刘智超，林海峰*，郭贵田
（1. 福建省光电技术与器件重点实验室，福建 厦门 361024；
2. 厦门士兰明镓化合物半导体有限公司，福建 厦门 361026）
当前，人类已经进入以LED 为代表的新型照明光源时代，随着LED 照明应用的普及，人们对LED 的需求发生了由量到质的变化［1］。GaN 基LED 芯片主要包含正装芯片、倒装芯片和垂直芯片3种结构［2］。相对于应用广泛的正装结构的LED芯片，倒装LED芯片有3个明显的优点，即不需要焊线工艺，荧光粉涂布均匀，以及大电流驱动下的亮度和可靠性好［3］。
为了进一步提高倒装LED 芯片的光效，通常在p 型GaN 层上的氧化铟锡（indium tin oxide，ITO）膜上制备高反射率的反射层，使得外延发光经过ITO到达反射层后被反射，经过蓝宝石面出光，从而提高LED亮度。倒装LED芯片反射层通常采用分布式布拉格反射（distributed Bragg reflector，DBR）反射镜和薄膜反射镜。DBR 反射镜虽然具有99%以上的高反射率［4］，但其反射带宽有限，反射方向单一，且作为DBR 材料的化合物SiO2导热性能差，DBR 结构的厚度亦过厚，致使LED 的散热性能差，影响了其可靠性［5］。传统的薄膜反射镜采用Ni/Au作为金属反射层，Ni/Au可以与P-GaN形成很好的欧姆接触，但是在460 nm 波长处的光反射率很低，小于40%［6］。而Ag 在该波段具有95%以上的光学反射率，因此，Song等［7］直接蒸镀Ag作为LED 倒装芯片的接触电极，而且Ag本身拥有优良的导电、导热性能，可更好地导通电流、散热［8］，被广泛应用于倒装LED芯片反射层中。但Ag因自身的金属特性，在一定条件下容易发生金属迁移［9］，导致电性异常而死灯。为了有效防止Ag 原子在金属反射层之间的迁移，通常采取多层复合结构金属保护层和退火处理。吴滢滢[10]设计了一种结构稳定、致密性好的双夹层复合结构金属保护层，减少Ag原子的迁移和PN结的导电通道，降低漏电率；
文献[11-12]通过对金属反射层进行退火处理，增强p-GaN 与金属反射层间的欧姆接触，提高Ag 原子的稳定性，降低工作电压，提高LED倒装芯片光输出功率。但以上2种方法结构设计复杂，成本较高，产品生产良率低。因此，本文采用Ag、TiW 作为反射层薄膜材料，直接在Ag薄膜层蒸镀TiW 保护层，形成简单双层结构的金属反射层；
然后通过设计和优化金属反射层的沉积工艺参数，研究不同Ag/TiW 溅射功率、Ar气体流量等工艺参数对LED 芯片光电性能的影响；
最后通过减少LED 芯片银镜反射层中Ag原子的迁移，克服退火过程导致产品生产良率降低的问题，进而提高LED 倒装芯片光输出功率、稳定性和产品生产良率。
实验中采用的倒装LED芯片结构见图1。为了提高芯片亮度，在ITO上镀一Ag镜作为反射层，其结构见图2。
图1 倒装LED芯片结构图Fig.1 Structure of flip LED chip
图2 Ag镜反射层结构Fig.2 Structure of silver mirror reflective layer
Ag在波长460 nm左右的光反射率达到95%以上，是一种重要的反射层薄膜材料。Ag金属活性较强，表面易氧化，因此，在镀完反射层之后，往往还需要在其表面镀上其他更稳定的金属如Ti、Pt、Au和TiW 等，形成一个多层金属叠加的Ag镜结构。这层结构在倒装芯片能发挥光线反射、正极注入电流扩展、横向导热的作用，其中光线反射作用影响了LED 芯片的亮度。因为Ag 镜基本上覆盖了整个发光区，所以倒装LED 芯片的正极注入电流扩展和横向导热作用都优于正装LED 芯片，使Ag 镜倒装芯片具有更优越的性能。
实验中倒装LED 芯片反射层制备采用真空溅射镀膜技术，样品为相同金属有机化学气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD）机台及工艺条件生长的外延层的GaN 基倒装LED 基片，每一基片上有8 500 粒倒装LED 晶粒，溅射机台为瑞士Evatec 公司生产的LLS EVO 型物理气相沉积镀膜机，在每一基片上进行镀膜，膜层结构见图2。
