基于GaN LED芯片的反射電極結(jié)構(gòu)在量產(chǎn)中的穩(wěn)定性研究(共6頁(yè))

1、基于GaN LED芯片(xn pin)的反射電極結(jié)構(gòu)在量產(chǎn)中的穩(wěn)定性研究 王遠(yuǎn)紅 湘能華磊光電股份(gfn)有限公司 湖南郴州 423000摘要(zhiyo)： 本文以目前GaN LED芯片量產(chǎn)制造中的一種主流的金屬電極結(jié)構(gòu)（反射電極結(jié)構(gòu))為研究對(duì)象，主要側(cè)重從實(shí)際量產(chǎn)過程中如何保持該電極的穩(wěn)定性，一致性方面進(jìn)行了研究；研究主要從反射電極結(jié)構(gòu)的第一層膜厚準(zhǔn)確性如何實(shí)現(xiàn)及管控，以及其對(duì)GaN LED芯片的各項(xiàng)性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的研究和闡述；另外，就反射電極結(jié)構(gòu)在量產(chǎn)過程中如何防范Al金屬在后續(xù)作業(yè)以及存儲(chǔ)過程中由于Al被慢慢腐蝕而導(dǎo)致的電極結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題也做了詳細(xì)的闡述。關(guān)鍵詞：GaN LE

2、D 反射電極 引言： 自1993年日本中村修二發(fā)明了第一顆藍(lán)光LED芯片以來(lái)，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前藍(lán)綠光LED的應(yīng)用越來(lái)越廣：照明，背光顯示，戶外顯示屏等等，讓目前的LED行業(yè)進(jìn)入到了一個(gè)高速發(fā)展期；目前的LED芯片的性能一直在快速提升，成本也在迅速下降，而光效始終LED芯片技術(shù)的核心指標(biāo)之一：目前LED芯片制造廠家都在提升各項(xiàng)可靠性的同時(shí)，想盡千方百計(jì)提升發(fā)光效率；近兩年來(lái)，在LED芯片制造中，芯片的反射電極結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本取代了之前的CrPtAu電極結(jié)構(gòu)，而其主要的原因就是因?yàn)榉瓷潆姌O結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的CrPtAu電極結(jié)構(gòu)相比能有效提高LED芯片的外量子效率：其原理是通過金屬電極第一層減薄，第二

3、層使用高反射率的金屬Al,來(lái)使金屬電極與GaN接觸面形成反射膜，將射入到金屬PAD面上的光反射回去后，通過其他角度射出芯片，從而達(dá)到提升出光效率的效果；一：反射電極結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電極結(jié)構(gòu)相比提升亮度的原理 在GaN的外延生長(zhǎng)完成后，其內(nèi)量子效率就已經(jīng)確定，在芯片制程中需要盡可能多的將光取出，也就是我們常說(shuō)的外量子效率。而本文中的反射電極結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)電極結(jié)構(gòu)相比就是提高外量子效率的一種方法：傳統(tǒng)CrPtAu電極結(jié)構(gòu)（見圖一），采用的是CrPtAu三層金屬，且第一層的Cr相對(duì)來(lái)說(shuō)很厚，一般在200-500之間；而反射電極結(jié)構(gòu)（見圖二）主要是增加了兩層：第一層的Cr和第二層的Al,其中第一層的Cr厚度相對(duì)

4、來(lái)說(shuō)很薄，一般在5-50之間；通過兩種電極結(jié)構(gòu)的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)CrPtAu電極結(jié)構(gòu)由于第一層的Cr很厚，而Cr材料形成的金屬膜的反射率很低，吸收率較高，在膜厚為200-500的情況下，芯片量子阱層中發(fā)出光子射入金屬PAD的光基本被第一層的Cr吸收掉，轉(zhuǎn)化為熱能；而反射電極結(jié)構(gòu)增加的第一層的Cr和第二層的Al，Al金屬膜為高反射率的金屬膜，而第一層的Cr在很薄的情況下，對(duì)光的吸收效應(yīng)是非常有限的：于是，在反射電極結(jié)構(gòu)中，芯片射入金屬PAD的光很有很大一部分通過Al金屬膜再反射會(huì)芯片內(nèi)部，通過其他角度射出芯片，達(dá)到增加光效的目的。 圖一：傳統(tǒng)(chuntng)CrPtAu電極結(jié)構(gòu) 圖二：反射電

