朱彥旭，范玉宇，曹偉偉*，鄧 葉，劉建朋

(1.北京工業(yè)大學 北京光電子技術實驗室，北京 100124;2.中國聯(lián)通北京分公司 網(wǎng)管中心網(wǎng)絡分析調度中心，北京 100029)

1 引 言

LED 具有發(fā)光效率高、耗電量小、壽命長、發(fā)熱量低、體積小、環(huán)保節(jié)能等諸多優(yōu)點［1］。GaN 基發(fā)光二極管(LED)已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)，但是對GaN 材料和LED 的研究仍在進行［2-3］，而且新型器件不斷產(chǎn)生，如GaN 基單色顯示芯片［4-5］和高壓LED。高壓LED 是集成LED 的一種，是將小功率LED 串聯(lián)集成的大功率LED 芯片。高壓LED 和其他集成LED 的主要差別在于:高壓LED 是全部串聯(lián)，而其他集成LED 是串并聯(lián)結合。2010年，Cree、Nichia、Lumileds 等公司都宣布要做高壓LED，同年10月晶元推出了藍光1 W、50 V(20 mA)的芯片和高亮的紅光0.7 W、35 V(20 mA)芯片。

目前的低壓直流LED 應用到市電或其他高壓的地方，還需要設計各種形式的高壓驅動器以及多芯片封裝［6-9］。這給實際應用帶來了一定的弊端，其實際壽命只有2 萬小時，而理論上LED 壽命卻長達10 萬小時。與之相對的高壓LED 則無需額外的變壓器，只需要簡單的驅動電路，不僅驅動電路成本降低，也降低了電能轉換過程中的能量損失［10］?？梢?，采用高壓LED制作燈具提高了驅動器效率，避免了電路轉換過程中能量的損失，因而成為當前市場前景看好的LED 產(chǎn)品。高壓LED 驅動電流小，可以有效地降低由于高電流引起的Droop 效應(發(fā)光效率隨著電流密度的增大而下降)，減少了光飽和以及發(fā)熱引起的可靠性等問題。同時，集成高壓LED 降低了封裝成本，減少了元件數(shù)和焊點數(shù)，提高了產(chǎn)品的可靠性。總之，高壓LED 不失為一種有特點的LED，為使用者提供了更多的選擇。

在制備串聯(lián)高壓LED 過程中，ICP 刻蝕工藝是關鍵技術之一，對隔離層的絕緣特性、隔離槽傾角以及金屬電極的分布有著顯著的影響，進而嚴重影響串聯(lián)高壓LED 陣列的電流輸運特性和可靠性。本文通過測試手段，從ICP 刻蝕深度、掩模材料等方面對串聯(lián)高壓LED 陣列電流輸運特性的影響進行了分析，并制備出電流輸運特性良好的四串聯(lián)高壓LED，其正向電壓在20 mA 下為12 V左右。

2 實 驗

利用金屬有機物化學氣相沉積設備(MOCVD)在藍寶石襯底(0001)上生長LED 外延片。外延片的結構如下:藍寶石襯底層;～2 μm厚的緩沖層;～2 μm 厚的摻Si 的n-GaN，載流子濃度為5 ×1018cm－3;～0.1 μm 厚的MQW 有源區(qū);～0.6 μm 厚的限制層;～0.2 μm 厚的p-GaN，載流子濃度為5 ×1017cm－3。所有LED 樣品均為4 個203 μm ×254 μm(8 mil ×10 mil)的單管串聯(lián)，如圖1 所示。主要制備工藝如下:首先利用光刻膠作掩模，利用BCl3/Cl2作為工作氣體，把樣品放在Oxford ICP 刻蝕系統(tǒng)中進行刻蝕，制備出1.1 μm 深的LED 臺階，露出部分n-GaN。然后，改變刻蝕條件對樣品進行隔離溝槽的深刻蝕:樣品A 利用550 nm SiO2作為掩模，刻蝕～5 μm深的溝槽，至未摻雜的GaN 緩沖層為止;樣品B利用550 nm SiO2作為掩模，刻蝕溝槽至Al2O3襯底層為止;樣品C 利用光刻膠作為掩模分3 次刻蝕，直至刻蝕溝槽至Al2O3襯底層為止。在隔離槽刻蝕后，利用PECVD 生長約500 nm 的SiO2薄膜作為絕緣隔離層，以免電極制備過程中有金屬顆粒附著在GaN 外延層側壁而造成漏電。然后，腐蝕SiO2露出電極區(qū)域，再利用電子束蒸發(fā)臺蒸發(fā)240 nm 的ITO 透明電極，濕法去除n 區(qū)ITO 后退火。最后，利用濺射設備制備總厚度為500/900 nm 的Cr/Au 的p 和n 電極，每次生長的Cr/Au 電極厚度分別為:200/300 nm;150/300 nm;150/300 nm。

