基于GaN LED芯片的反射电极结构在量产中的稳定性研究

摘  要：以GaN LED芯片量产制造中的一种主流金属电极结构（反射电极结构）为研究对象，主要从实际量产过程中如何保持该电极的稳定性方面着手研究。该研究详细阐述了如何实现和管控反射电极结构第1层膜厚的准确性，并指出了其对GaN LED芯片各项性能的影响;同时，还详细阐述了反射电极结构在量产过程中如何防范金属铝在后续作业和在存储过程中被慢慢腐蚀而导致电极结构不稳定的问题。

关键词：GaN LED;反射电极结构;金属铝;稳定性

中图分类号：TN386             文献标识码：A               文章编号：2095-6835（2014）23-0091-02

1993年，日本中村修二发明了第1颗蓝光LED芯片。经过20多年的发展，蓝绿光LED的应用越来越广，它被广泛应用于照明、背光显示、户外显示屏等，使LED行业进入了高速发展期。虽然LED芯片的使用性能一直在快速提升、成本在迅速下降，但是，光效始终是LED芯片技术发展的核心指标之一。目前，LED芯片制造厂家在提升产品可靠性的同时，想方设法地提升其发光效率。近2年来，在LED芯片制造过程中，芯片的反射电极结构已经基本取代了之前的CrPtAu电极结构，这是因为反射电极结构与传统的CrPtAu电极结构相比，能够有效提升LED芯片的外量子效率。其工作原理是：金属电极第1层被减薄后，在第2层上使用高反射率的金属铝，使金属电极与GaN接触面形成反射膜，再将其射入到金属PAD面上的光反射回去后，通过其他角度射出芯片，从而达到提升发光效率的目的。

1  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了。在芯片制程中，要尽可能多地将光取出，也就是常说的“外量子效率”，而使用反射电极结构是提高外量子效率的方法之一。传统的CrPtAu电极结构如图1所示，它采用的是CrPtAu 3层金属，且第1层的Cr相对来说很厚，一般在200～500 ?之间。而反射电极结构如图2所示，它主要增加了2层，即第1层Cr和第2层铝。其中，第1层Cr的厚度相对来说很薄，一般在5～50 ?之间。通过比较2种电极结构不难发现，传统CrPtAu电极结构由于第1层Cr很厚，所以，Cr材料形成的金属膜的反射率很低、吸收率较高。在膜厚为200～500 ?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1层Cr吸收，并转化为热能;而反射电极结构增加的第1层Cr和第2层Al，其铝金属膜为高反射率的金属膜，而第1层Cr在很薄的情况下，对光的吸收效应是非常有限的。由此可知，在反射电极结构中，芯片射入金属PAD的光有很大一部分是通过铝金属膜再反射回芯片内部的，并通过其他角度射出芯片，以达到增加光效的目的。

 

图1  传统CrPtAu电极结构            图2  反射电极结构

2  影响反射电极结构稳定性的因素

在大批量量产过程中，反射电极与传统电极相比，需要特别注意其一致性和可靠性。而引发此问题的主要因素有两种：①在量产中，所有产品第1层金属实际厚度的稳定性和一致性是影响LED芯片光电参数的重要指标。在反射电极结构中，第1层金属厚度设定是很薄的，所以，在实际生产过程中，第1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之间的黏附性影响很大。反射电极结构中第2层铝作为反射层的作用是将来自芯片内部的光反射回去，但是，由于铝与GaN之间的黏附性很差，如果第1层直接使用金属铝将会存在电极与GaN之间黏附性差的问题，所以，在反射电极结构中，第1层一般都使用与GaN之间的黏附性较好的金属，一般都选用金属Cr或金属Ni。为了使第1层金属尽可能地减少对光的吸收，从提升亮度的角度考虑，第1层金属膜越薄越好，但在实际量产中又不能太薄了，因为如果其太薄，就会存在电极黏附性差的问题。综上所述，在量产中，需要将第1层金属精确地稳定在某一范围内——一般要将第1层金属的厚度控制在±2 ?范围内。②由于在反射电极中增加了金属铝，而它是一种非常活泼的金属，能够与酸、碱和氯、氟等卤素元素反应，所以，在金属PAD工序完成后，第2层金属铝的侧壁是裸露在空气中的，在后续工序中必须要避免其与酸、碱和卤素元素接触。而第2层金属铝或多或少会被腐蚀，这样就会使LED芯片发生金属电极脱落的情况，影响光电性能的稳定性。图3是产品在批量生产中，由于长时间放置在不适当的环境中，使金属铝发生反应，而铝层以上部分则出现了脱落的现象。

