隔离槽角度和电极桥对高压LEDs性能的影响

卫静婷，黎 斌

广东开放大学(广东理工职业学院)工程技术学院，广东 广州 510091)

0 引言

GaN基发光二极管(LED)具有高亮度、高功率、体积小、寿命长、易于集成、适应外部恶劣环境等优点，近年来，已广泛应用于汽车照明前灯、户外显示器、液晶显示器背光源、各种手持电子产品、打印机等设备中[1].经过数十年的发展，LED在全球通用照明领域中扮演着越来越重要的角色，应用于该领域的产品主要限于大功率LED[2].众所周知，大功率芯片的驱动电流较大，而在大电流驱动下，会出现LED效率跌落(efficiency droop)的现象，造成这种现象的原因被归为以下几种机制：载流子注入效率低[3]，非辐射俄歇复合[4]，非辐射缺陷复合[5]，等等.具体原因仍待商榷，但是被归结为一点：有源区内的电流扩展不均匀.为了解决这个问题，国内外研究学者提出了高压LEDs，即将一个大尺寸LED芯片的外延层分割成数个LED芯粒，然后通过电极桥接的方式将这些LED芯粒串联起来[6-9].与传统的大功率芯片相比，在相同功率下，高压LEDs的工作电压高，驱动电流小，而且，高压LEDs可以降低功率损耗，提高电流在LED单元有源区内扩展的均匀性，进而改善器件性能.

高压LEDs的制备工艺中，将单颗LED芯片的发光区域分离成多个相互绝缘的LED芯粒的隔离工艺和LED芯粒之间的电极桥接工艺是影响高压LEDs性能的关键因素.有研究表明，LED芯粒之间的隔离槽的间距会影响到高压LEDs的出光效率[10-12].改变隔离槽的间距大小并未对高压LEDs的EL测试峰值产生影响，因为LED外延片是在蓝宝石衬底上生长，其散热情况相同[11].随着隔离槽间距的增加，光线由一个LED芯粒射出后被相邻LED芯粒吸收的概率降低，从而增大了高压LEDs的光输出功率，但是间距过大又会导致有源区面积减少，进而降低光输出功率[12].高压LEDs是用金属电极以桥接的方式将LED芯粒串联在一起实现的，隔离槽边缘陡峭，金属电极在沉积的过程中会造成隔离槽垂直壁上覆盖的金属厚度不均匀以及断裂的现象[13]，导致芯粒之间的互联的可靠性能差.因此，在隔离槽的刻蚀过程中，通过控制刻蚀条件，使隔离沟槽具有一定的倾角，增加金属电极桥接的稳定性[12,14].本文通过改变掩膜的工艺条件，利用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀出侧壁呈直角状和侧壁呈梯形状的两种隔离槽，采用直接在绝缘层上覆盖桥接金属电极和采用空气桥作为桥接金属电极的两种桥接方式，制备出四种六芯粒串联的高压LEDs，并对这四种高压LEDs芯片进行电学和光学性能测试，以作对比.

1 高压LEDs的设计方案

本文制备的高压LEDs的整体尺寸为1.3 mm×1.3 mm，考虑到芯片在工作时，各芯粒的注入电流密度的均匀性会影响芯片整体的性能，因此，芯粒的尺寸要尽量保持一致.文中的高压LEDs是将一个整体分隔为6个尺寸大小相同的芯粒后串联而成，每个芯粒的尺寸为：330 μm*540 μm，整颗芯片的形貌图如图1所示.

图1 高压LEDs整颗芯片的形貌

图1中的阴影部分是每颗LED芯粒的电极，两颗LED芯粒的p电极和n电极连接在一起，将六个LED芯粒串联起来.

为了对比隔离槽的侧壁角度和电极的桥接方式对高压LEDs性能的影响，本文制备了四种高压LEDs，分别被记为：(a)HVLED1-1，(b)HVLED2-1，(c)HVLED1-2和(d)HVLED2-2.其中，HVLED1表示隔离槽侧壁垂直于蓝宝石衬底，呈直角状;HVLED2表示隔离槽侧壁与蓝宝石衬底之间形成一定倾角，呈梯形状.HVLED*-1表示桥接电极直接覆盖在绝缘层SiO2上，HVLED*-2表示桥接电极呈空气桥状跨接在两个LED芯粒之间.四种高压LEDs的芯片结构如图2所示(以两个LED芯粒之间连接为例).

