隔離槽角度和電極橋?qū)Ω邏篖EDs性能的影響

衛(wèi)靜婷，黎 斌

廣東開放大學(xué)(廣東理工職業(yè)學(xué)院)工程技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510091)

0 引言

GaN基發(fā)光二極管(LED)具有高亮度、高功率、體積小、壽命長、易于集成、適應(yīng)外部惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，近年來，已廣泛應(yīng)用于汽車照明前燈、戶外顯示器、液晶顯示器背光源、各種手持電子產(chǎn)品、打印機(jī)等設(shè)備中[1].經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，LED在全球通用照明領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色，應(yīng)用于該領(lǐng)域的產(chǎn)品主要限于大功率LED[2].眾所周知，大功率芯片的驅(qū)動電流較大，而在大電流驅(qū)動下，會出現(xiàn)LED效率跌落(efficiency droop)的現(xiàn)象，造成這種現(xiàn)象的原因被歸為以下幾種機(jī)制：載流子注入效率低[3]，非輻射俄歇復(fù)合[4]，非輻射缺陷復(fù)合[5]，等等.具體原因仍待商榷，但是被歸結(jié)為一點(diǎn)：有源區(qū)內(nèi)的電流擴(kuò)展不均勻.為了解決這個問題，國內(nèi)外研究學(xué)者提出了高壓LEDs，即將一個大尺寸LED芯片的外延層分割成數(shù)個LED芯粒，然后通過電極橋接的方式將這些LED芯粒串聯(lián)起來[6-9].與傳統(tǒng)的大功率芯片相比，在相同功率下，高壓LEDs的工作電壓高，驅(qū)動電流小，而且，高壓LEDs可以降低功率損耗，提高電流在LED單元有源區(qū)內(nèi)擴(kuò)展的均勻性，進(jìn)而改善器件性能.

高壓LEDs的制備工藝中，將單顆LED芯片的發(fā)光區(qū)域分離成多個相互絕緣的LED芯粒的隔離工藝和LED芯粒之間的電極橋接工藝是影響高壓LEDs性能的關(guān)鍵因素.有研究表明，LED芯粒之間的隔離槽的間距會影響到高壓LEDs的出光效率[10-12].改變隔離槽的間距大小并未對高壓LEDs的EL測試峰值產(chǎn)生影響，因?yàn)長ED外延片是在藍(lán)寶石襯底上生長，其散熱情況相同[11].隨著隔離槽間距的增加，光線由一個LED芯粒射出后被相鄰LED芯粒吸收的概率降低，從而增大了高壓LEDs的光輸出功率，但是間距過大又會導(dǎo)致有源區(qū)面積減少，進(jìn)而降低光輸出功率[12].高壓LEDs是用金屬電極以橋接的方式將LED芯粒串聯(lián)在一起實(shí)現(xiàn)的，隔離槽邊緣陡峭，金屬電極在沉積的過程中會造成隔離槽垂直壁上覆蓋的金屬厚度不均勻以及斷裂的現(xiàn)象[13]，導(dǎo)致芯粒之間的互聯(lián)的可靠性能差.因此，在隔離槽的刻蝕過程中，通過控制刻蝕條件，使隔離溝槽具有一定的傾角，增加金屬電極橋接的穩(wěn)定性[12,14].本文通過改變掩膜的工藝條件，利用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕出側(cè)壁呈直角狀和側(cè)壁呈梯形狀的兩種隔離槽，采用直接在絕緣層上覆蓋橋接金屬電極和采用空氣橋作為橋接金屬電極的兩種橋接方式，制備出四種六芯粒串聯(lián)的高壓LEDs，并對這四種高壓LEDs芯片進(jìn)行電學(xué)和光學(xué)性能測試，以作對比.

1 高壓LEDs的設(shè)計(jì)方案

本文制備的高壓LEDs的整體尺寸為1.3 mm×1.3 mm，考慮到芯片在工作時，各芯粒的注入電流密度的均勻性會影響芯片整體的性能，因此，芯粒的尺寸要盡量保持一致.文中的高壓LEDs是將一個整體分隔為6個尺寸大小相同的芯粒后串聯(lián)而成，每個芯粒的尺寸為：330 μm*540 μm，整顆芯片的形貌圖如圖1所示.

