电流阻挡层对大功率LED光电热特性的影响

杨 新， 郭伟玲， 王嘉露， 邓 杰， 邰建鹏， 孙 捷

北京工业大学光电子技术省部共建教育部重点实验室， 北京 100124

引 言

发光二极管(LED)由于其高效节能， 体积小， 寿命长等优点， 被广泛应用于室内照明， 屏幕显示等领域。 芯片的内量子效率和光提取效率决定了LED芯片的外量子效率， 随着宽禁带半导体材料GaN的迅速发展， LED的内量子效率达到80%， 甚至更高， 但其光提取效率却没有随着内量子效率的提高而显著的改善， 外量子效率仍然偏低。 因此， 如何提高LED芯片的光提取效率成为现阶段LED芯片发展的主要问题。

目前， 通过改变芯片形状， 表面粗化[1]等方法可以达到提高芯片出光效率的目的。 此外， 在LED芯片的电极和p-GaN之间蒸镀一层氧化铟锡(indium-tin-oxide, ITO)也是改善电流扩展的主要方式[2]， 但由于ITO方块电阻比n-GaN更大， 使得P电极附近的电流仍然很大。 为进一步提高LED的光提取效率， 刘梦玲等采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术， 在金属电极正下方的透明导电层和p-GaN之间沉积一层绝缘层介质(如SiO2, Si3N4等)作为电流阻挡层(current blocking layer, CBL)， 以改善LED芯片内电流密度分布， 并减轻电流在P电极附近的拥挤现象， 从而提高光提取效率及芯片的整体性能[3]。 2014年， 马莉[4]等在常规的AlGaInP系LED基础上引入了电流阻挡层、 DBR反射镜和复合电流输运增透窗口层， 其中阻挡层为SiO2薄膜。 在20 mA电流下， 新型LED的光功率约为常规LED的1.8倍。 陈才佳[5]等制备了5组不同的电极结构， 其中对比了有无CBL结构LED的光功率， SiO2CBL使光功率提升了4.9%， 电压增加了约0.05 V。 目前， 使用PECVD形成的SiO2层作为CBL是应用最为广泛的， 但仍有学者在研究工艺更为简单， 性能提升更高的CBL技术， Chiou[6]等采用氩等离子体处理技术， 选择性破坏了P电极下的P-GaN表面作为CBL。 Chiou认为氩等离子体处理比PECVD技术制备SiO2CBL更为容易。 然而尽管氩等离子体处理的LED提高了器件的光提取率， 但其抗ESD能力却是最差的。

本文采用PECVD在P电极正下方的ITO透明导电层和p-GaN之间沉积一层SiO2， 并通过湿法腐蚀制备了具有与金属电极相同形状的电流阻挡层， 并与无CBL结构的LED器件分别进行封装前的裸芯性能对比， 及封装后的热特性及变电流光电特性对比， 讨论分析了CBL结构对大功率LED光电热特性的影响。

1 实验部分

实验使用通过金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上生长的InGaN/GaN多量子阱外延片。 首先外延片用丙酮和无水乙醇各煮沸两次进行清洗， 并用大量去离子水清洗， 氮气吹干， 以排除外延片上的油污等对后续工序的影响。 然后使用PECVD在外延片上生长SiO2作掩膜， 光刻mesa图形， 湿法腐蚀SiO2， 去胶在外延片上得到mesa图形， 再通过感应耦合等离子刻蚀(ICP)方法刻蚀N台面， 深度约为1.2 μm。

图1 (a)LED结构示意图; (b)实际LED器件图

其次在外延片上生长100 nm的SiO2， 光刻并使用BOE湿法腐蚀出CBL图形， 为达到最好的输出光功率和光电转换效率提升， 制备的电流阻挡层与电极形状相同[7]， 其宽度为15 μm。 腐蚀出CBL图形后， 在其上使用反转胶光刻出ITO图形， 采用溅射台溅射120nm ITO作为透明导电层， 超声剥离得到ITO的图形。 芯片在氮气环境下350 ℃快速退火30 s， 使ITO与P-GaN之间形成良好的欧姆接触。 在P台面和N台面上使用反转胶光刻电极图形， 溅射金属Cr/Al/Cr/Pt/Au后采用超声剥离形成金属电极， 极条宽度为5 μm。 最后将芯片进行减薄、 划片、 裂片， 并压焊测试。 另一组除了无CBL结构外， 芯片制备工艺过程和结构均相同。 器件示意图及实际器件如图1所示， 芯片尺寸规格为32 mil×32 mil(800 μm×800 μm)。

2 结果与讨论

2.1 封装前裸芯性能测试分析

将晶圆进行研磨、 划片切成晶粒后， 得到有CBL结构的晶粒颗数3 030颗， 无CBL的为3054颗。 将晶粒翻转至蓝膜上， 进行整体的光电参数测试， 主要测试了芯片的正向偏压(VF)， 亮度(LOP)及主波长(WD)。 在测试电流350 mA下得到芯片分布如图2所示。

由图2可知， 无论有无CBL结构的LED芯片， 正向偏压均主要集中在3～3.1 V内， 其中无CBL结构的芯片占其总数的93.58%， 有CBL结构的芯片有91.95%。 无CBL结构的LED芯片有31.11%光功率在340～350 mW， 53.77%在350～360 mW之间； 而有CBL的芯片光功率主要集中在360～370 mW。 据器件的结构， SiO2电流阻挡层位于P电极正下方， 透明导电层与P-GaN之间， 阻挡了电流朝P电极正下方的扩散， 减少流向P电极金属下有源区的电流密度， 故减小了由P电极对光吸收和遮挡造成的光损失。 并通过CBL将电流引导至远离P电极的区域， 减小电极周围的电流拥挤[8]。 可见CBL结构在LED芯片的光提取效率方面有明显的改善作用。 而两种芯片的主波长均主要集中在460～462.5 nm之间， 说明插入CBL结构对LED芯片的出光品质基本没有影响。