5、極結(jié)構(gòu)二：量產(chǎn)中影響反射電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要因素(yn s)以及其原因在實(shí)際的大批量量產(chǎn)過程中，反射電極與傳統(tǒng)電極相比較，在一致性和可靠性上需要特別的注意，而導(dǎo)致此問題的主要(zhyo)有兩個(gè)因素：1：量產(chǎn)中如何保證所有產(chǎn)品的第一層金屬實(shí)際厚度的穩(wěn)定性和一致性是影響LED芯片的光電參數(shù)的重要指標(biāo)。反射電極結(jié)構(gòu)中第一層金屬的厚度設(shè)定是很薄的，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中第一層金屬的實(shí)際厚度對(duì)芯片的光電特性（主要是正向工作電壓和亮度）以及金屬PAD和GaN之間的粘附性影響很大；反射電極結(jié)構(gòu)中第二層AL作為反射層起到將來(lái)自于芯片內(nèi)部的光反射回去的作用，但是由于Al與GaN之間的粘附性很差，如果第一層直接使用

6、金屬Al將會(huì)存在電極與GaN粘附性差的問題，所以在反射電極結(jié)構(gòu)中第一層一般都使用與GaN具有良好粘附性的金屬，一般都是選用金屬Cr，或者金屬Ni；但是為了保證第一層的金屬盡可能減少對(duì)光的吸收，從提升亮度的角度考慮，第一層金屬膜越薄越好，但在實(shí)際量產(chǎn)中又不能太薄了，太薄的情況下，會(huì)存在電極粘附性差的問題；所以在量產(chǎn)中，需要第一層金屬能夠精確的穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)，一般希望第一層金屬的厚度能控制在2的范圍內(nèi)；2：由于反射電極中增加了Al金屬，而金屬Al是一種非常活潑的金屬，能夠與酸，堿，以及Cl,F等鹵素元素反應(yīng)，所以在金屬PAD工序完成后，實(shí)際第二層金屬鋁的側(cè)壁是裸露在空氣中的，后續(xù)工序中必須避免與

7、酸，堿以及鹵素元素的接觸；會(huì)是第二層金屬Al或多或少被腐蝕到，回使LED芯片產(chǎn)生金屬電極脫落，光電性能不穩(wěn)的問題。如下，就是產(chǎn)品在批量生產(chǎn)中由于長(zhǎng)時(shí)間放置在不適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中出現(xiàn)Al層金屬發(fā)生反應(yīng)，Al以上部分出現(xiàn)脫落的情況。正常情況下電極表面狀況異常區(qū)域 圖三：由于Al反應(yīng)導(dǎo)致(dozh)從Al層脫落圖 圖四：圖三中正常(zhngchng)區(qū)域EDS成分分析圖 圖五：圖三中異常區(qū)域EDS成分(chng fn)分析圖三：量產(chǎn)中反射電極結(jié)構(gòu)的LED芯片產(chǎn)品管控方法1：針對(duì)實(shí)際量產(chǎn)過程中如何保證第一層金屬膜厚的穩(wěn)定性和一致性最為關(guān)鍵。而決定此均勻性的主要就是所用的金屬鍍膜機(jī)臺(tái)，機(jī)臺(tái)能夠控制(kngzh

8、)膜厚準(zhǔn)確度越高，則在做反射電極產(chǎn)品時(shí)產(chǎn)品越穩(wěn)定，所以一般可以從以下幾個(gè)方面去保證第一層金屬膜的均勻性與穩(wěn)定性：選擇膜厚控制精度更高的鍍膜設(shè)備。在LED芯片生產(chǎn)行業(yè)，金屬鍍膜的設(shè)備一般有真空蒸發(fā)鍍膜，金屬濺射鍍膜，還有化學(xué)方法成膜等等方法；這些金屬鍍膜方式，都已經(jīng)在量產(chǎn)中已經(jīng)有使用；由于化學(xué)鍍膜不能鍍第一層金屬膜，所以(suy)肯定無(wú)法用于生產(chǎn)反射電極中第一層金屬膜的成膜；而從對(duì)膜厚的控制上來(lái)講，金屬濺射鍍膜對(duì)比真空蒸鍍鍍膜是具有明顯優(yōu)勢(shì)的，所以在進(jìn)行反射電極結(jié)構(gòu)的金屬鍍膜時(shí)，如有可能，使用金屬濺射鍍膜將是最好的選擇；在目前業(yè)內(nèi)主流(zhli)使用真空蒸發(fā)鍍膜時(shí)，由于第一層的膜層太薄，5-50

