ICP 刻蚀工艺对LED 阵列电流输运特性的影响

朱彦旭，范玉宇，曹伟伟*，邓 叶，刘建朋

(1.北京工业大学 北京光电子技术实验室，北京 100124;2.中国联通北京分公司 网管中心网络分析调度中心，北京 100029)

1 引 言

LED 具有发光效率高、耗电量小、寿命长、发热量低、体积小、环保节能等诸多优点［1］。GaN 基发光二极管(LED)已经商业化生产，但是对GaN 材料和LED 的研究仍在进行［2-3］，而且新型器件不断产生，如GaN 基单色显示芯片［4-5］和高压LED。高压LED 是集成LED 的一种，是将小功率LED 串联集成的大功率LED 芯片。高压LED 和其他集成LED 的主要差别在于:高压LED 是全部串联，而其他集成LED 是串并联结合。2010年，Cree、Nichia、Lumileds 等公司都宣布要做高压LED，同年10月晶元推出了蓝光1 W、50 V(20 mA)的芯片和高亮的红光0.7 W、35 V(20 mA)芯片。

目前的低压直流LED 应用到市电或其他高压的地方，还需要设计各种形式的高压驱动器以及多芯片封装［6-9］。这给实际应用带来了一定的弊端，其实际寿命只有2 万小时，而理论上LED 寿命却长达10 万小时。与之相对的高压LED 则无需额外的变压器，只需要简单的驱动电路，不仅驱动电路成本降低，也降低了电能转换过程中的能量损失［10］。可见，采用高压LED制作灯具提高了驱动器效率，避免了电路转换过程中能量的损失，因而成为当前市场前景看好的LED 产品。高压LED 驱动电流小，可以有效地降低由于高电流引起的Droop 效应(发光效率随着电流密度的增大而下降)，减少了光饱和以及发热引起的可靠性等问题。同时，集成高压LED 降低了封装成本，减少了元件数和焊点数，提高了产品的可靠性。总之，高压LED 不失为一种有特点的LED，为使用者提供了更多的选择。

在制备串联高压LED 过程中，ICP 刻蚀工艺是关键技术之一，对隔离层的绝缘特性、隔离槽倾角以及金属电极的分布有着显著的影响，进而严重影响串联高压LED 阵列的电流输运特性和可靠性。本文通过测试手段，从ICP 刻蚀深度、掩模材料等方面对串联高压LED 阵列电流输运特性的影响进行了分析，并制备出电流输运特性良好的四串联高压LED，其正向电压在20 mA 下为12 V左右。

2 实 验

利用金属有机物化学气相沉积设备(MOCVD)在蓝宝石衬底(0001)上生长LED 外延片。外延片的结构如下:蓝宝石衬底层;～2 μm厚的缓冲层;～2 μm 厚的掺Si 的n-GaN，载流子浓度为5 ×1018cm－3;～0.1 μm 厚的MQW 有源区;～0.6 μm 厚的限制层;～0.2 μm 厚的p-GaN，载流子浓度为5 ×1017cm－3。所有LED 样品均为4 个203 μm ×254 μm(8 mil ×10 mil)的单管串联，如图1 所示。主要制备工艺如下:首先利用光刻胶作掩模，利用BCl3/Cl2作为工作气体，把样品放在Oxford ICP 刻蚀系统中进行刻蚀，制备出1.1 μm 深的LED 台阶，露出部分n-GaN。然后，改变刻蚀条件对样品进行隔离沟槽的深刻蚀:样品A 利用550 nm SiO2作为掩模，刻蚀～5 μm深的沟槽，至未掺杂的GaN 缓冲层为止;样品B利用550 nm SiO2作为掩模，刻蚀沟槽至Al2O3衬底层为止;样品C 利用光刻胶作为掩模分3 次刻蚀，直至刻蚀沟槽至Al2O3衬底层为止。在隔离槽刻蚀后，利用PECVD 生长约500 nm 的SiO2薄膜作为绝缘隔离层，以免电极制备过程中有金属颗粒附着在GaN 外延层侧壁而造成漏电。然后，腐蚀SiO2露出电极区域，再利用电子束蒸发台蒸发240 nm 的ITO 透明电极，湿法去除n 区ITO 后退火。最后，利用溅射设备制备总厚度为500/900 nm 的Cr/Au 的p 和n 电极，每次生长的Cr/Au 电极厚度分别为:200/300 nm;150/300 nm;150/300 nm。