2.2 封装后热特性及变电流光电特性测试分析

裸芯性能测试后将芯片封装在SMD3535的支架上制备白光LED， 最后将其焊接在5630铝基板上。 两种样品各随机选取4支， 利用浙大三色LED-201测试仪进行热特性及变电流光电特性测试。

首先在环境温度25 ℃， 350 mA工作电流下， 测得样品的光电参数及热阻。 4支封装后无CBL结构LED器件的平均工作电压为3.123 V， 有CBL结构LED为3.16 V。 二者较裸芯工作电压均略有增加， 这是因为将芯片封装后， LED器件内部存在PN结-金属热沉-PCB板这一路径的串联电阻[9]， 器件内部电阻大于裸芯内阻， 因此电压增加。 同时由于插入CBL结构使ITO与p-GaN之间的欧姆接触面积减小， 增大了电流传输路径中的串联电阻， 有CBL结构的LED器件比无CBL结构高约0.04 V。 比较有无CBL结构器件的光功率可知， 有CBL结构的LED提升了9.96%。

图2 (a)芯片电压分布统计图； (b)芯片输出光功率分布统计图； (c)芯片主波长分布统计图

Fig.2 (a) Chip voltage distribution chart； (b) Chip light output power distribution chart； (c) Chip main wavelength distribution chart

图3为有无CBL结构LED的归一化热阻。 图中可看出有CBL结构的LED热阻较无CBL器件低22%， 由上述器件结构可知， CBL结构能缓解大电流下P电极附近的电流拥挤效应， 使电流分布更均匀， 减少器件发热[10]。 因此CBL结构使器件产热大大减少， 结温降低， 热阻明显小于无CBL结构的LED器件。

对两种样品进行变电流光电参数测试， 工作电流范围为10～600 mA, 在环境温度25℃下测得发光光谱， 光功率， 电压参数变化趋势如图4所示。

图3 有无CBL LED归一化热阻

图4 (a)无CBL LED光谱随工作电流的变化； (b)有CBL LED光谱随工作电流的变化； (c)光功率随工作电流的变化； (d)正向电压随工作电流的变化

Fig.4 (a) Spectra of LED without CBL in different current； (b) Spectra of LED with CBL in different current； (c) Light output power with different current； (d) Dorward voltage with different current

随着工作电流的变化， 两种器件的光学性能均发生改变。 图4(a)和(b)显示有无CBL结构LED在不同驱动电流下的光谱曲线， 从图可以看出光谱曲线随着电流的增加发光波长出现蓝移。 这是因为当注入大电流时， 高密度电子和空穴移向阱的不同方向， 并产生与极化电场方向相反的电场， 部分削弱量子阱中极化电场的强度， 使发光波长发生蓝移[11]。 而随着驱动电流的增加， 有CBL结构的LED主波长由563 nm偏移至557 nm， 无CBL结构LED主波长由561 nm偏移至545 nm， 偏移量较有CBL结构LED多10 nm， 可见有CBL结构的LED光谱漂移更小， 驱动电流变化对其显色性能影响程度也更小。

由图4(c)可知， 由于辐射复合几率随着电流增大而增大， 因此两种器件的光功率均随着工作电流而增加， 当电流增大到一定程度后， 辐射复合趋于饱和， 故辐射通量的增加趋势渐缓， 最终趋于饱和甚至略有下降[12]。 观察两种样品的光功率变化差异， 发现在小电流条件下两种器件的光功率基本相同， 随着电流增大， CBL结构对器件光提取效率的改善愈发明显。 在工作电流为350 mA下， 有CBL结构的LED光功率提高了9.96%， 而在600 mA下， 提高了23.7%。 可见600 mA下CBL结构对光功率的提升更可观。

图4(d)为正向电压随工作电流的变化趋势。 由图可知两种器件的正向电压均随工作电流的增大而增大， 且在小电流条件下， 两种器件的正向电压相差不大， 而随着电流的增加二者之间的电压差呈增大的趋势。 由上述热阻分析可知， CBL结构使器件电流分布更均匀， 减少了器件发热， 而正向电压随温度的升高而下降[13]。 因此相同的大电流下， 无CBL结构的LED结温更高， 正向电压更低， 且随电流的增大二者之间的电压差增大。

3 结 论

实验通过在P电极正下方的ITO透明导电层和p-GaN之间沉积一层SiO2薄膜作为电流阻挡层(CBL)， 制备了有无CBL结构的两种大功率LED器件， 并对器件分别进行了封装前的裸芯性能对比， 及封装后的热特性及变电流光电特性对比。 实验表明小电流条件下两种器件的光功率基本相同， 随着电流增大， CBL结构对器件光提取效率改善效果愈加明显； 两种器件的光谱曲线均随电流增大发生蓝移， 且有CBL结构的LED光谱漂移更小， 故其显色性能受电流影响更小。 在350 mA电流下， 无CBL结构的LED结温更高， 正向电压更低， 且随电流的增大二者之间的电压差增大； 而有CBL结构LED热阻明显小于无CBL器件， 说明其产热更少。 可以看出CBL结构改善了LED芯片有源区电流密度分布， 并降低了流向P电极正下方有源区的电流密度， 从而减少P电极对光的吸收， 减轻了电流在P电极附近的拥挤现象， 减少器件的产热量， 最终使器件的光提取效率得到了较大的改善， 并使其光谱漂移更小， 显色性能更为稳定。

致谢： 感谢湘能华磊光电股份有限公司对本次实验的技术支持， 及周智斌先生对此次实验的悉心指导。