大面積高壓GaN基LED設計與加工

趙媛媛，武傳龍，朱青

（濰坊市知識產權保護中心，山東濰坊，261000）

0 引言

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）由于擁有高光效、低耗能、長壽命、無毒綠色等優點正逐步成為傳統照明市場的主流照明光源，在景觀照明、道路照明、室內照明等領域得到愈來愈多的應用。高壓LED（High-Voltage LED）以其小電流驅動、簡潔的驅動電路設計等優點逐漸成為照明領域的新突破。相對于傳統LED芯片，高壓LED芯片在許多情況下可直接用高壓驅動，其電流分布、散熱及發光更加均勻[1]。驅動電路更簡單、減少了電壓轉換的能源損失，降低了成本及功耗。而與傳統封裝級高壓LED相比， 芯片級高壓LED更節省空間， 封裝成本大大降低，同時避免了COB結構芯片間BIN內如波長、 電壓、 亮度跨度帶來的一致性問題[2]。

目前主流的LED芯片制備工藝和制備技術中存在制程工藝復雜、電極連接橋易斷裂、漏電，發光效率低等問題。本文設計了一種大面積高壓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層與隔離槽橋側壁絕緣層、PAD電極與電極搭橋，優化設計DBR層等工藝制作了一款性能穩定、發光效率高的高壓LED芯片，其芯片尺寸1200μm×425μm，并采用4inch藍寶石襯底外延晶片制作，主要內容包括芯片設計、芯片工藝、芯片參數測試結果等。

1 芯片原理與設計

高壓LED是指把一個大尺寸芯片的外延層通過刻蝕深溝槽的方式分割為多個獨立的芯粒，并通過蒸鍍電極連接橋的方式將各個芯粒以串聯的方式連接起來而構成的LED芯片，由于單個芯粒的電壓在工作電流的驅動下一般為3V，但是，串聯后獲得的LED芯片的工作電壓可以達到3V的數倍，故稱為高壓LED芯片。

如圖1(a)所示，該高壓LED芯片采用三晶串設計，芯片尺寸為1200μm×425μm，共設計有六張光罩，分別是用于隔離槽圖形制作ISO光罩，用于N臺面圖形制作的MESA光罩，用于電流阻擋層圖形（含隔離槽側壁絕緣層）制作的CBL光罩，用于透明導電層圖形制作的ITO光罩，用于電極、擴展電極線以及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電極擴展線采用三線設計，N電極擴展線采用雙線設計，PN橋連電極采用雙線設計，其鋪設在隔離槽內分別與P/N電極擴展線相連。

制作后芯片結構示意圖如圖1(b)所示，其從下到上的結構分別反射布拉格光柵DBR、襯底（sapphire）為藍寶石、N型GaN（N-GaN）、發光量子阱（MQW）、P型GaN（P-GaN）、電流阻擋層（CBL）、透明導電層（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+擴展電極線設計。晶粒之間為隔離槽（ISO），P、N電極互聯單元則包括橋連電極層與側壁絕緣層SPWV（side wall passivition）。

2 芯片工藝流程

2.1 整體流程

該高壓發光二極管的制造工藝流程如圖2所示，其中外延生長采用金屬有機化合物化學氣相沉淀在藍寶石襯底上依次生長N-GaN、發光量子阱、P-GaN；N-GaN臺面制作，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、擴展電極線以及PN橋連電極層采用的鉻、鋁、鉻、鉑、金的多層設計，DBR則采用SiO2與TiO2的多層設計。其中，側壁絕緣層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]，深度需達到藍寶石襯底， 刻蝕深度由外延片結構而定， 一般為7μm左右。 深槽的形貌關系到后續工藝的順利進行和器件的光電特性， 一般深槽側壁形貌設計成斜面型，且傾斜角度應控制在30°～50°之間。通過多次反復調試光刻工藝與刻蝕工藝，其最終的刻蝕效果如圖3所示。版圖設計的隔離槽為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，既能實現SWPV層與PN橋聯的電極層在溝槽內及斜坡上的披覆，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，首先對側邊進行絕緣處理，再進行后續的電極搭橋。采用SiO2進行鈍化絕緣，與CBL層同時用PECVD沉積SiO2，沉積厚度為4500A，并同時進行光刻與BOE濕法刻蝕。電極橋連層和Pad制作同步進行，即首先采用負膠進行光刻，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為側壁絕緣層，可以看出側壁絕緣層、橋連電極層均無翹起、無斷裂。同時相比于側壁絕緣層、橋連電極層單獨制作，將其分別于CBL和PAD制作合并能夠有效地減少工藝步驟，節約成本。高強度的橋連電極層保證了發光單元之間電互聯的穩定性和可靠性，保證了高壓LED器件的可靠性和壽命。

2.4 DBR設計

目前白光LED是由GaN基藍光LED芯片（發光中心波長450nm）表面涂布黃光熒光粉實現，在這種LED芯片白光封裝結構中，其他波長的光（主要為黃光）也會被反射進入GaN基藍光LED芯片中。為了提高光提取效率，盡可能提取到更多波長的光，需要在GaN基藍光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，覆蓋到可見光的所有波段。通常DBR結構可表示為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層數為2p+1，由矩陣光學理論可以推導得到正入射時，DBR反射率R如式（1）所示：

由此可知DBR膜系反射率會隨著周期數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材料分別為氧化鈦（TiO2）、氧化硅（SiO2），并使用成熟的商業軟件Essential Macleod實現光學薄膜設計和分析，設計了G(HL)15HA周期 DBR 膜系，并采用真空鍍膜機進行了反射層的蒸鍍，其反射率的仿真結果和測試結果如圖5所示，其在400nm～650nm的區間范圍內垂直入射的反射局均接近100%。

3 芯片測試

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下的近場光學圖像。從外觀來看，該發光二極管發光區域表面光滑平整，無明顯缺陷與殘留物，電極、擴展電極線以及PN橋連電極層圖形規則，無脫落、無翹起且邊緣無黑邊，而從近場光學圖像來看，PN橋連電極層完整，無漏電現象發生，且電流分布、散熱及發光更加均勻。其原理是，該高壓LED將芯片碎片化，單個發光單元的面積遠小于傳統大功率LED的發光面積，這種布置會極大地緩解電流擁擠效應，使得LED中的電流分布更加均勻，相應的散熱和發光也就會更加均勻。

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，隨著輸入電流的增加，芯片輸出光功率都呈增加的趨勢，但當電流繼續增大時，輸出光功率達到飽和并且開始緩慢下降，這是因為當進入大電流時，受芯片尺寸以及芯片結構等方面的影響，出現電流擁擠的現象。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，本文制作的高壓LED芯片，其量子效率衰減效應得到緩解。高壓LED的工作電流遠小于傳統大功率LED，其極大地緩解LED的量子衰減效應，提高了LED的發光效率，從而使得LED的性能更加突出。

4 總結

設計了一種三晶串、尺寸1200μm×425μm 9V大面積高壓芯片，為了使互聯相鄰發光單元的電極橋可以平穩地通過隔離溝槽并且保證光功率，隔離溝槽的寬度設計為7μm，刻蝕完成底部9μm左右，傾斜角度35度左右，側壁絕緣層、橋連電極層能夠完好披覆在溝槽的側壁與底部，其分別于CBL和PAD制作合并能夠有效地減少工藝步驟，節約成本。測試結果顯示，芯片外觀完整，輸入100mA電流時，電流擴散均勻，近場發光統一，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準。