真空蒸鍍中蒸鍍源冷卻時間對LED芯片性能的影響

鄭宏

ZHENG Hong

天津三安光電有限公司 天津 300384

Sanan Optoelectronic Co., Ltd. Tianjin 300384

1 引言

發光二極管LED（Light Emitting Diode），是一種將電信號轉換為光信號的電致發光半導體器件，又被稱為固態照明光源。作為第四代的照明光源，其具備高壽命、低污染、低能耗、低驅動電壓等特點，已經在市面上得到了廣泛應用。就LED芯片材料本身，可分為GaN基和GaAs基LED；就電極位置，可分為水平結構和垂直結構；以材料方向，可分為正裝和倒裝結構。其中垂直LED由于其電流擴散好，襯底導熱率較高等特點，被廣泛應用在照明、顯示屏、汽車燈、舞臺燈、投影儀等領域[1]。企業對于LED芯片在生產制備環節，大多以降低電壓，提升發光效率為目標。本文主要討論LED紅光正裝垂直芯片，以Cr/Ti/Al作為電極結構，在確保亮度不受明顯衰減和電極可靠的前提下，分析通過電子束真空蒸鍍法，優化金屬間成膜的歐姆層接觸，可以達到降低LED芯片電壓，保證產品穩定功率輸出的目的。

真空蒸鍍是指在一定的真空度下，將所要沉積成膜的材料利用電阻或電子束加熱的手段達到熔化溫度，使原子蒸發，到達并附著在基板表面上形成膜層的一種鍍膜技術，是一種物理氣相沉積（PVD）[2,3]。早在1857年法拉第就提出了這種方法，如今在生產制造行業已經成為最常見的真空鍍膜技術之一。在真空鍍膜過程中，可實現單層或多層膜沉積。但無論單層還是多層膜，在蒸鍍完成后都需要對蒸鍍源進行冷卻。蒸鍍源冷卻時間為指定膜層鍍膜完成后，電子槍/鎢舟/坩堝等器件關閉，整個腔體開始降溫的過程；或多層膜蒸鍍時，層與層間的降溫冷卻時間。

2 實驗步驟

垂直LED芯片結構如圖1所示。

（1）在砷化鎵襯底基板上用MOCVD生長DBR反射層、N型層、MQW、P型層等LED發光的主要外延結構；

（2）采用電子束真空蒸發鍍膜方式，在外延層上形成一層氧化銦錫薄膜（ITO）約2850?；

（3）在ITO薄膜上用電子束真空蒸發鍍膜方式分別沉積Cr/Ti/Al膜層作為P電極，其中Cr厚度250?，Ti厚度200?，Al厚度20K?;

（4）經過基板減薄，電子束真空蒸鍍N side金屬電極，以及切割等工藝，最終制備出芯片大小為7mil。

本文討論的重點在于，在額定工作電流為20mA的條件下，通過電子束蒸發蒸鍍出的P電極金屬膜層，Cr/Ti/Al各層間蒸鍍源冷卻時間與電壓的關系。

3 器件特性測試結果與討論

最終制備出的產品光電參數如表1所示，并從中得出如下結論：

（1）第一組實驗表明，相同Cr源蒸鍍膜層完成后冷卻5min再蒸鍍Ti膜層，Ti源蒸鍍后冷卻時間不同（0min/1min/5min），表現出的電壓（VF）不同。在Ti膜層蒸鍍完成后冷卻1min的條件下，所表現出的VF最低；

（2）第二組實驗表明，在相同T i源蒸鍍膜層冷卻均為5min的條件下，Cr源蒸鍍后冷卻時間不同（0min/1min/5min），所表現出的VF也不同。在Cr膜層蒸鍍完成后冷卻1min的條件下，所表現出的VF最低；

（3）第三組實驗則表明，Ti膜層和Cr膜層在冷卻到不同溫度的情況下（Cr/Ti蒸鍍源冷卻時間分別為5min/5min，1min/1min，0min/0min），兩層蒸鍍源在冷卻時間均為1min的條件下，所表現出的VF最低；

（4）無論單層或多層蒸鍍源冷卻時間均降為1min時，電壓均有明顯下降，同時對亮度（LOP）損失影響不大，第一組LOP下降1.7mcd，第二組上升2.48mcd，第三組上升1.81mcd。

薄膜附著可分為簡單附著、擴散附著、通過中間層附著和宏觀效應附著4種類型[4]。Al電極與ITO膜層間的附著即為中間層附著。對于該電極結構，Cr/Ti/Al的作用不同：①Cr膜層主要用來在金屬蒸鍍中增加下方ITO膜層及上方Ti膜層的附著性，防止電極脫落，起到承上啟下的作用；②Ti膜層一方面用來在金屬蒸鍍中增加Cr膜層與Al膜層的附著性，另一方面則用來阻擋Al向下方擴散，起到附著和阻擋的作用；③Al通常用來做金屬電極，起到承接焊線的作用。三者在真空電子束蒸鍍工藝下形成P電極層，主要用于做電流傳導。

圖1垂直LED芯片結構

圖2模擬不同金屬蒸鍍源冷卻時間等效電路圖

圖3不同Cr/Ti蒸鍍源冷卻時間I-V曲線

表1 制備出的產品光電參數

如圖2所示為模擬不同金屬蒸鍍源冷卻時間等效電路圖，主要制備方式為：

（1）在干凈的Si片上用電子束真空蒸發方式先蒸鍍一層ITO；

（2）用電子束真空蒸鍍方式蒸鍍Cr/Ti/Al電極結構；

（3）用正負電極接通兩個Cr/Ti/Al電極形成電路，用于確認不同蒸鍍源冷卻時間對應的I-V曲線，如圖3所示；

（4）通過圖3的I-V曲線可以看出，Cr/Ti/Al不同蒸鍍源冷卻時間蒸鍍后的電極間界面阻值表現不同，而界面電阻較低的電極結構，所對應的VF也相對較低。

由于薄膜的沉積過程是在砷化鎵基片上進行的，基片的溫度會影響膜層結構、晶體生長、凝聚系數、聚集密度等。在真空蒸發成膜中，電子束蒸發產生的熱量會導致腔體及基板溫度上升，不同的蒸鍍源冷卻時間，表現出的腔體降溫不同，LED基板溫度也會存在差異。冷卻時間短，腔體溫度較高，基板上原子遷移率較高，晶格缺陷減少，膜層聚集密度增加，形成良好的歐姆接觸，但基板溫度過高，會使蒸汽分子更容易在基片上運動或再次蒸發，這不但使成膜所需的臨界蒸氣壓增高，而且容易形成大顆粒的結晶，還會引起晶體結構的變化或者膜料的分解，造成膜層變質[5]。因此，合理利用腔體內溫度可使金屬膜層形成良好的歐姆接觸。

4 結論

由于良好的歐姆接觸性能，Cr/Ti/Al結構被廣泛應用于LED芯片中的P電極結構。Cr/Ti/Al層間在真空蒸鍍過程中，在不同的蒸鍍源冷卻時間下，所表現出的電壓不盡相同。無論是Cr/Ti間單層冷卻時間縮短至1min，還是Cr/Ti及Ti/Al兩層冷卻時間均下降至1min，其表現出的界面電阻對降低電壓有一定的作用，冷卻時間降到0min時反而對降低電壓的作用不大。因此選取合適的蒸鍍源冷卻時間，可以有效降低LED芯片在生產制備環節的電壓，同時對亮度不會產生較大影響。