在LED 基片先镀上200 nm 的Ag 膜，再在Ag 膜上镀200 nm 的TiW 膜形成反射层，然后使用标旗光电生产的Planum 3000型光谱仪测量同炉BK7玻璃片的Ag层反射率，待芯片加工流程完成后，使用矽电倒装单针测试机L-9DM 测试每一粒晶粒工作电压、光功率等光电性能参数，反射层制备工艺流程见图3。
图3 反射层制备工艺流程Fig.3 Preparation process of reflective layer
为了便于比较，以Ag 溅射功率为100 W、TiW 溅射功率为2 000 W，Ar 气体流量为150 mL·min-1为基础工艺条件，在基础工艺条件上进行横向拉偏，研究不同膜层溅射功率、Ar 气流量等工艺参数对反射层光电性能的影响。
2.1 Ag膜层溅射功率对反射率的影响
在LED 芯片中，Ag金属反射层反射率越高，LED 的光功率越高，因此，提高Ag金属层的反射率就能提高整个LED的光功率。溅射功率是影响Ag膜层反射率的关键因素，但Ag金属层与基片外延层相距很近，它们之间只相隔一层浅薄的ITO 薄膜，因此外延层对Ag 金属层的溅射功率较为敏感，功率过大有损伤外延层的风险，功率较小又不能满足正常生产产能的需求。所以，选择一个合适的溅射功率对于LED 生产是十分重要的，故横向拉偏Ag 层溅射功率来测试其对芯片的影响。
以相同的Ar 气流量环境（150 mL·min-1）、TiW 溅射功率（2 000 W），制备了分别使用50、100、150、200 W 的Ag 溅射功率生长Ag金属层的4 组样品，每组样品有8 500 粒倒装LED 晶粒，并且样品的Ag、TiW 膜层厚度均为200 nm。不同Ag溅射功率对反射率的影响情况如图4 所示，可见，Ag 膜层反射率随着溅射功率的增加而升高，当溅射功率为50 W时，样品膜层的反射率明显低于其他条件；
当溅射功率高于100 W 时，反射层在400~800 nm波段的反射率比溅射功率为50 W的提升约0.5%，而且反射率随着溅射功率的增大变化不大。
图4 不同Ag溅射功率对反射率的影响Fig.4 Effect of different Ag sputtering power on reflectivity
测量LED 芯片的光电特性参数，其结果见表1。由表1 可知，溅射功率对LED 芯片的工作电压影响不大，4组样品的工作电压均在2.85 V左右，光功率随着功率升高而升高，当Ag溅射功率为200 W时，LED 芯片光功率比溅射功率为50 W 的提高了14 mW（约1.15%）；
但综合良率却有下降的趋势，Ag溅射功率为200 W 的比50 W 的综合良率要低约2.5%。究其原因，可能是由于Ag层溅射功率升高，使Ag 膜层的致密性变好，反射率提高，从而使光功率提升，但功率提高对外延层的损伤加重，导致了芯片良率下降。
表1 不同Ag溅射功率样品的光电参数Table 1 Photoelectric parameters of samples with different Ag sputtering power
2.2 TiW溅射功率对反射率的影响
为了防止Ag 金属层氧化，确保Ag 金属的稳定性，实验中在Ag 金属层上迁移TiW 金属保护层，横向拉偏TiW 层溅射功率，测试其对芯片的影响。以相同的Ar 气流量环境（150 mL·min-1）和Ag 溅射功率（100 W），制备了分别使用1 000、2 000、3 000 W 的溅射功率生长TiW 保护金属层的3 组样品，每组样品有8 500 粒倒装LED 晶粒，且样品的Ag、TiW 膜层厚度均为200 nm。测试样品的光电参数见表2，膜层反射率随着TiW层溅射功率变化结果见图5。
表2 不同TiW溅射功率样品的光电参数Table 2 Photoelectric parameters of samples with different TiW sputtering power
图5 不同TiW溅射功率对反射率的影响Fig.5 Effect of different TiW sputtering power on reflectivity
由图5和表2可见，膜层反射率在400~600 nm范围内基本不变，然而在600~800 nm 却略有小幅下降，TiW 层溅射功率每提高1 000 W，反射率约下降0.20%；