9、的膜厚，且要管控在2的范圍內(nèi)，使用目前量產(chǎn)中常用的測(cè)量手段（使用SEM或者臺(tái)階儀）根本無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。但在批量量產(chǎn)中如何監(jiān)控每RUN鍍出來(lái)的膜層厚度是一個(gè)必須的問題。在此，本文中提出一種實(shí)用的監(jiān)控手段做為量產(chǎn)中膜厚監(jiān)控的參考：即在每RUN鍍膜時(shí)，在蒸鍍機(jī)中每次放置2-3片K9光學(xué)玻璃片，一起進(jìn)行蒸鍍，鍍膜完成后，通過測(cè)試穿過玻璃那一面的反射率來(lái)確定第一層金屬膜厚是否穩(wěn)定，如下示意圖： K9玻璃 Cr Pt Au Al Cr 圖六：使用玻璃片測(cè)試反射率示意圖 在做此項(xiàng)監(jiān)控之前，需要先建立第一層Cr不同膜厚對(duì)應(yīng)不同反射率的標(biāo)準(zhǔn)圖，如下表中，即是第一層Cr不同膜厚對(duì)應(yīng)的不同的反射率曲線：（使用崇文SE

10、KO-80D蒸鍍?cè)O(shè)備鍍膜，使用Filmetrics的F20光學(xué)測(cè)量?jī)x測(cè)試零度角反射率） 如上圖，反射率從Cr膜厚為0（即完全(wnqun)使用鋁膜反射）的89.2%到80時(shí)的26.8%；隨著Cr膜厚的增加，反射率迅速(xn s)降低；以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做好了后，即可以根據(jù)量產(chǎn)過程中每RUN玻璃片的反射率來(lái)對(duì)應(yīng)實(shí)際的膜厚。2：針對(duì)(zhndu)反射電極中含Al這種化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷慕饘?，在金屬電極蒸鍍過程中和金屬蒸鍍完成后的后續(xù)的加工以及存儲(chǔ)過程中需要非常注意，否則可能導(dǎo)致芯片的電性，外觀等各方面的不良，具體歸納的一些注意事項(xiàng)主要有：蒸鍍金屬膜層時(shí)，需要較高的真空度，否則鍍鋁時(shí)可能存在鋁層在鍍膜過程中

11、輕微氧化造成的金屬體電阻偏高以及電極粘附性不好的問題；建議蒸鍍要在4.0E-6torr以上；：鍍膜完成在后續(xù)的剝離，清洗，研磨清洗等等過程中接觸的化學(xué)溶液必須是中性的，且經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試不腐蝕鋁的；：如有可能，金屬鍍膜設(shè)備放在單獨(dú)的隔間里，避免與ICP等其他芯片制作的常用設(shè)備放置在一起，由于ICP等制程中是使用到Cl2和BCl3的；金屬鍍膜后的清洗間與其他清洗間隔開，避免同一清洗間其他清洗設(shè)備中的酸堿對(duì)電極的影響。：所有鍍完了金屬的半成品和成品在車間存放時(shí)，需要存放在固定的氮?dú)夤裰?，不要直接長(zhǎng)時(shí)間放在無(wú)塵室桌面等其他區(qū)域；：如有可能，生產(chǎn)處的LED芯片盡快做到封裝，只有經(jīng)過封裝固化后，芯片中的Al

12、才能少的接觸空氣可能的水汽，酸堿，鹵素等氛圍；四：結(jié)論 本文介紹目前GaN LED芯片量產(chǎn)制造中的一種主流的金屬電極結(jié)構(gòu)，即反射電極結(jié)構(gòu)；并簡(jiǎn)單的介紹了其優(yōu)勢(shì)和原理；重點(diǎn)闡述了此種電極結(jié)構(gòu)的芯片在量產(chǎn)制程中第一層金屬的厚度的重要性，以及實(shí)際制作過程中如何監(jiān)控第一層金屬膜膜厚的方法；并且在最后就反射電極結(jié)構(gòu)的LED芯片在后續(xù)加工過程防止金屬Al被腐蝕需要注意的事項(xiàng)。參考文獻(xiàn)：1：晶元光電股份有限公司 公開(gngki)專利具有反射電極的發(fā)光裝置 20132：三星電子株式會(huì)社 公開(gngki)專利反射電極以及(yj)包括其的化合物半導(dǎo)體發(fā)光器件200510078640.53：季振國(guó) 半導(dǎo)體物理 20053：潘群峰 劉寶林 p 型GaN 歐姆接觸的研究進(jìn)展 半導(dǎo)體技術(shù)第29卷第8期作者簡(jiǎn)介：王遠(yuǎn)紅(1985-),男，湖北武漢人，本科生，主要在GaN LED芯片企業(yè)從事技術(shù)研發(fā)，產(chǎn)線制造工藝維護(hù)改良等方面的工作。聯(lián)系人： 王遠(yuǎn)紅聯(lián)系方式0735-2116788-83