图2 四种高压LEDs的芯片结构

2 实验过程

实验中使用的LED外延片是利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)在c面蓝宝石衬底上生长得到的，具体结构如下：图形化的蓝宝石衬底层；约3.45 μm的缓冲层；约111 nm的AlGaN；约3 μm的n-GaN；约185 nm的MQW有源区，包含14对GaN(11.5 nm)/Ga1-xInxN(2.5 nm)；约101 nm的p-GaN；在MQW与p-GaN之间有5对AlGaN/GaN作为电子阻挡层(EBL)，厚度约为44 nm.四种高压LEDs制备的主要工艺流程如表1所示.

表1 四种HVLEDs制备的主要工艺流程

图3 垂直状隔离槽横截面的SEM图

由图3可见，隔离槽侧壁笔直地垂直于蓝宝石衬底.而在HVLED2的隔离槽(或称为梯形状隔离槽)的制备工艺中，第②步中采用光刻胶作为阻挡层，光刻胶的型号为1520T，涂覆在LED芯片上之后，先前烘，再光刻曝光，曝光之后直接显影，然后先用烘箱坚膜1小时，再用热板坚膜30分钟，测试膜厚为8 μm左右，且光刻胶的形状为梯形.经过ICP刻蚀至蓝宝石衬底，隔离槽的侧壁呈梯形状.呈梯形状隔离槽横截面的SEM图如图4所示.

图4 梯形状隔离槽横截面的SEM图

由图4可见，隔离槽壁与蓝宝石衬底之间的夹角θ约为50°.

桥接电极制备工艺流程差异在于第⑥步.HVLED*-1和HVLED*-2这两种电极桥的制作工艺流程细节如图5所示(以HVLED1-1和HVLED1-2为例).

图5 两种电极桥的制作工艺流程细节

具体细节区别在于:HVLED*-1蚀刻绝缘层SiO2露出需要沉积金属电极的位置之后，去除光刻胶，然后再进行光刻，露出p-电极、n-电极以及电极桥的位置，如图5(a)-1所示，然后蒸镀金属电极Cr/Pd/Au后作为起镀层之后再次光刻，同样露出p-电极、n-电极以及电极桥的位置，进行电镀厚金，如图5(a)-2所示，最后剥离、合金，得到成品结构如图5(a)-3所示；HVLED*-2蚀刻SiO2露出需要沉积金属电极的位置之后，保留光刻胶，如图5(b)-1所示，直接蒸镀金属电极作为起镀层，此时由于沟槽内整体仍有光刻胶填充，因此，蒸镀的桥接金属电极就如同架在两个LED芯粒之间的桥梁，然后再旋涂光刻胶并光刻，露出p-电极、n-电极和电极桥的位置，再进行电镀厚金，如图5(b)-2所示，最后剥离、合金，得到成品结构如图5(b)-3所示.

3 结果与讨论

四种HVLEDs的I-V特性曲线的测试结果如图6所示.

图6 四种HVLEDs的I-V曲线

图6中的插图显示在20 mA的工作电流驱动下四种HVLEDs的工作电压值.

四种HVLEDs的I-V测试数据即注入电流在20 mA和100 mA时的工作电压值及其串联电阻值如表2所示.

表2 四种HVLEDs的I-V测试数据

由表2可见，在相同的注入电流下，HVLED1-2的工作电压最小，HVLED2-2的I-V曲线与HVLED1-2的I-V曲线几乎吻合.这是因为刻蚀隔离槽之前，光刻使用的是同一块掩膜版，工艺流程区别在于HVLED2使用光刻胶作为掩膜，通过坚膜的工艺使光刻胶的形状变为梯形状，HVLED1使用金属Ni作为掩膜，通过湿法刻蚀出窗口露出需要被刻蚀掉的GaN表面层.然后经过ICP刻蚀至蓝宝石衬底，这样的工艺流程造成HVLED2的LED芯粒的有源区面积要稍微小于HVLED1的LED芯粒的有源区面积，同时由于HVLED2的隔离槽的间距要稍微大于HVLED1的隔离槽的间距，使得HVLED2的LED芯粒之间的桥接电极的长度要稍微大于HVLED1的LED芯粒之间的桥接电极的长度.众所周知，某材料的电阻R=ρL/S.LED有源区面积较大的样品，其串联电阻会较小，桥接电极金属的长度越短，其电阻也会越小.因此由空气桥桥接的HVLED1-2就要比HVLED2-2的串联电阻略微小一点.对于HVLED2-1和HVLED1-1而言，由于p-GaN和n-GaN之间的高度差远低于隔离槽的高度，导致HVLED2-1和HVLED1-1的桥接电极长度要远长于HVLED2-2和HVLED1-2的桥接电极长度，HVLED2-1和HVLED1-1的串联电阻就要远大于HVLED2-2和HVLED1-2的串联电阻.HVLED2-1与HVLED1-1相比，HVLED2-1的隔离槽壁具有一定的倾角，在沉积桥接金属电极的时候，桥接金属电极更容易均匀地附着在隔离槽壁上；HVLED1-1的隔离槽壁垂直于蓝宝石衬底，金属电极不易附着在隔离槽壁上[13]，在相同的工艺条件下，容易造成HVLED1-1的桥接金属电极厚度薄、横截面积小，进而增大HVLED1-1的串联电阻.因此HVLED1-1的串联电阻值要高于HVLED2-1的串联电阻值.