圖1 高壓LED 陣列示意圖Fig.1 The top view and side view of high-voltage LED array

樣品淀積金屬后，每次從A、B、C 樣品中隨機各選20 個樣品，分別利用吉士利電學測試儀測試其電學性能，結果如表1 所示。

表1 電學特性測試結果Table 1 Electrical characteristic testing

3 結果與討論

從表1 可以看出，采取A、B、C 3 種ICP 刻蝕條件的樣品漏電現(xiàn)象逐漸減少，可靠性逐步升高，其良率分別為50%，70%和90%。樣品A 的漏電現(xiàn)象比樣品B 嚴重。從圖2 可以看出，樣品A 在用SiO2做掩模一次性ICP 刻蝕隔離槽后，刻蝕后的部分區(qū)域有薄膜干涉顏色，呈不均勻藍色或黃色，在顯微鏡下可以看到表面明顯有顆粒狀不均勻物質。在具有顏色的不同位置處，用探針進行測試后發(fā)現(xiàn)有～10－7～10－4A 電流存在。該現(xiàn)象表明該處存在著厚度不均的GaN 外延薄層，ICP刻蝕到緩沖層制作的隔離槽無法對陣列中的各LED 徹底絕緣，所以需要繼續(xù)刻蝕掉剩余的緩沖層材料以達到各器件之間的電絕緣。

圖2 樣品A 在ICP 刻蝕隔離槽后的50 倍(a)和500 倍(b)顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 The 50 times (a)and 500 times (b)micrographs of sample A after ICP

圖3 為樣品B 刻蝕的結果。樣品B 的刻蝕仍采用SiO2作為掩模，但刻蝕深度至Al2O3襯底層。從刻蝕后的顯微鏡圖片上可以看出，沒有薄膜干涉顏色的存在，可以很明顯地看到透明的藍寶石襯底。探針測試也沒有檢測到微弱漏電流的產(chǎn)生，說明隔離槽已經(jīng)刻蝕到了藍寶石襯底，并且對陣列中單個器件之間起到了良好的隔離效果。

圖3 樣品B 在ICP 刻蝕隔離槽后的50 倍(a)和500 倍(b)顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 The 50 times (a)and 500 times(b)micrographs of sample B after ICP

由此可見，ICP 刻蝕后殘余的未摻雜GaN 薄層是導致陣列中各LED 之間漏電的主要因素之一。由于高壓LED 工作于高壓環(huán)境下，即使ICP刻蝕到未摻雜的GaN 緩沖層，殘留下來的未摻雜的GaN 外延層仍提供了電流通道。為了最大限度地減少殘留GaN 對器件可靠性的影響，一般都將隔離槽刻蝕至藍寶石層。為了確?？涛g至襯底，一般要采用過刻蝕的辦法。但是，過刻蝕的時間需要精確把握，既不能過久，也不能太短。如果過刻蝕不夠，襯底上殘留的GaN 就無法完全去除干凈，導致器件隔離不理想;如果過刻蝕太久，刻蝕氣體BCl3/Cl2會對側壁繼續(xù)刻蝕，使得側壁比較粗糙，對有源區(qū)量子阱部分產(chǎn)生影響，從側壁引入漏電流或使得內量子效率下降，最終對器件的發(fā)光效率以及可靠性帶來不利影響。

圖4 樣品A/B 的側壁SEM 圖。(a)SiO2做掩模，ICP 刻蝕后的側壁;(b)金屬電極剝離完后的側壁SEM圖。Fig.4 Side walls SEM micrographs of sample A or B.(a)A side wall micrograph after ICP with SiO2mask.(b)SEM micrograph of the side wall after electrodes lift-off.

