吳瀅瀅

（廈門(mén)三安光電科技有限公司，福建 廈門(mén) 361009）

0 引言

GaN-LED 倒裝芯片（Flip Chip）因無(wú)須通過(guò)藍(lán)寶石散熱，散熱性能好，壽命較長(zhǎng)，同時(shí)因不像常規(guī)正裝芯片需要考慮P 層上導(dǎo)電層（目前主要采用氧化銦錫材料）透光性問(wèn)題，所以可以設(shè)計(jì)采用電阻率更低、反射率更高的金屬材料為反光層Mirror，以使芯片得到更低的電壓，亮度也可得到更大提升，并使封裝采用更大電流驅(qū)動(dòng)，光效更好。因其需要打線(xiàn)封裝，所以可減少因金線(xiàn)損壞導(dǎo)致的死燈概率，且便于封裝集成化。綜上所述，車(chē)燈、mini 顯示屏等更高端市場(chǎng)更愿意使用倒裝芯片。但其采用的金屬材料為電阻率更低、反射率更高的銀，銀因自身的金屬特性，在一定條件下容易發(fā)生金屬遷移[1-2]而導(dǎo)致電性出現(xiàn)異常，進(jìn)而死燈，所以在一般情況下，是通過(guò)在銀表面加一層金屬保護(hù)層Barrier 來(lái)阻隔，可是這種辦法仍然無(wú)法解決Ag 從保護(hù)層側(cè)面析出，通過(guò)各種介質(zhì)從P 電極向N 電極遷移，形成導(dǎo)電通道，進(jìn)而導(dǎo)致漏電的問(wèn)題。該文研究設(shè)計(jì)了不同保護(hù)層，提出了雙層夾層的金屬保護(hù)層，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，致密性更佳，可以有效減少側(cè)面Ag 析出，降低漏電異常率，并同時(shí)增加光萃取率以提亮。

1 試驗(yàn)

利用金屬有機(jī)氣相外延（MOCVD）機(jī)臺(tái)K456I，在4寸藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)藍(lán)光LED 外延結(jié)構(gòu)（分別生長(zhǎng)GaN 緩沖層、N 型層n-GaN、多對(duì)量子阱InGaN/GaN、電子阻擋層p-AlGaN 和P 型層p-GaN），并進(jìn)行發(fā)光二極管的倒裝芯片前期基礎(chǔ)工序（在長(zhǎng)完的外延片上，先用有機(jī)清洗液和酸洗對(duì)外延表面進(jìn)行清潔處理，去除外延表面的臟污、顆粒，然后通過(guò)黃光上膠曝光顯影硬化等工序，光刻膠保護(hù)住不需要被ICP 刻蝕的區(qū)域，在發(fā)光區(qū)按照一定的陣列均勻地刻蝕出N 電極溝槽以形成mesa 平臺(tái)，使后續(xù)通電時(shí)電流擴(kuò)展得更均勻，減少電流擁擠。再通過(guò)黃光上膠曝光顯影硬化等工序和ICP 刻蝕方式，將每顆芯粒走道的外延層的P 型層和N 型層完全去除，用有機(jī)清洗液和酸洗對(duì)外延表面進(jìn)行清潔處理，通過(guò)磁控濺射的方式鍍上氧化銦錫ITO 并快速I(mǎi)TO 退火，形成P 歐姆接觸層。最后通過(guò)黃光上膠曝光顯影硬化等工序，光刻膠保護(hù)住不需要被ITO 蝕刻掉的區(qū)域，用ITO 蝕刻液蝕刻掉N 電極區(qū)域的氧化銦錫ITO，將已經(jīng)做好前期基礎(chǔ)工藝的試驗(yàn)片分成2 組，分別做A 設(shè)計(jì)方案和B 設(shè)計(jì)方案。