图3  由于金属铝反应导致铝层脱落示意图

图4  图3中正常区域EDS成分分析图

图5  图3中异常区域EDS成分分析图

3  LED芯片产品管控方法

在实际量产过程中，保证第1层金属膜厚的稳定性和一致性是最关键的。而其均匀性主要取决于所用的金属镀膜机台，机台控制膜厚的准确度越高，其在做反射电极产品时产品就越稳定，所以，一般可以从以下几方面入手保证第1层金属膜的均匀性和稳定性：①选择膜厚控制精度更高的镀膜设备。在LED芯片生产行业中，金属镀膜的设备一般有真空蒸发镀膜、金属溅射镀膜和化学方法成膜等，它们都已经在量产中被使用。由于化学镀膜不能镀第1层金属膜，所以，它肯定无法用于生产反射电极中第1层金属膜的成膜。而从对膜厚的控制上来讲，金属溅射镀膜与真空蒸发镀膜相比具有明显的优势，所以，在进行反射电极结构金属镀膜时，如果有可能，使用金属溅射镀膜是最好的选择。②目前，业内主要使用的是真空蒸发镀膜。由于第1层的膜层太薄，其膜厚要控制在5～50 ?，且要管控在±2 ?的范围内，所以，使用目前量产中常用的测量手段（使用SEM或台阶仪）根本无法测量。但在批量量产中，监控每RUN镀出的膜层厚度是一个重要的问题。在此，本文提出了一种实用监控手段作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两三片K9光学玻璃片一起蒸镀，镀膜完成后，通过测试穿过玻璃那一面的反射率确定第1层金属膜厚是否稳定，如图6所示。

在监控之前，要先确定不同膜厚的Cr所对应的反射率，如图7所示（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）。

如图7所示，反射率从Cr膜厚为0 A（即完全使用铝膜的

反射率）的89.2%到80 ?的26.8%，随着Cr膜厚的增加，其反射率在迅速降低。准备好上述基础数据后，即可根据量产过程中每RUN玻璃片的反射率对应实际的膜厚。

图7  反射率与Cr膜厚趋势图

如果反射电极中含铝这种化学性质非常活泼的金属，其在金属电极蒸镀过程中以及金属蒸镀完成后的后续加工和存储过程中都要注意其变化，否则可能会导致芯片的电性、外观等方面出现不良的情况，具体归纳的一些注意事项主要有：①在蒸镀金属膜层时，需要较高的真空度，否则，镀铝时可能会存在铝层在镀膜过程中轻微氧化造成金属体电阻偏高和电极黏附性不好等问题，建议蒸镀要在4.0E-6torr以上。②镀膜完成后，后续的剥离清洗、研磨清洗等过程中所接触的化学溶液必须是中性的，并要经过严格的测试，保证其不腐蚀金属铝。③如果有可能，要将金属镀膜设备放在单独的隔间里，避免其与ICP等其他芯片制作的常用设备放置在一起。由于ICP等制程中会使用到Cl2和BCl3，所以，要将金属镀膜后的清洗间与其他清洗间隔开，避免同一清洗间中其他清洗设备中的酸碱对电极造成影响。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，不能直接、长时间放在无尘室桌面等其他区域。⑤如果有可能，生产出的LED芯片要尽快封装，因为只有经过封装固化后，才能避免芯片中的铝与空气中可能含有的水汽、酸碱、卤素等接触。

4  结论

本文主要分析了GaN LED芯片量产制造中的主流金属电极结构——反射电极结构，并简单介绍了其优势和原理，重点阐述了这种电极结构的芯片在量产制程中第1层金属厚度的重要性，以及在实际制作过程中，如何监控第1层金属膜膜厚的方法，并指明了反射电极结构的LED芯片在后续加工过程防止金属铝被腐蚀的注意事项。

参考文献

[1]季振国.半导体物理[M].杭州：浙江大学出版社，2005.

[2]潘群峰，刘宝林.p型GaN欧姆接触的研究进展[J].半导体技术，2004，29（08）.

————————

作者简介：王远红（1985—），男，湖北武汉人，本科，主要从事GaN LED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。

〔编辑：白洁〕

Based on the Reflection Electrode Structure of GaN LED Chips in Quantity during Stability Studies

Wang Yuanhong

Abstract： GaN LED chip production in the manufacture of a mainstream metal electrode structure（reflective electrode structure）for the study， mainly from the actual production process， how to maintain the stability of the electrode started studying. The study described in detail how to achieve the accuracy and control structure of the first reflective electrode layer thickness， and points out its impact on the performance of GaN LED chip; also elaborated on how reflective electrode structure in the production process prevention and aluminum in subsequent jobs in the stored procedure is slowly corrode and cause instability problems electrode structure.