圖1 高壓LEDs整顆芯片的形貌

圖1中的陰影部分是每顆LED芯粒的電極，兩顆LED芯粒的p電極和n電極連接在一起，將六個LED芯粒串聯(lián)起來.

為了對比隔離槽的側(cè)壁角度和電極的橋接方式對高壓LEDs性能的影響，本文制備了四種高壓LEDs，分別被記為：(a)HVLED1-1，(b)HVLED2-1，(c)HVLED1-2和(d)HVLED2-2.其中，HVLED1表示隔離槽側(cè)壁垂直于藍(lán)寶石襯底，呈直角狀;HVLED2表示隔離槽側(cè)壁與藍(lán)寶石襯底之間形成一定傾角，呈梯形狀.HVLED*-1表示橋接電極直接覆蓋在絕緣層SiO2上，HVLED*-2表示橋接電極呈空氣橋狀跨接在兩個LED芯粒之間.四種高壓LEDs的芯片結(jié)構(gòu)如圖2所示(以兩個LED芯粒之間連接為例).

圖2 四種高壓LEDs的芯片結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)中使用的LED外延片是利用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)在c面藍(lán)寶石襯底上生長得到的，具體結(jié)構(gòu)如下：圖形化的藍(lán)寶石襯底層；約3.45 μm的緩沖層；約111 nm的AlGaN；約3 μm的n-GaN；約185 nm的MQW有源區(qū)，包含14對GaN(11.5 nm)/Ga1-xInxN(2.5 nm)；約101 nm的p-GaN；在MQW與p-GaN之間有5對AlGaN/GaN作為電子阻擋層(EBL)，厚度約為44 nm.四種高壓LEDs制備的主要工藝流程如表1所示.

表1 四種HVLEDs制備的主要工藝流程

圖3 垂直狀隔離槽橫截面的SEM圖

由圖3可見，隔離槽側(cè)壁筆直地垂直于藍(lán)寶石襯底.而在HVLED2的隔離槽(或稱為梯形狀隔離槽)的制備工藝中，第②步中采用光刻膠作為阻擋層，光刻膠的型號為1520T，涂覆在LED芯片上之后，先前烘，再光刻曝光，曝光之后直接顯影，然后先用烘箱堅(jiān)膜1小時，再用熱板堅(jiān)膜30分鐘，測試膜厚為8 μm左右，且光刻膠的形狀為梯形.經(jīng)過ICP刻蝕至藍(lán)寶石襯底，隔離槽的側(cè)壁呈梯形狀.呈梯形狀隔離槽橫截面的SEM圖如圖4所示.

圖4 梯形狀隔離槽橫截面的SEM圖

由圖4可見，隔離槽壁與藍(lán)寶石襯底之間的夾角θ約為50°.

橋接電極制備工藝流程差異在于第⑥步.HVLED*-1和HVLED*-2這兩種電極橋的制作工藝流程細(xì)節(jié)如圖5所示(以HVLED1-1和HVLED1-2為例).

圖5 兩種電極橋的制作工藝流程細(xì)節(jié)

具體細(xì)節(jié)區(qū)別在于:HVLED*-1蝕刻絕緣層SiO2露出需要沉積金屬電極的位置之后，去除光刻膠，然后再進(jìn)行光刻，露出p-電極、n-電極以及電極橋的位置，如圖5(a)-1所示，然后蒸鍍金屬電極Cr/Pd/Au后作為起鍍層之后再次光刻，同樣露出p-電極、n-電極以及電極橋的位置，進(jìn)行電鍍厚金，如圖5(a)-2所示，最后剝離、合金，得到成品結(jié)構(gòu)如圖5(a)-3所示；HVLED*-2蝕刻SiO2露出需要沉積金屬電極的位置之后，保留光刻膠，如圖5(b)-1所示，直接蒸鍍金屬電極作為起鍍層，此時由于溝槽內(nèi)整體仍有光刻膠填充，因此，蒸鍍的橋接金屬電極就如同架在兩個LED芯粒之間的橋梁，然后再旋涂光刻膠并光刻，露出p-電極、n-電極和電極橋的位置，再進(jìn)行電鍍厚金，如圖5(b)-2所示，最后剝離、合金，得到成品結(jié)構(gòu)如圖5(b)-3所示.