A 保護(hù)層設(shè)計(jì)方案：工序1，在已經(jīng)做過(guò)一段基礎(chǔ)工序的外延片上長(zhǎng)一層絕緣層，長(zhǎng)前用有機(jī)清洗液和酸洗對(duì)外延表面進(jìn)行清潔處理；工序2，通過(guò)黃光上膠曝光顯影硬化等工序，光刻膠保護(hù)不需要鍍上反光層銀的絕緣層；工序3，用BOE 溶液蝕刻掉未被光刻膠保護(hù)的絕緣層區(qū)域，需要注意待蝕刻區(qū)域表面是否有光刻膠殘留，避免蝕刻不干凈；工序4，以磁控濺射的方式鍍上反光層銀層，銀較活潑，在本次鍍膜中，除鍍上銀層外，還要鍍上薄薄的金屬保護(hù)層；工序5，將鍍完反光層銀片源吸真空固定在剝離機(jī)上，用白膜黏除光刻膠上的反光層銀后，去除黃光光刻膠；工序6，通過(guò)黃光上膠曝光顯影硬化等工序，光刻膠保護(hù)不需要鍍上金屬保護(hù)層的絕緣層；工序7，用BOE 溶液蝕刻掉未被光刻膠保護(hù)的絕緣層區(qū)域，需要注意待蝕刻區(qū)域是否表面有光刻膠殘留，避免蝕刻不干凈；工序8，以電子束真空蒸鍍方式鍍上金屬保護(hù)層；工序9，將鍍完金屬保護(hù)層的片源吸真空固定在剝離機(jī)上，用白膜黏除光刻膠上的金屬保護(hù)層，去除黃光光刻膠。A 設(shè)計(jì)方案示意圖如圖1 所示。

圖1 A 設(shè)計(jì)方案

B 保護(hù)層設(shè)計(jì)方案：工序1，在已經(jīng)做過(guò)一段基礎(chǔ)工序的外延片上長(zhǎng)一層絕緣層，長(zhǎng)前用有機(jī)清洗液和酸洗對(duì)外延表面進(jìn)行清潔處理；工序2，通過(guò)黃光上膠曝光顯影硬化等工序，光刻膠保護(hù)不需要鍍上反光層銀的絕緣層；工序3，用BOE 溶液蝕刻掉未被光刻膠保護(hù)的絕緣層區(qū)域，需要注意待蝕刻區(qū)域表面是否有光刻膠殘留，避免蝕刻不干凈；工序4，以磁控濺射的方式鍍上反光層銀層，銀較活潑，在本次鍍膜中，除鍍上銀層外，還要鍍上薄薄的金屬保護(hù)層；工序5，將鍍完反光層銀片源吸真空固定在剝離機(jī)上，用白膜黏除光刻膠上的反光層銀后，去除黃光光刻膠；工序6，通過(guò)黃光上膠曝光顯影硬化等工序，光刻膠保護(hù)不需要鍍上金屬保護(hù)層的絕緣層；工序7，以電子束真空蒸鍍方式鍍上金屬保護(hù)層；工序8，將鍍完金屬保護(hù)層的片源吸真空固定在剝離機(jī)上，用白膜黏除光刻膠上的金屬保護(hù)層，去除黃光光刻膠。B 設(shè)計(jì)方案示意圖如圖2 所示。

圖2 B 設(shè)計(jì)方案

將發(fā)光二極管器件繼續(xù)制作完成（在A(yíng)、B 設(shè)計(jì)方案均完成的工序上，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD 方式沉積絕緣層；通過(guò)黃光上膠曝光顯影硬化等工序，光刻膠保護(hù)不需要被去除的絕緣層的區(qū)域；用BOE 溶液蝕刻或者ICP 刻蝕掉未被光刻膠保護(hù)的絕緣層區(qū)域，絕緣層覆蓋各N電極溝槽、mesa 平臺(tái)、切割道、反光層的金屬保護(hù)層；通過(guò)黃光上膠曝光顯影硬化等工序和電子束真空蒸鍍方式，形成整面的N 金屬電極區(qū)域；再通過(guò)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積PECVD 方式沉積一層絕緣層，通過(guò)黃光上膠曝光顯影硬化等工序和BOE 溶液蝕刻或者ICP 刻蝕，分別隔離出P 導(dǎo)電通道和N 導(dǎo)電通道；制作分別覆蓋各P 導(dǎo)電通道和各N 導(dǎo)電通道的P 焊墊和N 焊墊），以進(jìn)一步對(duì)比2 種不同保護(hù)層設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)形貌、芯片漏電良率、芯片亮度、封裝亮度的影響差異。

