1、基于GaN LED芯片(xn pin)的反射電極結構在量產中的穩定性研究 王遠紅 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芯片量產制造中的一種主流的金屬電極結構（反射電極結構)為研究對象，主要側重從實際量產過程中如何保持該電極的穩定性，一致性方面進行了研究；研究主要從反射電極結構的第一層膜厚準確性如何實現及管控，以及其對GaN LED芯片的各項性能的影響進行了詳細的研究和闡述；另外，就反射電極結構在量產過程中如何防范Al金屬在后續作業以及存儲過程中由于Al被慢慢腐蝕而導致的電極結構不穩定的問題也做了詳細的闡述。關鍵詞：GaN LE

2、D 反射電極 引言： 自1993年日本中村修二發明了第一顆藍光LED芯片以來，經過二十多年的發展，目前藍綠光LED的應用越來越廣：照明，背光顯示，戶外顯示屏等等，讓目前的LED行業進入到了一個高速發展期；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芯片技術的核心指標之一：目前LED芯片制造廠家都在提升各項可靠性的同時，想盡千方百計提升發光效率；近兩年來，在LED芯片制造中，芯片的反射電極結構已經基本取代了之前的CrPtAu電極結構，而其主要的原因就是因為反射電極結構與傳統的CrPtAu電極結構相比能有效提高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，從而達到提升出光效率的效果；一：反射電極結構與傳統電極結構相比提升亮度的原理 在GaN的外延生長完成后，其內量子效率就已經確定，在芯片制程中需要盡可能多的將光取出，也就是我們常說的外量子效率。而本文中的反射電極結構和傳統電極結構相比就是提高外量子效率的一種方法：傳統CrPtAu電極結構（見圖一），采用的是CrPtAu三層金屬，且第一層的Cr相對來說很厚，一般在200-500之間；而反射電極結構（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

4、來說很薄，一般在5-50之間；通過兩種電極結構的對比不難發現：傳統CrPtAu電極結構由于第一層的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，芯片量子阱層中發出光子射入金屬PAD的光基本被第一層的Cr吸收掉，轉化為熱能；而反射電極結構增加的第一層的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，對光的吸收效應是非常有限的：于是，在反射電極結構中，芯片射入金屬PAD的光很有很大一部分通過Al金屬膜再反射會芯片內部，通過其他角度射出芯片，達到增加光效的目的。 圖一：傳統(chuntng)CrPtAu電極結構 圖二：反射電

5、極結構二：量產中影響反射電極結構的穩定性主要因素(yn s)以及其原因在實際的大批量量產過程中，反射電極與傳統電極相比較，在一致性和可靠性上需要特別的注意，而導致此問題的主要(zhyo)有兩個因素：1：量產中如何保證所有產品的第一層金屬實際厚度的穩定性和一致性是影響LED芯片的光電參數的重要指標。反射電極結構中第一層金屬的厚度設定是很薄的，所以在實際生產過程中第一層金屬的實際厚度對芯片的光電特性（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；反射電極結構中第二層AL作為反射層起到將來自于芯片內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將會存在電極與GaN粘附性差的問題，所以在反射電極結構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，但在實際量產中又不能太薄了，太薄的情況下，會存在電極粘附性差的問題；所以在量產中，需要第一層金屬能夠精確的穩定在某一范圍內，一般希望第一層金屬的厚度能控制在2的范圍內；2：由于反射電極中增加了Al金屬，而金屬Al是一種非?；顫姷慕饘?，能夠與酸，堿，以及Cl,F等鹵素元素反應，所以在金屬PAD工序完成后，實際第二層金屬鋁的側壁是裸露在空氣中的，后續工序中必須避免與

7、酸，堿以及鹵素元素的接觸；會是第二層金屬Al或多或少被腐蝕到，回使LED芯片產生金屬電極脫落，光電性能不穩的問題。如下，就是產品在批量生產中由于長時間放置在不適當的環境中出現Al層金屬發生反應，Al以上部分出現脫落的情況。正常情況下電極表面狀況異常區域 圖三：由于Al反應導致(dozh)從Al層脫落圖 圖四：圖三中正常(zhngchng)區域EDS成分分析圖 圖五：圖三中異常區域EDS成分(chng fn)分析圖三：量產中反射電極結構的LED芯片產品管控方法1：針對實際量產過程中如何保證第一層金屬膜厚的穩定性和一致性最為關鍵。而決定此均勻性的主要就是所用的金屬鍍膜機臺，機臺能夠控制(kngzh