3 結(jié)果與討論

四種HVLEDs的I-V特性曲線的測試結(jié)果如圖6所示.

圖6 四種HVLEDs的I-V曲線

圖6中的插圖顯示在20 mA的工作電流驅(qū)動下四種HVLEDs的工作電壓值.

四種HVLEDs的I-V測試數(shù)據(jù)即注入電流在20 mA和100 mA時的工作電壓值及其串聯(lián)電阻值如表2所示.

表2 四種HVLEDs的I-V測試數(shù)據(jù)

由表2可見，在相同的注入電流下，HVLED1-2的工作電壓最小，HVLED2-2的I-V曲線與HVLED1-2的I-V曲線幾乎吻合.這是因?yàn)榭涛g隔離槽之前，光刻使用的是同一塊掩膜版，工藝流程區(qū)別在于HVLED2使用光刻膠作為掩膜，通過堅(jiān)膜的工藝使光刻膠的形狀變?yōu)樘菪螤?，HVLED1使用金屬Ni作為掩膜，通過濕法刻蝕出窗口露出需要被刻蝕掉的GaN表面層.然后經(jīng)過ICP刻蝕至藍(lán)寶石襯底，這樣的工藝流程造成HVLED2的LED芯粒的有源區(qū)面積要稍微小于HVLED1的LED芯粒的有源區(qū)面積，同時由于HVLED2的隔離槽的間距要稍微大于HVLED1的隔離槽的間距，使得HVLED2的LED芯粒之間的橋接電極的長度要稍微大于HVLED1的LED芯粒之間的橋接電極的長度.眾所周知，某材料的電阻R=ρL/S.LED有源區(qū)面積較大的樣品，其串聯(lián)電阻會較小，橋接電極金屬的長度越短，其電阻也會越小.因此由空氣橋橋接的HVLED1-2就要比HVLED2-2的串聯(lián)電阻略微小一點(diǎn).對于HVLED2-1和HVLED1-1而言，由于p-GaN和n-GaN之間的高度差遠(yuǎn)低于隔離槽的高度，導(dǎo)致HVLED2-1和HVLED1-1的橋接電極長度要遠(yuǎn)長于HVLED2-2和HVLED1-2的橋接電極長度，HVLED2-1和HVLED1-1的串聯(lián)電阻就要遠(yuǎn)大于HVLED2-2和HVLED1-2的串聯(lián)電阻.HVLED2-1與HVLED1-1相比，HVLED2-1的隔離槽壁具有一定的傾角，在沉積橋接金屬電極的時候，橋接金屬電極更容易均勻地附著在隔離槽壁上；HVLED1-1的隔離槽壁垂直于藍(lán)寶石襯底，金屬電極不易附著在隔離槽壁上[13]，在相同的工藝條件下，容易造成HVLED1-1的橋接金屬電極厚度薄、橫截面積小，進(jìn)而增大HVLED1-1的串聯(lián)電阻.因此HVLED1-1的串聯(lián)電阻值要高于HVLED2-1的串聯(lián)電阻值.

四種HVLEDs的相對光強(qiáng)測試結(jié)果如圖7所示.圖7中的插圖展示了注入電流為20 mA時，四種HVLEDs的相對發(fā)光強(qiáng)度.