2 結(jié)構(gòu)形貌

從上述2 種不同保護(hù)層設(shè)計(jì)方案流程差異可以看出，A設(shè)計(jì)方案中，反光層銀完全由金屬保護(hù)層覆蓋保護(hù)，該金屬保護(hù)層采用電子束真空蒸鍍?cè)礤兡?，用一束電子轟擊金屬材料，產(chǎn)生高能量，使金屬材料沸騰后蒸發(fā)并沉積到片源表面，生長(zhǎng)機(jī)理簡(jiǎn)單，但是形成的薄膜黏附能力較差，無(wú)法形成致密的阻隔膜，再加上金屬保護(hù)層側(cè)面比較薄，包覆性不夠。A 設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)形貌如圖3 所示。

圖3 A 設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)形貌

在后期使用過(guò)程中，側(cè)面容易被水汽或者空氣中的有害小分子等滲入，造成銀遷移過(guò)程中銀離子的大面積形成。當(dāng)芯片設(shè)計(jì)中其他應(yīng)力較大的絕緣層出現(xiàn)斷裂時(shí)，會(huì)發(fā)生銀遷移，進(jìn)而使LED 芯片的正、負(fù)電極導(dǎo)通，引起漏電。B 設(shè)計(jì)方案中，反光層銀由側(cè)壁的絕緣層和金屬保護(hù)層雙層夾層保護(hù)，絕緣層采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）方式鍍膜，借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體。氣體經(jīng)一系列化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，在片源表面形成固態(tài)薄膜。此方式形成的膜層純度和致密性較高，且該材料具有超強(qiáng)的黏附力。B 設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)形貌如圖4 所示。

圖4 B 設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)形貌

這種絕緣層和金屬保護(hù)層雙層夾層保護(hù)方式因絕緣本身穩(wěn)定性更高、致密性較好、黏附力超強(qiáng)且不導(dǎo)電，能使銀遷移路徑在經(jīng)過(guò)側(cè)壁絕緣層時(shí)發(fā)生變化，可以有效阻擋金屬銀的遷移，減少漏電的發(fā)生。

3 LED 光電參數(shù)測(cè)試

GaN 外延片分別按照A、B 設(shè)計(jì)方案，制成完整的發(fā)光二極管，刻蝕按照一定的陣列均勻地刻蝕出N 電極溝槽以形成mesa 平臺(tái)，鍍上氧化銦錫ITO 并快速I(mǎi)TO 退火形成P歐姆接觸層，鍍上反光層銀、金屬保護(hù)層，制作覆蓋各N電極溝槽、mesa 平臺(tái)、切割道、反光層銀的絕緣層，圖形化隔離層以形成P 導(dǎo)電通道和N 導(dǎo)電通道，制作分別覆蓋各P 導(dǎo)電通道和各N 導(dǎo)電通道的P 焊墊和N 焊墊，并制作成3 000 μm×3 000 μm 的發(fā)光二極管，芯片是倒裝結(jié)構(gòu)的芯片。在矽電LED 倒裝探針臺(tái)搭載維明測(cè)試機(jī)上，點(diǎn)測(cè)電流350 mA，反向電壓5V，進(jìn)一步分別測(cè)試A、B 設(shè)計(jì)方案的芯片漏電良率和亮度的光電參數(shù)差異。從芯片的漏電良率結(jié)果上看，B 設(shè)計(jì)方案的漏電良率比A 設(shè)計(jì)方案高出2.6%，說(shuō)明B 設(shè)計(jì)方案因絕緣層鍍膜方式為等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD），而比金屬的電子束真空蒸鍍?cè)矸€(wěn)定性更高、致密性較好、黏附力超強(qiáng)，而且絕緣層和金屬保護(hù)層雙層夾層的復(fù)合保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使銀遷移路徑在經(jīng)過(guò)側(cè)壁絕緣層時(shí)發(fā)生變化，減少水汽或者空氣中有害小分子等滲入造成銀遷移過(guò)程中銀離子的大面積形成，并減少反光層銀的金屬遷移。2 種不同設(shè)計(jì)的漏電良率比對(duì)差異如圖5所示。

