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        大面積高壓GaN基LED設(shè)計(jì)與加工

        2022-12-01 05:29:50趙媛媛武傳龍朱青
        電子制作 2022年20期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        趙媛媛,武傳龍,朱青

        (濰坊市知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心,山東濰坊,261000)

        0 引言

        發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)由于擁有高光效、低耗能、長(zhǎng)壽命、無(wú)毒綠色等優(yōu)點(diǎn)正逐步成為傳統(tǒng)照明市場(chǎng)的主流照明光源,在景觀照明、道路照明、室內(nèi)照明等領(lǐng)域得到愈來(lái)愈多的應(yīng)用。高壓LED(High-Voltage LED)以其小電流驅(qū)動(dòng)、簡(jiǎn)潔的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為照明領(lǐng)域的新突破。相對(duì)于傳統(tǒng)LED芯片,高壓LED芯片在許多情況下可直接用高壓驅(qū)動(dòng),其電流分布、散熱及發(fā)光更加均勻[1]。驅(qū)動(dòng)電路更簡(jiǎn)單、減少了電壓轉(zhuǎn)換的能源損失,降低了成本及功耗。而與傳統(tǒng)封裝級(jí)高壓LED相比, 芯片級(jí)高壓LED更節(jié)省空間, 封裝成本大大降低,同時(shí)避免了COB結(jié)構(gòu)芯片間BIN內(nèi)如波長(zhǎng)、 電壓、 亮度跨度帶來(lái)的一致性問(wèn)題[2]。

        目前主流的LED芯片制備工藝和制備技術(shù)中存在制程工藝復(fù)雜、電極連接橋易斷裂、漏電,發(fā)光效率低等問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種大面積高壓GaN基LED芯片,采用雙層正膠工藝制作隔離槽光刻圖形、合并制作CBL層與隔離槽橋側(cè)壁絕緣層、PAD電極與電極搭橋,優(yōu)化設(shè)計(jì)DBR層等工藝制作了一款性能穩(wěn)定、發(fā)光效率高的高壓LED芯片,其芯片尺寸1200μm×425μm,并采用4inch藍(lán)寶石襯底外延晶片制作,主要內(nèi)容包括芯片設(shè)計(jì)、芯片工藝、芯片參數(shù)測(cè)試結(jié)果等。

        1 芯片原理與設(shè)計(jì)

        高壓LED是指把一個(gè)大尺寸芯片的外延層通過(guò)刻蝕深溝槽的方式分割為多個(gè)獨(dú)立的芯粒,并通過(guò)蒸鍍電極連接橋的方式將各個(gè)芯粒以串聯(lián)的方式連接起來(lái)而構(gòu)成的LED芯片,由于單個(gè)芯粒的電壓在工作電流的驅(qū)動(dòng)下一般為3V,但是,串聯(lián)后獲得的LED芯片的工作電壓可以達(dá)到3V的數(shù)倍,故稱為高壓LED芯片。

        如圖1(a)所示,該高壓LED芯片采用三晶串設(shè)計(jì),芯片尺寸為1200μm×425μm,共設(shè)計(jì)有六張光罩,分別是用于隔離槽圖形制作ISO光罩,用于N臺(tái)面圖形制作的MESA光罩,用于電流阻擋層圖形(含隔離槽側(cè)壁絕緣層)制作的CBL光罩,用于透明導(dǎo)電層圖形制作的ITO光罩,用于電極、擴(kuò)展電極線以及PN橋連電極層圖形制作的Metal光罩以及用于表面鈍化層圖形制作的Passi光罩。其中P電極擴(kuò)展線采用三線設(shè)計(jì),N電極擴(kuò)展線采用雙線設(shè)計(jì),PN橋連電極采用雙線設(shè)計(jì),其鋪設(shè)在隔離槽內(nèi)分別與P/N電極擴(kuò)展線相連。

        制作后芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示,其從下到上的結(jié)構(gòu)分別反射布拉格光柵DBR、襯底(sapphire)為藍(lán)寶石、N型GaN(N-GaN)、發(fā)光量子阱(MQW)、P型GaN(P-GaN)、電流阻擋層(CBL)、透明導(dǎo)電層(ITO)、金屬電極(P-Pad與N-Pad)以及鈍化層(passivation),其中金屬電極為圓形Pad+擴(kuò)展電極線設(shè)計(jì)。晶粒之間為隔離槽(ISO),P、N電極互聯(lián)單元?jiǎng)t包括橋連電極層與側(cè)壁絕緣層SPWV(side wall passivition)。

