刻技术旋涂厚度约为2.0？滋m的负型光刻胶，在紫外线波长为245～410nm的条件下曝光10～20s，烘烤后经过3min的显影，制备光刻胶几何图形掩膜层。接着利用真空蒸镀设备在具有光刻胶几何图形的掩膜层上蒸镀Ti/Al/Ni/Al/Ni/Al/Ni，总厚度为500nm金属层作为深刻蚀掩蔽层，再用110℃去胶液3min将深刻蚀掩蔽层进行Lift-off，得到蚀掩蔽层图形。然后采用ICP干法刻蝕技术刻蚀蚀掩蔽层图形，制得底部在衬底层表面上方，且深度>4m的沟槽，使得相邻的微晶粒之间达到电学隔离以便后续进行微晶粒之间的串联。接下来用盐酸水溶液去除GaN基上的残余金属掩蔽层。至此，阵列式分布的多个电性隔离的微晶粒已经制备完成。接下来采用常规方法，利用ICP干法刻蚀技术刻蚀出N台阶。再采用蒸发台，在各微晶粒的p-GaN层106表面制备透明电流扩展层（ITO）108，然后以光刻胶做掩膜层利用氧化铁腐蚀液对ITO进行腐蚀，留下需要的ITO去除其它区域的ITO，再用去胶液将光刻胶去除。在以上制备的芯片半制品上淀积SiO2绝缘层104，绝缘层必须覆盖至每个微晶粒的侧面和底部并扩展到每个微晶粒单元的上表面，制成的透明的绝缘层厚度为50～100nm，并利用光刻胶做掩膜使用缓冲氧化蚀刻剂BOE溶液将P电极和N电极窗口的SiO2腐蚀干净。

下一道制程就是制备具有金属反射镜结构的P电极107，采用常规方法得到P电极的光刻胶掩膜层，然后进行真空蒸镀Ni/Ag/Al，厚度分别为5nm、100nm、500nm，因为 P电极必须既有电极功能，又有反射镜的功能，因此蒸镀的金属面积需要做到尽量大，必须覆盖至绝缘层的边缘和微晶粒的侧面，这样制得的金属反射镜面积可达到芯片发光面积的90% 以上，将芯片发光几乎全部反射至底面，可有效控制发光方向，大大降低倒装基底对光的吸收以提高出光效率。接着制作N电极103，金属Ti/Ag/Al厚度分别为5nm、50nm、200nm。至此，制成了用于倒装的GaN芯片。

利用Si基板作倒装的基底，在Si基板201上淀积一层SiO2绝缘层202，厚度为200nm，目的是一方面可以抑制漏电流，另一方面有利于光的透射。接着采用常规方法在绝缘层202上制备出金属连线203及凸点204，金属连线是利用光刻胶作掩膜来蒸镀Ti/Al的方法制成，厚度为5/1000nm。

最后通过热超声键合法，将GaN芯片倒装在已有金属连线203和凸点204的Si基板201上，实现所有微晶粒单元间的串联连接。

对以上方法制备的GaN芯片进行测试，电流20mA时每个微晶粒单元的电压在2.8～3.0V之间，比传统正装大功率芯片的3.5V降低很多，在同样光通量的情况下，具有金属反射镜电极的高压LED芯片光效比传统正装芯片光效提高约16%～25%。

4 结语

基于金属反射镜电极的高压LED芯片发光效率高，可靠性强且使用寿命长，同时其结构简单，工艺稳定，操作容易，产品良率也大大提升。

【参考文献】

[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.先进封装材料[M].陈明祥，尚金堂，译.北京：机械工业出版社，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]郭伟玲，钱可元，王军喜.LED器件与工艺技术[M].北京：电子工业出版社，2015.

[责任编辑：田吉捷]