基于GaNLED芯片的反射电极结构在量产中的稳定性研究

基于GaNLED芯片的反射电极结构在量产中的稳定性研究王远红湘能华磊光电股份有限公司湖南郴州423000摘要：本文以目前GaNLED芯片量产制造中的一种主流的金属电极结构（反射电极结构)为研究对象，主要侧重从实际量产过程中如何保持该电极的稳定性，一致性方面进行了研究；研究主要从反射电极结构的第一层膜厚准确性如何实现及管控，以及其对GaNLED芯片的各项性能的影响进行了详细的研究和阐述；另外，就反射电极结构在量产过程中如何防范Al金属在后续作业以及存储过程中由于Al被慢慢腐蚀而导致的电极结构不稳定的问题也做了详细的阐述。关键词：GaNLED反射电极引言：自1993年日本中村修二发明了第一颗蓝光LED芯片以来，经过二十多年的发展，目前蓝绿光LED的应用越来越广：照明，背光显示，户外显示屏等等，让目前的LED行业进入到了一个高速发展期；目前的LED芯片的性能一直在快速提升，成本也在迅速下降，而光效始终LED芯片技术的核心指标之一：目前LED芯片制造厂家都在提升各项可靠性的同时，想尽千方百计提升发光效率；近两年来，在LED芯片制造中，芯片的反射电极结构已经基本取代了之前的CrPtAu电极结构，而其主要的原因就是因为反射电极结构与传统的CrPtAu电极结构相比能有效提高LED芯片的外量子效率：其原理是通过金属电极第一层减薄，第二层使用高反射率的金属Al,来使金属电极与GaN接触面形成反射膜，将射入到金属PAD面上的光反射回去后，通过其他角度射出芯片，从而达到提升出光效率的效果；一：反射电极结构与传统电极结构相比提升亮度的原理在GaN的外延生长完成后，其内量子效率就已经确定，在芯片制程中需要尽可能多的将光取出，也就是我们常说的外量子效率。而本文中的反射电极结构和传统电极结构相比就是提高外量子效率的一种方法：传统CrPtAu电极结构（见图一），采用的是CrPtAu三层金属，且第一层的Cr相对来说很厚，一般在200-500Å之间；而反射电极结构（见图二）主要是增加了两层：第一层的Cr和第二层的Al,其中第一层的Cr厚度相对来说很薄，一般在5-50Å之间；通过两种电极结构的对比不难发现：传统CrPtAu电极结构由于第一层的Cr很厚，而Cr材料形成的金属膜的反射率很低，吸收率较高，在膜厚为200-500Å的情况下，芯片量子阱层中发出光子射入金属PAD的光基本被第一层的Cr吸收掉，转化为热能；而反射电极结构增加的第一层的Cr和第二层的Al，Al金属膜为高反射率的金属膜，而第一层的Cr在很薄的情况下，对光的吸收效应是非常有限的：于是，在反射电极结构中，芯片射入金属PAD的光很有很大一部分通过Al金属膜再反射会芯片内部，通过其他角度射出芯片，达到增加光效的目的。图一：传统CrPtAu电极结构图二：反射电极结构二：量产中影响反射电极结构的稳定性主要因素以及其原因在实际的大批量量产过程中，反射电极与传统电极相比较，在一致性和可靠性上需要特别的注意，而导致此问题的主要有两个因素：1：量产中如何保证所有产品的第一层金属实际厚度的稳定性和一致性是影响LED芯片的光电参数的重要指标。反射电极结构中第一层金属的厚度设定是很薄的，所以在实际生产过程中第一层金属的实际厚度对芯片的光电特性（主要是正向工作电压和亮度）以及金属PAD和GaN之间的粘附性影响很大；反射电极结构中第二层AL作为反射层起到将来自于芯片内部的光反射回去的作用，但是由于Al与GaN之间的粘附性很差，如果第一层直接使用金属Al将会存在电极与GaN粘附性差的问题，所以在反射电极结构中第一层一般都使用与GaN具有良好粘附性的金属，一般都是选用金属Cr，或者金属Ni；但是为了保证第一层的金属尽可能减少对光的吸收，从提升亮度的角度考虑，第一层金属膜越薄越好，但在实际量产中又不能太薄了，太薄的情况下，会存在电极粘附性差的问题；所以在量产中，需要第一层金属能够精确的稳定在某一范围内，一般希望第一层金属的厚度能控制在±2Å的范围内；2：由于反射电极中增加了Al金属，而金属Al是一种非常活泼的金属，能够与酸，碱，以及Cl,F等卤素元素反应，所以在金属PAD工序完成后，实际第二层金属铝的侧壁是裸露在空气中的，后续工序中必须避免与酸，碱以及卤素元素的接触；会是第二层金属Al或多或少被腐蚀到，回使LED芯片产生金属电极脱落，光电性能不稳的问题。