Key words： GaN LED; reflective electrode structure; metallic aluminum; stability

图3  由于金属铝反应导致铝层脱落示意图

图4  图3中正常区域EDS成分分析图

图5  图3中异常区域EDS成分分析图

3  LED芯片产品管控方法

在实际量产过程中，保证第1层金属膜厚的稳定性和一致性是最关键的。而其均匀性主要取决于所用的金属镀膜机台，机台控制膜厚的准确度越高，其在做反射电极产品时产品就越稳定，所以，一般可以从以下几方面入手保证第1层金属膜的均匀性和稳定性：①选择膜厚控制精度更高的镀膜设备。在LED芯片生产行业中，金属镀膜的设备一般有真空蒸发镀膜、金属溅射镀膜和化学方法成膜等，它们都已经在量产中被使用。由于化学镀膜不能镀第1层金属膜，所以，它肯定无法用于生产反射电极中第1层金属膜的成膜。而从对膜厚的控制上来讲，金属溅射镀膜与真空蒸发镀膜相比具有明显的优势，所以，在进行反射电极结构金属镀膜时，如果有可能，使用金属溅射镀膜是最好的选择。②目前，业内主要使用的是真空蒸发镀膜。由于第1层的膜层太薄，其膜厚要控制在5～50 ?，且要管控在±2 ?的范围内，所以，使用目前量产中常用的测量手段（使用SEM或台阶仪）根本无法测量。但在批量量产中，监控每RUN镀出的膜层厚度是一个重要的问题。在此，本文提出了一种实用监控手段作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两三片K9光学玻璃片一起蒸镀，镀膜完成后，通过测试穿过玻璃那一面的反射率确定第1层金属膜厚是否稳定，如图6所示。

在监控之前，要先确定不同膜厚的Cr所对应的反射率，如图7所示（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）。

如图7所示，反射率从Cr膜厚为0 A（即完全使用铝膜的

反射率）的89.2%到80 ?的26.8%，随着Cr膜厚的增加，其反射率在迅速降低。准备好上述基础数据后，即可根据量产过程中每RUN玻璃片的反射率对应实际的膜厚。

图7  反射率与Cr膜厚趋势图

如果反射电极中含铝这种化学性质非常活泼的金属，其在金属电极蒸镀过程中以及金属蒸镀完成后的后续加工和存储过程中都要注意其变化，否则可能会导致芯片的电性、外观等方面出现不良的情况，具体归纳的一些注意事项主要有：①在蒸镀金属膜层时，需要较高的真空度，否则，镀铝时可能会存在铝层在镀膜过程中轻微氧化造成金属体电阻偏高和电极黏附性不好等问题，建议蒸镀要在4.0E-6torr以上。②镀膜完成后，后续的剥离清洗、研磨清洗等过程中所接触的化学溶液必须是中性的，并要经过严格的测试，保证其不腐蚀金属铝。③如果有可能，要将金属镀膜设备放在单独的隔间里，避免其与ICP等其他芯片制作的常用设备放置在一起。由于ICP等制程中会使用到Cl2和BCl3，所以，要将金属镀膜后的清洗间与其他清洗间隔开，避免同一清洗间中其他清洗设备中的酸碱对电极造成影响。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，不能直接、长时间放在无尘室桌面等其他区域。⑤如果有可能，生产出的LED芯片要尽快封装，因为只有经过封装固化后，才能避免芯片中的铝与空气中可能含有的水汽、酸碱、卤素等接触。

4  结论

本文主要分析了GaN LED芯片量产制造中的主流金属电极结构——反射电极结构，并简单介绍了其优势和原理，重点阐述了这种电极结构的芯片在量产制程中第1层金属厚度的重要性，以及在实际制作过程中，如何监控第1层金属膜膜厚的方法，并指明了反射电极结构的LED芯片在后续加工过程防止金属铝被腐蚀的注意事项。

参考文献

[1]季振国.半导体物理[M].杭州：浙江大学出版社，2005.

[2]潘群峰，刘宝林.p型GaN欧姆接触的研究进展[J].半导体技术，2004，29（08）.

————————

作者简介：王远红（1985—），男，湖北武汉人，本科，主要从事GaN LED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。

〔编辑：白洁〕

Based on the Reflection Electrode Structure of GaN LED Chips in Quantity during Stability Studies

Wang Yuanhong

Abstract： GaN LED chip production in the manufacture of a mainstream metal electrode structure（reflective electrode structure）for the study， mainly from the actual production process， how to maintain the stability of the electrode started studying. The study described in detail how to achieve the accuracy and control structure of the first reflective electrode layer thickness， and points out its impact on the performance of GaN LED chip; also elaborated on how reflective electrode structure in the production process prevention and aluminum in subsequent jobs in the stored procedure is slowly corrode and cause instability problems electrode structure.