四种HVLEDs的相对光强测试结果如图7所示.图7中的插图展示了注入电流为20 mA时，四种HVLEDs的相对发光强度.

图7 四种HVLEDs的相对光强测试结果

如图7所示，四种HVLEDs的发光强度都随着注入电流的增大而增大，注入电流相同的条件下，HVLED2-2的相对发光强度最高，其次为HVLED2-1，再次为HVLED1-2，最低是HVLED1-1.HVLED2的发光强度高于HVLED1的发光强度，主要原因在于LED芯粒侧面具有一定倾角，增大了光线逸出角度，使得LED芯粒发出的一部分光线不会在LED芯粒之间、LED与衬底之间、LED芯粒内部发生来回折反射，而是从LED芯粒侧面直接出射到空气中[2].HVLEDs的相邻LED芯粒之间侧壁出射光线耦合传播的出射角度范围如图8所示[12]，分别是HVLED1为α，HVLED2为β.

图8 相邻LED芯粒之间光线耦合传输的角度示意图

由图8可见，显然α>β,表明HVLED1侧壁出射的光线耦合进入相邻LED芯粒的比例要大于HVLED2，因此HVLED2的相对发光强度要高于HVLED1的相对发光强度.HVLED*-1与HVLED*-2相比，HVLED*-1采用桥接电极金属直接覆盖在侧壁上，桥接金属所覆盖侧壁的位置上出射的光线会直接被覆盖的金属吸收；HVLED*-2桥接电极金属是通过空气桥的方式连接两个LED芯粒，LED侧壁出射的光线会由于出射角度的关系可以获得更多旳机会逃逸出隔离槽；同时，HVLEDs的串联电阻越大，热效应越明显，热效应会降低HVLEDs的发光强度，表1表明HVLED*-2的串联电阻低于HVLED*-1的串联电阻，因此HVLED*-2相对发光强度要高于HVLED*-1的发光强度.

4 结论

本文采用不同的制备工艺流程，利用金属Ni作为ICP刻蚀的掩膜阻挡层制备了垂直隔离槽，利用光刻胶在坚膜过程中的形状改变制备了梯形状的隔离槽；在蒸镀电极的过程中，利用光刻胶作为支撑制备了空气桥方式的桥接金属电极，同时也制备了传统的直接覆盖在绝缘层上的桥接金属电极.改变桥接金属电极的桥接方式以及LED芯粒隔离槽的侧壁角度，制备了四种结构HVLED，对这四种结构HVLED进行了I-V测试和I-L测试，测试结果表明，相同电流注入的情况下，采用空气桥作为桥接金属电极连接方式HVLED*-2的工作电压要远低于采用金属电极直接覆盖在绝缘材料上作为桥接金属电极HVLED*-1的工作电压.HVLED*-2的串联电阻也要低于HVLED*-1的串联电阻.隔离槽侧壁呈梯形状的HVLED2的相对发光强度要高于隔离槽侧壁呈直角状的HVLED1的相对发光强度.LED芯粒之间的隔离槽侧壁呈梯形状，增大了光线的逸出角度，提高了光线的逸出机会；LED芯粒之间采用空气桥进行桥接，由于空气桥的桥接金属没有直接覆盖在LED芯粒的侧壁上，LED芯粒侧壁射出的光线会由于出射角度而获得更大的逸出机会.这些都在一定程度上提高了LED光萃取效率.因此，采用空气桥作为桥接金属电极方式且隔离槽侧壁呈梯形状的HVLEDs的电学性能和光学性能要优于采用传统的金属电极桥接方式、隔离槽侧壁垂直的HVLEDs.