8、)膜厚準確度越高，則在做反射電極產品時產品越穩定，所以一般可以從以下幾個方面去保證第一層金屬膜的均勻性與穩定性：選擇膜厚控制精度更高的鍍膜設備。在LED芯片生產行業，金屬鍍膜的設備一般有真空蒸發鍍膜，金屬濺射鍍膜，還有化學方法成膜等等方法；這些金屬鍍膜方式，都已經在量產中已經有使用；由于化學鍍膜不能鍍第一層金屬膜，所以(suy)肯定無法用于生產反射電極中第一層金屬膜的成膜；而從對膜厚的控制上來講，金屬濺射鍍膜對比真空蒸鍍鍍膜是具有明顯優勢的，所以在進行反射電極結構的金屬鍍膜時，如有可能，使用金屬濺射鍍膜將是最好的選擇；在目前業內主流(zhli)使用真空蒸發鍍膜時，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，使用目前量產中常用的測量手段（使用SEM或者臺階儀）根本無法進行測量。但在批量量產中如何監控每RUN鍍出來的膜層厚度是一個必須的問題。在此，本文中提出一種實用的監控手段做為量產中膜厚監控的參考：即在每RUN鍍膜時，在蒸鍍機中每次放置2-3片K9光學玻璃片，一起進行蒸鍍，鍍膜完成后，通過測試穿過玻璃那一面的反射率來確定第一層金屬膜厚是否穩定，如下示意圖： K9玻璃 Cr Pt Au Al Cr 圖六：使用玻璃片測試反射率示意圖 在做此項監控之前，需要先建立第一層Cr不同膜厚對應不同反射率的標準圖，如下表中，即是第一層Cr不同膜厚對應的不同的反射率曲線：（使用崇文SE

10、KO-80D蒸鍍設備鍍膜，使用Filmetrics的F20光學測量儀測試零度角反射率） 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時的26.8%；隨著Cr膜厚的增加，反射率迅速(xn s)降低；以上基礎數據做好了后，即可以根據量產過程中每RUN玻璃片的反射率來對應實際的膜厚。2：針對(zhndu)反射電極中含Al這種化學性質非?；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的加工以及存儲過程中需要非常注意，否則可能導致芯片的電性，外觀等各方面的不良，具體歸納的一些注意事項主要有：蒸鍍金屬膜層時，需要較高的真空度，否則鍍鋁時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；：鍍膜完成在后續的剝離，清洗，研磨清洗等等過程中接觸的化學溶液必須是中性的，且經過嚴格測試不腐蝕鋁的；：如有可能，金屬鍍膜設備放在單獨的隔間里，避免與ICP等其他芯片制作的常用設備放置在一起，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備中的酸堿對電極的影響。：所有鍍完了金屬的半成品和成品在車間存放時，需要存放在固定的氮氣柜中，不要直接長時間放在無塵室桌面等其他區域；：如有可能，生產處的LED芯片盡快做到封裝，只有經過封裝固化后，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：結論 本文介紹目前GaN LED芯片量產制造中的一種主流的金屬電極結構，即反射電極結構；并簡單的介紹了其優勢和原理；重點闡述了此種電極結構的芯片在量產制程中第一層金屬的厚度的重要性，以及實際制作過程中如何監控第一層金屬膜膜厚的方法；并且在最后就反射電極結構的LED芯片在后續加工過程防止金屬Al被腐蝕需要注意的事項。參考文獻：1：晶元光電股份有限公司 公開(gngki)專利具有反射電極的發光裝置 20132：三星電子株式會社 公開(gngki)專利反射電極以及(yj)包括其的化合物半導體發光器件200510078640.53：季振國 半導體物理 20053：潘群峰 劉寶林 p 型GaN 歐姆接觸的研究進展 半導體技術第29卷第8期作者簡介：王遠紅(1985-),男，湖北武漢人，本科生，主要在GaN LED芯片企業從事技術研發，產線制造工藝維護改良等方面的工作。聯系人： 王遠紅聯系方式0735-2116788-83