樣品B 和樣品C 都刻蝕到了藍寶石襯底，并且為了確保沒有殘留的GaN 緩沖層，都進行了ICP 過刻蝕。可是從表1 可以看出，樣品B 的良率要遠小于樣品C，其開路和先導通后斷路的器件要多于樣品C。從圖4(a)的SEM 圖看出，由于樣品A 和樣品B 采用SiO2直接做掩模，側壁刻蝕得比較陡直，不利于金屬電極薄膜在側壁上的均勻沉積，側壁金屬薄膜比較薄，易形成開路。另外，從圖4(b)中還可以看出，由于側壁陡直，在淀積金屬電極后，明顯看到金屬的厚度在側壁分布較差，在底部甚至出現(xiàn)了分層現(xiàn)象，這樣由于金屬厚度不同，其電阻的阻值也會分布不均勻。隨著電流的增大，電阻產(chǎn)生的焦耳熱增加，電流增加到一定程度后金屬薄的地方就會斷開，這就會出現(xiàn)前面測試時先導通后開路的情況，如圖5 所示。

圖5 金屬電極連線燒斷現(xiàn)象的顯微鏡圖片F(xiàn)ig.5 A micrograph of metal electrode burn out

樣品C 采用光刻膠做掩模。由于光刻膠做掩模刻蝕的側壁坡度比較緩，所以側壁上薄膜淀積比較容易，如圖6(a)所示。圖6(b)為淀積SiO2薄膜后的SEM 圖，從中可以發(fā)現(xiàn)，由于緩坡的存在使得SiO2的淀積比較均勻，這就決定了后續(xù)工藝中電極的均勻生長而不會出現(xiàn)圖4(b)中所示情況。SiO2薄膜在側壁的厚度分布比較均勻，這不僅有利于對側壁進行鈍化以減小側壁的漏電流，也給金屬電極的布線帶來較高的可靠性，提高了電流的輸運特性。這也說明了為什么樣品A、B 比樣品C 漏電和開路現(xiàn)象要嚴重。

圖6 樣品C 側壁SEM 圖。(a)光刻膠掩?？涛g結果;(b)緩坡淀積SiO2的結果。Fig.6 Side wall SEM micrographs of sample C.(a)A side wall micrograph after ICP with photoresist mask.(b)SEM micrograph after deposit SiO2on a gentle slope.

我們選擇樣品C 的工藝制備出電流輸運正常的四串聯(lián)高壓LED 陣列，其正向電壓在20 mA下～12 V 左右，如圖7 所示。

圖7 樣品C 中四串聯(lián)高壓LED 陣列的I-V 曲線Fig.7 I-V characteristic of four series high-voltage LED array which belongs to sample C

4 結 論

從不同的ICP 刻蝕條件對串聯(lián)高壓LED 陣列的金屬電極、隔離層的影響進行了分析。ICP刻蝕深隔離槽的過程會對高壓LED 電流輸運產(chǎn)生影響。隔離槽的深度不夠時，殘留下來的未摻雜GaN 外延層仍會提供電流通道，引起高壓LED 嚴重漏電。另一方面，不同的掩模造成刻蝕側壁的傾斜角度也不同，同樣會對電流輸運產(chǎn)生重要影響。當側壁比較陡直時，會影響隔離薄膜SiO2和電極金屬的淀積，造成厚度分布不均勻，從而帶來漏電、短路、先導通后開路等一系列問題。這些現(xiàn)象嚴重影響了器件的特性以及在使用中的可靠性。本文通過優(yōu)選ICP 刻蝕工藝，使高壓LED 電流輸運特性得以改善，降低了漏電問題并解決了開路問題，成功制備出～12 V 的四串聯(lián)高壓LED 陣列器件。

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