LED 出光功率随之小幅下降，前后差距仅3 mW（约0.25%），且所有的样品工作电压均在2.85 V 左右；
但样品的综合良率随着TiW溅射功率增大而上升，当TiW 溅射功率为3 000 W时，样品的综合良率为83.33%，比1 000 W 溅射功率的综合良率提升了2.53%，这可能是由于TiW层溅射功率升高，破坏了Ag膜层的致密性，使Ag层反射性能降低，但TiW 层溅射功率提高，使TiW 金属对Ag 层的覆盖性增强，有效防止Ag 金属的迁移，从而使芯片良率提高。
2.3 Ar气流量对反射率的影响
溅射过程中需要电离工艺环境中的Ar原子，Ar原子形成Ar正离子来轰击金属靶材，溅射出金属粒子，Ar 气体浓度越高，产生的Ar 正离子越多，对溅射出的膜层的致命性和底层的破坏程度可能有影响。因此，横向拉偏Ar 气流量，研究其对LED芯片光电性能的影响。
以相同的Ag溅射功率（100 W）、TiW溅射功率（2 000 W），制备了使用100、150、200 mL·min-1的Ar 气流量环境生长金属层的3 组样品，每组样品有8 500 粒倒装LED 晶粒，且样品的Ag、TiW 膜层厚度均为200 nm。样品的膜层反射率、光电参数见图6 和表3。由图6 和表3 可见，样品的反射率、工作电压、光功率基本没有差别，因此溅射工艺过程中Ar 气流量对产品的光电性能影响较小，但是当Ar气流量为150 mL·min-1时，样品良率比其他条件的要高约1%。
表3 不同Ar气流量环境下样品的光电参数Table 3 Photoelectric parameters of samples with different Ar gas flow rates
图6 不同Ar气流量对反射率的影响Fig.6 Effect of different Ar gas flow rates on reflectivity
2.4 最优条件的组合
综合以上3 组实验的结果，当Ag 溅射功率为200 W 时，LED 出光功率最高，为1 241.51 mW，但是综合良率最低。为了弥补Ag 溅射功率升高带来的良率损失，选择综合良率最高的TiW 溅射功率为3 000 W 和环境Ar 气流量为150 mL·min-1作为优化工艺条件，分别生长两组样品，每组样品有8 500 粒倒装LED 晶粒，且样品的Ag、TiW 膜层厚度均为200 nm。样品的膜层反射率、光电参数见图7 和表4。与生产线上目前的工艺条件（Ag 溅射功率为100 W，TiW 溅射功率为2 000 W，环境Ar气流量为150 mL·min-1）进行比较，在优化工艺条件下，样品的工作电压和出光功率分别为2.91 V、1 247.03 mW，在400~800 nm 波段，金属反射层的反射率均提高了约0.31%，460nm 处的反射率高达96.70%，产品的综合良率提升了约1.17%。
表4 基础条件与优化条件光电参数的对比Table 4 Comparison of photoelectric parameters between basic and optimized conditions
图7 基础条件与优化条件反射率的对比Fig.7 Comparison of reflectivity between basic and optimized conditions
本文研究了倒装LED 芯片金属反射层制备工艺中Ag 和TiW 溅射功率、环境Ar 气流量对LED 芯片光电特性的影响，得出：当Ag 溅射功率为200 W 时，LED 芯片的出光功率最高，但是综合良率最低；
当TiW 溅射功率为3 000 W 和环境Ar 气流量为150 mL·min-1时，样品综合良率最高。以此作为优化工艺条件制备Ag 镜反射层，即当Ag 溅射功率为200 W、TiW 溅射功率为3 000 W、环境Ar 气流量为150 mL·min-1时，样品的工作电压和出光功率分别为2.91 V、1 247.03 mW，在400~800 nm波段，金属反射层的反射率均提高了约0.31%，460 nm 处的反射率高达96.70%，产品的综合良率提升了约1.17%。