图1 高压LED 阵列示意图Fig.1 The top view and side view of high-voltage LED array

样品淀积金属后，每次从A、B、C 样品中随机各选20 个样品，分别利用吉士利电学测试仪测试其电学性能，结果如表1 所示。

表1 电学特性测试结果Table 1 Electrical characteristic testing

3 结果与讨论

从表1 可以看出，采取A、B、C 3 种ICP 刻蚀条件的样品漏电现象逐渐减少，可靠性逐步升高，其良率分别为50%，70%和90%。样品A 的漏电现象比样品B 严重。从图2 可以看出，样品A 在用SiO2做掩模一次性ICP 刻蚀隔离槽后，刻蚀后的部分区域有薄膜干涉颜色，呈不均匀蓝色或黄色，在显微镜下可以看到表面明显有颗粒状不均匀物质。在具有颜色的不同位置处，用探针进行测试后发现有～10－7～10－4A 电流存在。该现象表明该处存在着厚度不均的GaN 外延薄层，ICP刻蚀到缓冲层制作的隔离槽无法对阵列中的各LED 彻底绝缘，所以需要继续刻蚀掉剩余的缓冲层材料以达到各器件之间的电绝缘。

图2 样品A 在ICP 刻蚀隔离槽后的50 倍(a)和500 倍(b)显微镜照片Fig.2 The 50 times (a)and 500 times (b)micrographs of sample A after ICP

图3 为样品B 刻蚀的结果。样品B 的刻蚀仍采用SiO2作为掩模，但刻蚀深度至Al2O3衬底层。从刻蚀后的显微镜图片上可以看出，没有薄膜干涉颜色的存在，可以很明显地看到透明的蓝宝石衬底。探针测试也没有检测到微弱漏电流的产生，说明隔离槽已经刻蚀到了蓝宝石衬底，并且对阵列中单个器件之间起到了良好的隔离效果。

图3 样品B 在ICP 刻蚀隔离槽后的50 倍(a)和500 倍(b)显微镜照片Fig.3 The 50 times (a)and 500 times(b)micrographs of sample B after ICP

由此可见，ICP 刻蚀后残余的未掺杂GaN 薄层是导致阵列中各LED 之间漏电的主要因素之一。由于高压LED 工作于高压环境下，即使ICP刻蚀到未掺杂的GaN 缓冲层，残留下来的未掺杂的GaN 外延层仍提供了电流通道。为了最大限度地减少残留GaN 对器件可靠性的影响，一般都将隔离槽刻蚀至蓝宝石层。为了确保刻蚀至衬底，一般要采用过刻蚀的办法。但是，过刻蚀的时间需要精确把握，既不能过久，也不能太短。如果过刻蚀不够，衬底上残留的GaN 就无法完全去除干净，导致器件隔离不理想;如果过刻蚀太久，刻蚀气体BCl3/Cl2会对侧壁继续刻蚀，使得侧壁比较粗糙，对有源区量子阱部分产生影响，从侧壁引入漏电流或使得内量子效率下降，最终对器件的发光效率以及可靠性带来不利影响。

图4 样品A/B 的侧壁SEM 图。(a)SiO2做掩模，ICP 刻蚀后的侧壁;(b)金属电极剥离完后的侧壁SEM图。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.

样品B 和样品C 都刻蚀到了蓝宝石衬底，并且为了确保没有残留的GaN 缓冲层，都进行了ICP 过刻蚀。可是从表1 可以看出，样品B 的良率要远小于样品C，其开路和先导通后断路的器件要多于样品C。从图4(a)的SEM 图看出，由于样品A 和样品B 采用SiO2直接做掩模，侧壁刻蚀得比较陡直，不利于金属电极薄膜在侧壁上的均匀沉积，侧壁金属薄膜比较薄，易形成开路。另外，从图4(b)中还可以看出，由于侧壁陡直，在淀积金属电极后，明显看到金属的厚度在侧壁分布较差，在底部甚至出现了分层现象，这样由于金属厚度不同，其电阻的阻值也会分布不均匀。随着电流的增大，电阻产生的焦耳热增加，电流增加到一定程度后金属薄的地方就会断开，这就会出现前面测试时先导通后开路的情况，如图5 所示。

