吴滢滢

（厦门三安光电科技有限公司，福建 厦门 361009）

0 引言

GaN-LED 倒装芯片（Flip Chip）因无须通过蓝宝石散热，散热性能好，寿命较长，同时因不像常规正装芯片需要考虑P 层上导电层（目前主要采用氧化铟锡材料）透光性问题，所以可以设计采用电阻率更低、反射率更高的金属材料为反光层Mirror，以使芯片得到更低的电压，亮度也可得到更大提升，并使封装采用更大电流驱动，光效更好。因其需要打线封装，所以可减少因金线损坏导致的死灯概率，且便于封装集成化。综上所述，车灯、mini 显示屏等更高端市场更愿意使用倒装芯片。但其采用的金属材料为电阻率更低、反射率更高的银，银因自身的金属特性，在一定条件下容易发生金属迁移[1-2]而导致电性出现异常，进而死灯，所以在一般情况下，是通过在银表面加一层金属保护层Barrier 来阻隔，可是这种办法仍然无法解决Ag 从保护层侧面析出，通过各种介质从P 电极向N 电极迁移，形成导电通道，进而导致漏电的问题。该文研究设计了不同保护层，提出了双层夹层的金属保护层，结构更稳定，致密性更佳，可以有效减少侧面Ag 析出，降低漏电异常率，并同时增加光萃取率以提亮。

1 试验

利用金属有机气相外延（MOCVD）机台K456I，在4寸蓝宝石衬底上生长蓝光LED 外延结构（分别生长GaN 缓冲层、N 型层n-GaN、多对量子阱InGaN/GaN、电子阻挡层p-AlGaN 和P 型层p-GaN），并进行发光二极管的倒装芯片前期基础工序（在长完的外延片上，先用有机清洗液和酸洗对外延表面进行清洁处理，去除外延表面的脏污、颗粒，然后通过黄光上胶曝光显影硬化等工序，光刻胶保护住不需要被ICP 刻蚀的区域，在发光区按照一定的阵列均匀地刻蚀出N 电极沟槽以形成mesa 平台，使后续通电时电流扩展得更均匀，减少电流拥挤。再通过黄光上胶曝光显影硬化等工序和ICP 刻蚀方式，将每颗芯粒走道的外延层的P 型层和N 型层完全去除，用有机清洗液和酸洗对外延表面进行清洁处理，通过磁控溅射的方式镀上氧化铟锡ITO 并快速ITO 退火，形成P 欧姆接触层。最后通过黄光上胶曝光显影硬化等工序，光刻胶保护住不需要被ITO 蚀刻掉的区域，用ITO 蚀刻液蚀刻掉N 电极区域的氧化铟锡ITO，将已经做好前期基础工艺的试验片分成2 组，分别做A 设计方案和B 设计方案。

A 保护层设计方案：工序1，在已经做过一段基础工序的外延片上长一层绝缘层，长前用有机清洗液和酸洗对外延表面进行清洁处理；工序2，通过黄光上胶曝光显影硬化等工序，光刻胶保护不需要镀上反光层银的绝缘层；工序3，用BOE 溶液蚀刻掉未被光刻胶保护的绝缘层区域，需要注意待蚀刻区域表面是否有光刻胶残留，避免蚀刻不干净；工序4，以磁控溅射的方式镀上反光层银层，银较活泼，在本次镀膜中，除镀上银层外，还要镀上薄薄的金属保护层；工序5，将镀完反光层银片源吸真空固定在剥离机上，用白膜黏除光刻胶上的反光层银后，去除黄光光刻胶；工序6，通过黄光上胶曝光显影硬化等工序，光刻胶保护不需要镀上金属保护层的绝缘层；工序7，用BOE 溶液蚀刻掉未被光刻胶保护的绝缘层区域，需要注意待蚀刻区域是否表面有光刻胶残留，避免蚀刻不干净；工序8，以电子束真空蒸镀方式镀上金属保护层；工序9，将镀完金属保护层的片源吸真空固定在剥离机上，用白膜黏除光刻胶上的金属保护层，去除黄光光刻胶。A 设计方案示意图如图1 所示。

图1 A 设计方案

B 保护层设计方案：工序1，在已经做过一段基础工序的外延片上长一层绝缘层，长前用有机清洗液和酸洗对外延表面进行清洁处理；工序2，通过黄光上胶曝光显影硬化等工序，光刻胶保护不需要镀上反光层银的绝缘层；工序3，用BOE 溶液蚀刻掉未被光刻胶保护的绝缘层区域，需要注意待蚀刻区域表面是否有光刻胶残留，避免蚀刻不干净；工序4，以磁控溅射的方式镀上反光层银层，银较活泼，在本次镀膜中，除镀上银层外，还要镀上薄薄的金属保护层；工序5，将镀完反光层银片源吸真空固定在剥离机上，用白膜黏除光刻胶上的反光层银后，去除黄光光刻胶；工序6，通过黄光上胶曝光显影硬化等工序，光刻胶保护不需要镀上金属保护层的绝缘层；工序7，以电子束真空蒸镀方式镀上金属保护层；工序8，将镀完金属保护层的片源吸真空固定在剥离机上，用白膜黏除光刻胶上的金属保护层，去除黄光光刻胶。B 设计方案示意图如图2 所示。