圖5 2 種不同設(shè)計(jì)漏電良率差異

可以觀(guān)察到B 設(shè)計(jì)方案的亮度比A 設(shè)計(jì)方案高出4.5%，這是因?yàn)楣饩€(xiàn)的全反射損失大大降低，增加的絕緣層材料折射率介于外延氮化鎵和復(fù)合折射率的金屬保護(hù)層之間，進(jìn)而行成了具有更高反射率的全方向反射鏡[3]，使本來(lái)會(huì)被局限在發(fā)光二極管內(nèi)部的光更容易被萃取出來(lái)，亮度得以提升，器件的過(guò)載驅(qū)動(dòng)能力愛(ài)更強(qiáng)。2 種不同設(shè)計(jì)亮度比對(duì)如圖6所示。

圖6 2 種不同設(shè)計(jì)亮度差異

將2 種不同設(shè)計(jì)方案的芯片分別封裝到C3535 基板上，進(jìn)一步確認(rèn)封裝成成品的提亮效果，封裝后的光效差異如圖7 所示。從結(jié)果上看，在點(diǎn)測(cè)電流350 mA 下，B 設(shè)計(jì)方案的光效比A 設(shè)計(jì)方案高出10 lm/W，光效提升5%，與芯片在探針臺(tái)上點(diǎn)測(cè)比對(duì)結(jié)果提亮4.5%基本一致。在提升漏電良率2.6%的同時(shí)，因?yàn)榻^緣層和金屬保護(hù)層雙層夾層的復(fù)合保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，B 設(shè)計(jì)方案形成了高反射率的反射鏡，亮度得到提升，可以用更低的電流驅(qū)動(dòng)得到同樣的光效，減少了散熱，提升了芯片壽命。

圖7 封裝后測(cè)試光效差異

4 結(jié)論

為解決反光層銀析出的問(wèn)題，提升芯片制程中的漏電良率，該研究設(shè)計(jì)了不同金屬保護(hù)層結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)比結(jié)構(gòu)形貌、芯片漏電良率、芯片亮度和封裝亮度，證明了雙層夾層的復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬保護(hù)層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，致密性更佳，可以有效阻擋金屬銀的遷移，減少PN 結(jié)的導(dǎo)電通道，降低漏電的風(fēng)險(xiǎn)。從探針臺(tái)點(diǎn)測(cè)結(jié)果看，雙層夾層的金屬保護(hù)層漏電良率提升了2.6%，進(jìn)而提升了倒裝芯片設(shè)計(jì)的良率，減少了成本損失，提升了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)雙層夾層的復(fù)合金屬保護(hù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因形成了全方向反射鏡，使本來(lái)會(huì)被局限在發(fā)光二極管內(nèi)部的光更容易被萃取出來(lái)，在點(diǎn)測(cè)電流350 mA下，亮度提升了4.5%。雙層夾層金屬保護(hù)層結(jié)構(gòu)的引入使用，可以用更低的電流驅(qū)動(dòng)得到同樣的亮度，可減少散熱，提升芯片壽命。