图5 金属电极连线烧断现象的显微镜图片Fig.5 A micrograph of metal electrode burn out

样品C 采用光刻胶做掩模。由于光刻胶做掩模刻蚀的侧壁坡度比较缓，所以侧壁上薄膜淀积比较容易，如图6(a)所示。图6(b)为淀积SiO2薄膜后的SEM 图，从中可以发现，由于缓坡的存在使得SiO2的淀积比较均匀，这就决定了后续工艺中电极的均匀生长而不会出现图4(b)中所示情况。SiO2薄膜在侧壁的厚度分布比较均匀，这不仅有利于对侧壁进行钝化以减小侧壁的漏电流，也给金属电极的布线带来较高的可靠性，提高了电流的输运特性。这也说明了为什么样品A、B 比样品C 漏电和开路现象要严重。

图6 样品C 侧壁SEM 图。(a)光刻胶掩模刻蚀结果;(b)缓坡淀积SiO2的结果。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.

我们选择样品C 的工艺制备出电流输运正常的四串联高压LED 阵列，其正向电压在20 mA下～12 V 左右，如图7 所示。

图7 样品C 中四串联高压LED 阵列的I-V 曲线Fig.7 I-V characteristic of four series high-voltage LED array which belongs to sample C

4 结 论

从不同的ICP 刻蚀条件对串联高压LED 阵列的金属电极、隔离层的影响进行了分析。ICP刻蚀深隔离槽的过程会对高压LED 电流输运产生影响。隔离槽的深度不够时，残留下来的未掺杂GaN 外延层仍会提供电流通道，引起高压LED 严重漏电。另一方面，不同的掩模造成刻蚀侧壁的倾斜角度也不同，同样会对电流输运产生重要影响。当侧壁比较陡直时，会影响隔离薄膜SiO2和电极金属的淀积，造成厚度分布不均匀，从而带来漏电、短路、先导通后开路等一系列问题。这些现象严重影响了器件的特性以及在使用中的可靠性。本文通过优选ICP 刻蚀工艺，使高压LED 电流输运特性得以改善，降低了漏电问题并解决了开路问题，成功制备出～12 V 的四串联高压LED 阵列器件。

［1］Zhang J B，Lin Y M，Bo L，et al.Optimization of the electrode shape of AlGaInP LED［J］.Acta Phys.Sinica (物理学报)，2008，57(9):5881-5886 (in Chinese).

［2］Xing Y H，Han J，Deng J，et al.Improved properties of light emitting diode by rough p-GaN grown at lower temperature［J］.Acta Phys.Sinica (物理学报)，2010，59(2):1233-1236 (in Chinese).

［3］Cao W W，Zhu Y X，Guo W L，et al.Improving luminous efficacy of the GaN-based light-emitting diodes by using different shapes of current blocking layer［J］.Chin.J.Lumin.(发光学报)，2013，34(4):480-483 (in Chinese).

［4］Jacob D，Li J，Lie D Y C，et al.Ⅲ-nitride full-scale high-resolution microdisplays［J］.Appl.Phys.Lett.，2011，99(3):0311163-1-3.

［5］Liu Z J，Wong K M，Keung C W，et al.Monolithic LED microdisplay on active matrix substrate using flip-chip technology［J］.IEEE J.Sel.Top.Quant.Elect.，2009，15(4):1298-1302.

［6］Nishikawa M，Ishizuka Y，Matsuo H，et al.An LED drive circuit with constant-output-current control and constant-luminance control ［C］//Telecommunications Energy Conference，2006.INTELEC'06.28th Annual International.Providence:IEEE，2006:1-6.

［7］Wang B B，Ruan X B，Yao K，et al.A method of reducing the peak-to-average ratio of LED current for electrolytic capacitor-less AC-DC drivers［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(3):592-601.

［8］Qu X，Wong S C，Tse C K.Noncascading structure for electronic ballast design for multiple LED lamps with independent brightness control［J］.IEEE Transaction on Power Electronics，2010，25(2):331-340.

［9］Ryu M H，Baek J W，Kim J H，et al.Electrolytic capacitor-less，non-isolated PFC converter for high-voltage LEDs driving［C］// Power Electronics and ECCE Asia (ICPE ＆ ECCE)，2011 IEEE 8th International Conference.Jeju:IEEE，2011:499-506.

［10］Cao D X，Guo Z Y，Liang F B，et al.The preparation and performance analysis of GaN-based high-voltage DC light emitting diode［J］.Acta Phys.Sinica (物理学报)，2012，61(13):511-517 (in Chinese).