如下，就是产品在批量生产中由于长时间放置在不适当的环境中出现Al层金属发生反应，Al以上部分出现脱落的情况。图三：由于Al反应导致从Al层脱落图异常区域正常情况下电极表面状况图四：图三中正常区域EDS成分分析图图五：图三中异常区域EDS成分分析图三：量产中反射电极结构的LED芯片产品管控方法1：针对实际量产过程中如何保证第一层金属膜厚的稳定性和一致性最为关键。而决定此均匀性的主要就是所用的金属镀膜机台，机台能够控制膜厚准确度越高，则在做反射电极产品时产品越稳定，所以一般可以从以下几个方面去保证第一层金属膜的均匀性与稳定性：①选择膜厚控制精度更高的镀膜设备。在LED芯片生产行业，金属镀膜的设备一般有真空蒸发镀膜，金属溅射镀膜，还有化学方法成膜等等方法；这些金属镀膜方式，都已经在量产中已经有使用；由于化学镀膜不能镀第一层金属膜，所以肯定无法用于生产反射电极中第一层金属膜的成膜；而从对膜厚的控制上来讲，金属溅射镀膜对比真空蒸镀镀膜是具有明显优势的，所以在进行反射电极结构的金属镀膜时，如有可能，使用金属溅射镀膜将是最好的选择；②在目前业内主流使用真空蒸发镀膜时，由于第一层的膜层太薄，5-50Å的膜厚，且要管控在±2Å的范围内，使用目前量产中常用的测量手段（使用SEM或者台阶仪）根本无法进行测量。但在批量量产中如何监控每RUN镀出来的膜层厚度是一个必须的问题。在此，本文中提出一种实用的监控手段做为量产中膜厚监控的参考：即在每RUN镀膜时，在蒸镀机中每次放置2-3片K9光学玻璃片，一起进行蒸镀，镀膜完成后，通过测试穿过玻璃那一面的反射率来确定第一层金属膜厚是否稳定，如下示意图：图六：使用玻璃片测试反射率示意图在做此项监控之前，需要先建立第一层Cr不同膜厚对应不同反射率的标准图，如下表中，即是第一层Cr不同膜厚对应的不同的反射率曲线：（使用崇文SEKO-80D蒸镀设备镀膜，使用Filmetrics的F20光学测量仪测试零度角反射率）如上图，反射率从Cr膜厚为0（即完全使用铝膜反射）的89.2%到80Å时的26.8%；随着Cr膜厚的增加，反射率迅速降低；以上基础数据做好了后，即可以根据量产过程中每RUN玻璃片的反射率来对应实际的膜厚。CrK9玻璃CrPtAuAl2：针对反射电极中含Al这种化学性质非常活泼的金属，在金属电极蒸镀过程中和金属蒸镀完成后的后续的加工以及存储过程中需要非常注意，否则可能导致芯片的电性，外观等各方面的不良，具体归纳的一些注意事项主要有：①：蒸镀金属膜层时，需要较高的真空度，否则镀铝时可能存在铝层在镀膜过程中轻微氧化造成的金属体电阻偏高以及电极粘附性不好的问题；建议蒸镀要在4.0E-6torr以上；②：镀膜完成在后续的剥离，清洗，研磨清洗等等过程中接触的化学溶液必须是中性的，且经过严格测试不腐蚀铝的；③：如有可能，金属镀膜设备放在单独的隔间里，避免与ICP等其他芯片制作的常用设备放置在一起，由于ICP等制程中是使用到Cl2和BCl3的；金属镀膜后的清洗间与其他清洗间隔开，避免同一清洗间其他清洗设备中的酸碱对电极的影响。④：所有镀完了金属的半成品和成品在车间存放时，需要存放在固定的氮气柜中，不要直接长时间放在无尘室桌面等其他区域；⑤：如有可能，生产处的LED芯片尽快做到封装，只有经过封装固化后，芯片中的Al才能少的接触空气可能的水汽，酸碱，卤素等氛围；四：结论本文介绍目前GaNLED芯片量产制造中的一种主流的金属电极结构，即反射电极结构；并简单的介绍了其优势和原理；重点阐述了此种电极结构的芯片在量产制程中第一层金属的厚度的重要性，以及实际制作过程中如何监控第一层金属膜膜厚的方法；并且在最后就反射电极结构的LED芯片在后续加工过程防止金属Al被腐蚀需要注意的事项。参考文献：1：晶元光电股份有限公司公开专利《具有反射电极的发光装置》20132：三星电子株式会社公开专利《反射电极以及包括其的化合物半导体发光器件》200510078640.53：季振国《半导体物理》20053：潘群峰刘宝林《p型GaN欧姆接触的研究进展》半导体技术第29卷第8期作者简介：王远红(1985-),男，湖北武汉人，本科生，主要在GaNLED芯片企业从事技术研发，产线制造工艺维护改良等方面的工作。联系人：王远红联系方式：[e-mail]联系地址：湖南省郴州市苏仙区白露塘镇有色金属工业园华磊光电