        2 芯片工藝流程

        2.1 整體流程

        該高壓發(fā)光二極管的制造工藝流程如圖2所示,其中外延生長(zhǎng)采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)N-GaN、發(fā)光量子阱、P-GaN;N-GaN臺(tái)面制作,隔離槽以及passivation均采用等離刻蝕(ICP),CBL與ITO則采用濕法刻蝕。CBL與 passivition采用PECVD沉積SiO2,ITO由Sputter濺射得到,電極與DBR則采用電子束蒸鍍,電極、擴(kuò)展電極線以及PN橋連電極層采用的鉻、鋁、鉻、鉑、金的多層設(shè)計(jì),DBR則采用SiO2與TiO2的多層設(shè)計(jì)。其中,側(cè)壁絕緣層SPWV(side wall passivition)合并于電流阻擋層一起制作,橋連電極層合并于電極一起制作,能夠有效地減少工序,減少成本。

        2.2 隔離槽制作

        其中與普通的LED最大的不同即增加了隔離槽的制作工藝, 目前普遍采用的方法為干法刻蝕[3],深度需達(dá)到藍(lán)寶石襯底, 刻蝕深度由外延片結(jié)構(gòu)而定, 一般為7μm左右。 深槽的形貌關(guān)系到后續(xù)工藝的順利進(jìn)行和器件的光電特性, 一般深槽側(cè)壁形貌設(shè)計(jì)成斜面型,且傾斜角度應(yīng)控制在30°~50°之間。通過(guò)多次反復(fù)調(diào)試光刻工藝與刻蝕工藝,其最終的刻蝕效果如圖3所示。版圖設(shè)計(jì)的隔離槽為7μm,刻蝕后溝槽底部寬度在9μm左右,上部寬度30μm左右,傾斜角度35°左右,既能實(shí)現(xiàn)SWPV層與PN橋聯(lián)的電極層在溝槽內(nèi)及斜坡上的披覆,又能使高壓LED的光功率最大化。

        2.3 電極線搭橋

        隔離槽制作完成后,首先對(duì)側(cè)邊進(jìn)行絕緣處理,再進(jìn)行后續(xù)的電極搭橋。采用SiO2進(jìn)行鈍化絕緣,與CBL層同時(shí)用PECVD沉積SiO2,沉積厚度為4500A,并同時(shí)進(jìn)行光刻與BOE濕法刻蝕。電極橋連層和Pad制作同步進(jìn)行,即首先采用負(fù)膠進(jìn)行光刻,然后再蒸鍍鉻、鋁、鉻、鉑、金,最后則是剝離工藝。其最終的電極搭橋制作效果圖,如圖4所示,其中A為橋連電極層、B為側(cè)壁絕緣層,可以看出側(cè)壁絕緣層、橋連電極層均無(wú)翹起、無(wú)斷裂。同時(shí)相比于側(cè)壁絕緣層、橋連電極層單獨(dú)制作,將其分別于CBL和PAD制作合并能夠有效地減少工藝步驟,節(jié)約成本。高強(qiáng)度的橋連電極層保證了發(fā)光單元之間電互聯(lián)的穩(wěn)定性和可靠性,保證了高壓LED器件的可靠性和壽命。

        2.4 DBR設(shè)計(jì)

        目前白光LED是由GaN基藍(lán)光LED芯片(發(fā)光中心波長(zhǎng)450nm)表面涂布黃光熒光粉實(shí)現(xiàn),在這種LED芯片白光封裝結(jié)構(gòu)中,其他波長(zhǎng)的光(主要為黃光)也會(huì)被反射進(jìn)入GaN基藍(lán)光LED芯片中。為了提高光提取效率,盡可能提取到更多波長(zhǎng)的光,需要在GaN基藍(lán)光LED背面制作具有寬反射帶的DBR(布拉格反射光柵),且反射譜段寬度需要盡可能寬,覆蓋到可見(jiàn)光的所有波段。通常DBR結(jié)構(gòu)可表示為G(HL)pHA,G代表襯底,折射率為ns,A代表空氣,折射率為n0,HL分別為中心波長(zhǎng)λ0四分之一厚度的高折射率材料和低折射率材料,折射率分別為nH和nL,則DBR層數(shù)為2p+1,由矩陣光學(xué)理論可以推導(dǎo)得到正入射時(shí),DBR反射率R如式(1)所示:

        由此可知DBR膜系反射率會(huì)隨著周期數(shù)和材料折射率差增加而增大。在制作該高壓GaN基LED的制程中,我們采用高折射率和低折射率介質(zhì)材料分別為氧化鈦(TiO2)、氧化硅(SiO2),并使用成熟的商業(yè)軟件Essential Macleod實(shí)現(xiàn)光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)和分析,設(shè)計(jì)了G(HL)15HA周期 DBR 膜系,并采用真空鍍膜機(jī)進(jìn)行了反射層的蒸鍍,其反射率的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果如圖5所示,其在400nm~650nm的區(qū)間范圍內(nèi)垂直入射的反射局均接近100%。

        3 芯片測(cè)試

        圖6展示了芯片制作完成后在金相顯微鏡下的外觀圖像以及在注入100mA下的近場(chǎng)光學(xué)圖像。從外觀來(lái)看,該發(fā)光二極管發(fā)光區(qū)域表面光滑平整,無(wú)明顯缺陷與殘留物,電極、擴(kuò)展電極線以及PN橋連電極層圖形規(guī)則,無(wú)脫落、無(wú)翹起且邊緣無(wú)黑邊,而從近場(chǎng)光學(xué)圖像來(lái)看,PN橋連電極層完整,無(wú)漏電現(xiàn)象發(fā)生,且電流分布、散熱及發(fā)光更加均勻。其原理是,該高壓LED將芯片碎片化,單個(gè)發(fā)光單元的面積遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)大功率LED的發(fā)光面積,這種布置會(huì)極大地緩解電流擁擠效應(yīng),使得LED中的電流分布更加均勻,相應(yīng)的散熱和發(fā)光也就會(huì)更加均勻。

        圖7 顯示了高壓LED的I-P特性曲線圖、 I-V特性曲線與WPE(量子轉(zhuǎn)換效率)特性曲線圖。由圖中可以看出,在輸入電流為0~380 mA的范圍內(nèi),隨著輸入電流的增加,芯片輸出光功率都呈增加的趨勢(shì),但當(dāng)電流繼續(xù)增大時(shí),輸出光功率達(dá)到飽和并且開(kāi)始緩慢下降,這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)入大電流時(shí),受芯片尺寸以及芯片結(jié)構(gòu)等方面的影響,出現(xiàn)電流擁擠的現(xiàn)象。電壓則隨正向工作電流的增大而增大,在工作電流100mA的情況下,其工作電壓在9.2V左右。WPE則隨正向工作電流的增大而減小,在工作電流100mA的情況下,其WPE在42%左右。由此可見(jiàn),本文制作的高壓LED芯片,其量子效率衰減效應(yīng)得到緩解。高壓LED的工作電流遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)大功率LED,其極大地緩解LED的量子衰減效應(yīng),提高了LED的發(fā)光效率,從而使得LED的性能更加突出。

        4 總結(jié)

        設(shè)計(jì)了一種三晶串、尺寸1200μm×425μm 9V大面積高壓芯片,為了使互聯(lián)相鄰發(fā)光單元的電極橋可以平穩(wěn)地通過(guò)隔離溝槽并且保證光功率,隔離溝槽的寬度設(shè)計(jì)為7μm,刻蝕完成底部9μm左右,傾斜角度35度左右,側(cè)壁絕緣層、橋連電極層能夠完好披覆在溝槽的側(cè)壁與底部,其分別于CBL和PAD制作合并能夠有效地減少工藝步驟,節(jié)約成本。測(cè)試結(jié)果顯示,芯片外觀完整,輸入100mA電流時(shí),電流擴(kuò)散均勻,近場(chǎng)發(fā)光統(tǒng)一,工作電壓在9.2V左右,且I-P特性曲線圖、 I-V特性曲線與WPE特性曲線均符合制作標(biāo)準(zhǔn)。

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