圖7 四種HVLEDs的相對光強(qiáng)測試結(jié)果

如圖7所示，四種HVLEDs的發(fā)光強(qiáng)度都隨著注入電流的增大而增大，注入電流相同的條件下，HVLED2-2的相對發(fā)光強(qiáng)度最高，其次為HVLED2-1，再次為HVLED1-2，最低是HVLED1-1.HVLED2的發(fā)光強(qiáng)度高于HVLED1的發(fā)光強(qiáng)度，主要原因在于LED芯粒側(cè)面具有一定傾角，增大了光線逸出角度，使得LED芯粒發(fā)出的一部分光線不會在LED芯粒之間、LED與襯底之間、LED芯粒內(nèi)部發(fā)生來回折反射，而是從LED芯粒側(cè)面直接出射到空氣中[2].HVLEDs的相鄰LED芯粒之間側(cè)壁出射光線耦合傳播的出射角度范圍如圖8所示[12]，分別是HVLED1為α，HVLED2為β.

圖8 相鄰LED芯粒之間光線耦合傳輸?shù)慕嵌仁疽鈭D

由圖8可見，顯然α>β,表明HVLED1側(cè)壁出射的光線耦合進(jìn)入相鄰LED芯粒的比例要大于HVLED2，因此HVLED2的相對發(fā)光強(qiáng)度要高于HVLED1的相對發(fā)光強(qiáng)度.HVLED*-1與HVLED*-2相比，HVLED*-1采用橋接電極金屬直接覆蓋在側(cè)壁上，橋接金屬所覆蓋側(cè)壁的位置上出射的光線會直接被覆蓋的金屬吸收；HVLED*-2橋接電極金屬是通過空氣橋的方式連接兩個LED芯粒，LED側(cè)壁出射的光線會由于出射角度的關(guān)系可以獲得更多旳機(jī)會逃逸出隔離槽；同時，HVLEDs的串聯(lián)電阻越大，熱效應(yīng)越明顯，熱效應(yīng)會降低HVLEDs的發(fā)光強(qiáng)度，表1表明HVLED*-2的串聯(lián)電阻低于HVLED*-1的串聯(lián)電阻，因此HVLED*-2相對發(fā)光強(qiáng)度要高于HVLED*-1的發(fā)光強(qiáng)度.

4 結(jié)論

本文采用不同的制備工藝流程，利用金屬Ni作為ICP刻蝕的掩膜阻擋層制備了垂直隔離槽，利用光刻膠在堅(jiān)膜過程中的形狀改變制備了梯形狀的隔離槽；在蒸鍍電極的過程中，利用光刻膠作為支撐制備了空氣橋方式的橋接金屬電極，同時也制備了傳統(tǒng)的直接覆蓋在絕緣層上的橋接金屬電極.改變橋接金屬電極的橋接方式以及LED芯粒隔離槽的側(cè)壁角度，制備了四種結(jié)構(gòu)HVLED，對這四種結(jié)構(gòu)HVLED進(jìn)行了I-V測試和I-L測試，測試結(jié)果表明，相同電流注入的情況下，采用空氣橋作為橋接金屬電極連接方式HVLED*-2的工作電壓要遠(yuǎn)低于采用金屬電極直接覆蓋在絕緣材料上作為橋接金屬電極HVLED*-1的工作電壓.HVLED*-2的串聯(lián)電阻也要低于HVLED*-1的串聯(lián)電阻.隔離槽側(cè)壁呈梯形狀的HVLED2的相對發(fā)光強(qiáng)度要高于隔離槽側(cè)壁呈直角狀的HVLED1的相對發(fā)光強(qiáng)度.LED芯粒之間的隔離槽側(cè)壁呈梯形狀，增大了光線的逸出角度，提高了光線的逸出機(jī)會；LED芯粒之間采用空氣橋進(jìn)行橋接，由于空氣橋的橋接金屬沒有直接覆蓋在LED芯粒的側(cè)壁上，LED芯粒側(cè)壁射出的光線會由于出射角度而獲得更大的逸出機(jī)會.這些都在一定程度上提高了LED光萃取效率.因此，采用空氣橋作為橋接金屬電極方式且隔離槽側(cè)壁呈梯形狀的HVLEDs的電學(xué)性能和光學(xué)性能要優(yōu)于采用傳統(tǒng)的金屬電極橋接方式、隔離槽側(cè)壁垂直的HVLEDs.