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高效率GaN基高压LED芯片的制备及COB封装

导读: HV-LED 芯片的封装通常采用普通大功率LED 芯片的COB( Chip-on-board) 封装形式。由于COB 封装是直接将LED 芯片粘贴在基板上,因此基板的导热性能和反射光性能就尤为重要。

  一、引言

  高压发光二极管( HV-LED) 是在芯片制备过程中将一个大尺寸芯片划分为多个小发光单元,再将发光单元通过电极连接桥串联,从而实现的一种小电流、大电压的高功率LED。其发光效率可以通过优化发光单元的尺寸和形状,隔离沟槽宽度和侧壁微结构,以及制备背面反射镜等方式来提高。台湾交通大学在芯片总尺寸不变的情况下制备了发光单元尺寸分别为370 μm × 221 μm 和228 μm × 190 μm 的HVLED芯片,结果表明: 单元尺寸较小的芯片,其电流扩展较均匀,发光效率较高。华南师范大学制备了发光单元横截面分别为矩形、倒梯形和正梯形的HV-LED 芯片,结果表明: 正梯形发光单元结构可使芯片获得较高的发光效率和制作良率。台湾中兴大学在隔离沟槽中填充聚合物实现沟槽的平坦化以便于电极连接,制备了隔离沟槽宽度分别为20,40,60,80 μm 的HV-LED 芯片,结果表明: 随着隔离沟槽宽度的增加,发光效率上升。本课题组在隔离沟槽的侧壁制备了柱状微结构,并优化了蓝宝石衬底下面的背部反射镜,提高了光提取效率从而增强了光输出。

  HV-LED 芯片的封装通常采用普通大功率LED 芯片的COB( Chip-on-board) 封装形式。由于COB 封装是直接将LED 芯片粘贴在基板上,因此基板的导热性能和反射光性能就尤为重要。陶瓷基板具有较好的耐腐性、较高的热导率( 约24 W/( m·K) ) ,而且与芯片蓝宝石衬底的热膨胀系数( 约7 × 10 - 6 mm/℃) 一致,所以封装后的稳定性较高,较好地解决了LED 的散热问题和寿命问题; 而镜面铝基板具有更高的热导率( 约137 W/( m·K) ) 和反射率( 约98% ) ,能够有效地提高大功率LED 芯片的饱和输出功率。

  本文制备具有16 个发光单元串联的HVLED芯片,采用光刻胶和SiO2双层掩膜使刻蚀后的隔离沟槽的侧壁平缓以便于电极连接,研究了隔离沟槽宽度对芯片电学性能和光学性能的影响。使用商品化的镜面铝基板和陶瓷基板对HVLED进行封装,研究了注入电流、温度、基板对器件电学性能和光学性能的影响。

  二、HV-LED 芯片

  2.1 芯片制备

  实验使用的5.08 cm( 2 in) 外延片是采用图形化蓝宝石衬底( PSS) 通过金属有机化学气相沉积( MOCVD) 获得的。外延片结构从下至上分别是: 0.025μm 缓冲层、3.5μm 未掺杂的GaN 层、2.7μm 掺硅的n-GaN、0.24μm 多量子阱有源区、0.25μm 掺镁的p-GaN。制备完成的高压LED 芯片由16 个发光单元串联构成,如图1 所示,发光单元的排列形式为[3,5,5,3],第一列和最后一列的单元数为3,而第二列和第三列的单元数为5,各单元的尺寸相互匹配使得芯片为矩形,以便于后续的激光切割工艺。

图1 HV-LED芯片的金相显微镜照片

  具体的制备工艺如图2 所示。首先,采用光刻胶作掩膜、Cl2和BCl3为刻蚀气体,使用感应耦合等离子( ICP) 刻蚀出1.2μm 的台阶,暴露出n-GaN 层; 接着,采用光刻胶和SiO2双层掩膜,使用ICP 刻蚀直至蓝宝石衬底形成隔离沟槽,以实现各发光单元之间的电学隔离; 然后,使用电子束蒸发在p-GaN 上沉积100nm 的ITO 薄膜作为电流扩展层; 再使用等离子增强化学气相沉积( PECVD) 制备700 nm 厚的SiO2钝化层,该层还使隔离沟槽的侧壁绝缘以防止漏电; 最后,使用HF 溶液湿法腐蚀将n 电极和p 电极位置暴露,通过电子束蒸发沉积50 nm/50 nm/1 200 nm 的Cr /Pt /Au 金属电极将发光单元串联。在上述工艺的基础上,经过后续的研磨、抛光、背镀、切割以及崩裂工艺,制备出单颗的HV-LED 芯片。

  采用上述工艺制备了隔离沟槽宽度分别为10,20,30,40 μm 的高压LED 芯片。为使芯片的形状保持为矩形,4 种样品的第二列和第三列发光单元的尺寸保持不变,而第一列和第五列发光单元的长度需做略微调整。此外,在刻蚀隔离沟槽时,采用侧面微结构技术,发光单元的隔离沟槽侧壁如图3 所示。

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