图2 B 设计方案

将发光二极管器件继续制作完成（在A、B 设计方案均完成的工序上，采用等离子增强化学气相沉积PECVD 方式沉积绝缘层；通过黄光上胶曝光显影硬化等工序，光刻胶保护不需要被去除的绝缘层的区域；用BOE 溶液蚀刻或者ICP 刻蚀掉未被光刻胶保护的绝缘层区域，绝缘层覆盖各N电极沟槽、mesa 平台、切割道、反光层的金属保护层；通过黄光上胶曝光显影硬化等工序和电子束真空蒸镀方式，形成整面的N 金属电极区域；再通过等离子增强化学气相沉积PECVD 方式沉积一层绝缘层，通过黄光上胶曝光显影硬化等工序和BOE 溶液蚀刻或者ICP 刻蚀，分别隔离出P 导电通道和N 导电通道；制作分别覆盖各P 导电通道和各N 导电通道的P 焊垫和N 焊垫），以进一步对比2 种不同保护层设计对发光二极管的结构形貌、芯片漏电良率、芯片亮度、封装亮度的影响差异。

2 结构形貌

从上述2 种不同保护层设计方案流程差异可以看出，A设计方案中，反光层银完全由金属保护层覆盖保护，该金属保护层采用电子束真空蒸镀原理镀膜，用一束电子轰击金属材料，产生高能量，使金属材料沸腾后蒸发并沉积到片源表面，生长机理简单，但是形成的薄膜黏附能力较差，无法形成致密的阻隔膜，再加上金属保护层侧面比较薄，包覆性不够。A 设计方案的结构形貌如图3 所示。

图3 A 设计方案的结构形貌

在后期使用过程中，侧面容易被水汽或者空气中的有害小分子等渗入，造成银迁移过程中银离子的大面积形成。当芯片设计中其他应力较大的绝缘层出现断裂时，会发生银迁移，进而使LED 芯片的正、负电极导通，引起漏电。B 设计方案中，反光层银由侧壁的绝缘层和金属保护层双层夹层保护，绝缘层采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方式镀膜，借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体。气体经一系列化学反应和等离子体反应，在片源表面形成固态薄膜。此方式形成的膜层纯度和致密性较高，且该材料具有超强的黏附力。B 设计方案的结构形貌如图4 所示。

图4 B 设计方案的结构形貌

这种绝缘层和金属保护层双层夹层保护方式因绝缘本身稳定性更高、致密性较好、黏附力超强且不导电，能使银迁移路径在经过侧壁绝缘层时发生变化，可以有效阻挡金属银的迁移，减少漏电的发生。

3 LED 光电参数测试

GaN 外延片分别按照A、B 设计方案，制成完整的发光二极管，刻蚀按照一定的阵列均匀地刻蚀出N 电极沟槽以形成mesa 平台，镀上氧化铟锡ITO 并快速ITO 退火形成P欧姆接触层，镀上反光层银、金属保护层，制作覆盖各N电极沟槽、mesa 平台、切割道、反光层银的绝缘层，图形化隔离层以形成P 导电通道和N 导电通道，制作分别覆盖各P 导电通道和各N 导电通道的P 焊垫和N 焊垫，并制作成3 000 μm×3 000 μm 的发光二极管，芯片是倒装结构的芯片。在矽电LED 倒装探针台搭载维明测试机上，点测电流350 mA，反向电压5V，进一步分别测试A、B 设计方案的芯片漏电良率和亮度的光电参数差异。从芯片的漏电良率结果上看，B 设计方案的漏电良率比A 设计方案高出2.6%，说明B 设计方案因绝缘层镀膜方式为等离子增强化学气相沉积（PECVD），而比金属的电子束真空蒸镀原理稳定性更高、致密性较好、黏附力超强，而且绝缘层和金属保护层双层夹层的复合保护结构设计可以使银迁移路径在经过侧壁绝缘层时发生变化，减少水汽或者空气中有害小分子等渗入造成银迁移过程中银离子的大面积形成，并减少反光层银的金属迁移。2 种不同设计的漏电良率比对差异如图5所示。

图5 2 种不同设计漏电良率差异

可以观察到B 设计方案的亮度比A 设计方案高出4.5%，这是因为光线的全反射损失大大降低，增加的绝缘层材料折射率介于外延氮化镓和复合折射率的金属保护层之间，进而行成了具有更高反射率的全方向反射镜[3]，使本来会被局限在发光二极管内部的光更容易被萃取出来，亮度得以提升，器件的过载驱动能力爱更强。2 种不同设计亮度比对如图6所示。

图6 2 种不同设计亮度差异

将2 种不同设计方案的芯片分别封装到C3535 基板上，进一步确认封装成成品的提亮效果，封装后的光效差异如图7 所示。从结果上看，在点测电流350 mA 下，B 设计方案的光效比A 设计方案高出10 lm/W，光效提升5%，与芯片在探针台上点测比对结果提亮4.5%基本一致。在提升漏电良率2.6%的同时，因为绝缘层和金属保护层双层夹层的复合保护结构设计，B 设计方案形成了高反射率的反射镜，亮度得到提升，可以用更低的电流驱动得到同样的光效，减少了散热，提升了芯片寿命。

图7 封装后测试光效差异

4 结论

为解决反光层银析出的问题，提升芯片制程中的漏电良率，该研究设计了不同金属保护层结构，通过对比结构形貌、芯片漏电良率、芯片亮度和封装亮度，证明了双层夹层的复合结构的金属保护层设计结构更稳定，致密性更佳，可以有效阻挡金属银的迁移，减少PN 结的导电通道，降低漏电的风险。从探针台点测结果看，双层夹层的金属保护层漏电良率提升了2.6%，进而提升了倒装芯片设计的良率，减少了成本损失，提升了产品竞争力。同时双层夹层的复合金属保护层结构设计因形成了全方向反射镜，使本来会被局限在发光二极管内部的光更容易被萃取出来，在点测电流350 mA下，亮度提升了4.5%。双层夹层金属保护层结构的引入使用，可以用更低的电流驱动得到同样的亮度，可减少散热，提升芯片寿命。