芯片制作對半導(dǎo)體照明光源的影響
芯片制作對于改善功率型LED 器件的工作電壓，提高器件光提取效率有著重要影響，對降低管芯的熱阻也起著決定性作用。
要獲得低工作電壓器件、降低器件熱阻，必須解決電極材料與GaN 材料的歐姆接觸問題。過大的接觸電阻不僅會增加器件工作電壓、影響流明效率，還會導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，升高LED 結(jié)溫，影響器件的內(nèi)量子效率和穩(wěn)定性，縮短使用壽命。
如前所述，受限于目前的生長技術(shù)，p 型GaN 材料的空穴濃度仍然較低。由于p 型GaN 材料的功函數(shù)較大（7.5 eV），沒有與之相當(dāng)?shù)慕饘俨牧�，因而p 型歐姆接觸電極的制作相對困難。為了制作良好的p 型GaN 歐姆接觸電極，筆者采用熱處理p 型GaN 后步活化工藝以提高載流子濃度；使用高功函數(shù)的金屬材料，如Ni/Au、Ni/Pt；采用表面處理工藝來改善p 型GaN 表面狀況等。圖4 給出了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化工藝處
理后獲得的p 型GaN 低歐姆接觸數(shù)據(jù)，其接觸電阻率達(dá)到5×10-4Ω/cm2。在獲得良好的器件電學(xué)性能后，結(jié)合器件光學(xué)性能，獲得既具有低比接觸電阻率，又具有高光學(xué)反射率或透過率的電極，是GaN 基LED 器件電極制作工藝中研究的重點(diǎn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)具有合理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電極圖形，以改善電流分布，減小器件熱量分布不均勻?qū)е率У目赡苄�，增加器件使用壽命�?/p>
圖4 表面處理前后p 型GaN 歐姆接觸性能對比
管芯制作的另一個關(guān)鍵是提高芯片光提取效率。由于GaN 材料本身折射率較大（折射率2.40～2.50），與襯底藍(lán)寶石（折射率1.78）和封裝樹脂（折射率1.50）之間存在較大的折射率差，使得大量的光被限制在GaN薄層材料中，降低了光提取效率，影響了器件的流明效率。因此，設(shè)計(jì)新的器件結(jié)構(gòu)，對界面粗糙化，提高器件的光提取效率則十分迫切。由于GaN 材料本身穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)，使得電感應(yīng)耦合等離子（ICP）干法刻蝕成為制作各種GaN 微結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也是共面電極（即p-n 電極位于芯片同一側(cè)）結(jié)構(gòu)LED 制作n電極的主要技術(shù)。為保證器件性能，要求刻蝕具有高速率、大深度、垂直側(cè)壁、光滑界面及強(qiáng)的非選擇性。人們常采用Cl2/Ar/BCl3 氣體獲得的刻蝕結(jié)果，在BCl3 含量為20%時(shí)，實(shí)現(xiàn)了GaN/Al028Ga072N 材料的大速率（350 nm/min）、非選擇性（GaN 和AlGaN 的選擇比接近1）、光滑（表面均方根粗糙度為0.5nm）刻蝕。
對于共面電極GaN 基功率型LED，主要的器件結(jié)構(gòu)包括從p 型GaN 出光的正面結(jié)構(gòu)和從藍(lán)寶石襯底出光的倒裝結(jié)構(gòu)2 種。傳統(tǒng)的正面結(jié)構(gòu)LED 多采用Ni/Au 材料作為p 型電極，受限于Ni/Au 材料對藍(lán)光的強(qiáng)烈吸收作用，電極往往較�。ㄐ∮�10 nm），且透過率較低（小于50%）。在大尺寸、功率型LED 中，其p 型電極的電流擴(kuò)展性能和光學(xué)性能較差，因此無法獲得大電流注入、高亮度的器件。與之相比，采用倒裝結(jié)構(gòu)LED 選用高光學(xué)反射率的厚合金材料作為p 型歐姆接觸電極，具有良好的歐姆接觸特性和電流擴(kuò)展性能；同時(shí)通過p 型電極將熱量傳導(dǎo)到熱沉，比通過藍(lán)寶石散熱的具有更短的傳輸距離和更大的熱傳導(dǎo)率，其熱學(xué)性能也具有優(yōu)勢。因此，倒裝結(jié)構(gòu)LED 具有比正面結(jié)構(gòu)更好的器件性能。由倒裝結(jié)構(gòu)和正面結(jié)構(gòu)LED 管芯隨注入電流增加輸出光強(qiáng)的變化可知，倒裝結(jié)構(gòu)LED 飽和電流大，大電流下輸出光強(qiáng)也相應(yīng)較大。需要指出的是，垂直結(jié)構(gòu)雙面電極LED（如SiC 襯底LED 以及激光剝離LED 等）在熱量傳導(dǎo)上具有的優(yōu)勢，已成為令人矚目的研究熱點(diǎn)。
相關(guān)文章閱讀：
國內(nèi)外照明光源的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