Key words： GaN LED; reflective electrode structure; metallic aluminum; stability

图3  由于金属铝反应导致铝层脱落示意图

图4  图3中正常区域EDS成分分析图

图5  图3中异常区域EDS成分分析图

3  LED芯片产品管控方法

在实际量产过程中，保证第1层金属膜厚的稳定性和一致性是最关键的。而其均匀性主要取决于所用的金属镀膜机台，机台控制膜厚的准确度越高，其在做反射电极产品时产品就越稳定，所以，一般可以从以下几方面入手保证第1层金属膜的均匀性和稳定性：①选择膜厚控制精度更高的镀膜设备。在LED芯片生产行业中，金属镀膜的设备一般有真空蒸发镀膜、金属溅射镀膜和化学方法成膜等，它们都已经在量产中被使用。由于化学镀膜不能镀第1层金属膜，所以，它肯定无法用于生产反射电极中第1层金属膜的成膜。而从对膜厚的控制上来讲，金属溅射镀膜与真空蒸发镀膜相比具有明显的优势，所以，在进行反射电极结构金属镀膜时，如果有可能，使用金属溅射镀膜是最好的选择。②目前，业内主要使用的是真空蒸发镀膜。由于第1层的膜层太薄，其膜厚要控制在5～50 ?，且要管控在±2 ?的范围内，所以，使用目前量产中常用的测量手段（使用SEM或台阶仪）根本无法测量。但在批量量产中，监控每RUN镀出的膜层厚度是一个重要的问题。在此，本文提出了一种实用监控手段作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两三片K9光学玻璃片一起蒸镀，镀膜完成后，通过测试穿过玻璃那一面的反射率确定第1层金属膜厚是否稳定，如图6所示。

在监控之前，要先确定不同膜厚的Cr所对应的反射率，如图7所示（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）。

如图7所示，反射率从Cr膜厚为0 A（即完全使用铝膜的

反射率）的89.2%到80 ?的26.8%，随着Cr膜厚的增加，其反射率在迅速降低。准备好上述基础数据后，即可根据量产过程中每RUN玻璃片的反射率对应实际的膜厚。

图7  反射率与Cr膜厚趋势图

如果反射电极中含铝这种化学性质非常活泼的金属，其在金属电极蒸镀过程中以及金属蒸镀完成后的后续加工和存储过程中都要注意其变化，否则可能会导致芯片的电性、外观等方面出现不良的情况，具体归纳的一些注意事项主要有：①在蒸镀金属膜层时，需要较高的真空度，否则，镀铝时可能会存在铝层在镀膜过程中轻微氧化造成金属体电阻偏高和电极黏附性不好等问题，建议蒸镀要在4.0E-6torr以上。②镀膜完成后，后续的剥离清洗、研磨清洗等过程中所接触的化学溶液必须是中性的，并要经过严格的测试，保证其不腐蚀金属铝。③如果有可能，要将金属镀膜设备放在单独的隔间里，避免其与ICP等其他芯片制作的常用设备放置在一起。由于ICP等制程中会使用到Cl2和BCl3，所以，要将金属镀膜后的清洗间与其他清洗间隔开，避免同一清洗间中其他清洗设备中的酸碱对电极造成影响。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，不能直接、长时间放在无尘室桌面等其他区域。⑤如果有可能，生产出的LED芯片要尽快封装，因为只有经过封装固化后，才能避免芯片中的铝与空气中可能含有的水汽、酸碱、卤素等接触。

4  结论

本文主要分析了GaN LED芯片量产制造中的主流金属电极结构——反射电极结构，并简单介绍了其优势和原理，重点阐述了这种电极结构的芯片在量产制程中第1层金属厚度的重要性，以及在实际制作过程中，如何监控第1层金属膜膜厚的方法，并指明了反射电极结构的LED芯片在后续加工过程防止金属铝被腐蚀的注意事项。

参考文献

[1]季振国.半导体物理[M].杭州：浙江大学出版社，2005.

[2]潘群峰，刘宝林.p型GaN欧姆接触的研究进展[J].半导体技术，2004，29（08）.

————————

作者简介：王远红（1985—），男，湖北武汉人，本科，主要从事GaN LED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。

〔编辑：白洁〕

Based on the Reflection Electrode Structure of GaN LED Chips in Quantity during Stability Studies

Wang Yuanhong

Abstract： GaN LED chip production in the manufacture of a mainstream metal electrode structure（reflective electrode structure）for the study， mainly from the actual production process， how to maintain the stability of the electrode started studying. The study described in detail how to achieve the accuracy and control structure of the first reflective electrode layer thickness， and points out its impact on the performance of GaN LED chip; also elaborated on how reflective electrode structure in the production process prevention and aluminum in subsequent jobs in the stored procedure is slowly corrode and cause instability problems electrode structure.

Key words： GaN LED; reflective electrode structure; metallic aluminum; stability