倒装LED布拉格反射层设计与制备

作者:吴懿平 博士 武汉光电国家实验室 教授

引言

分布式布拉格反射层(DBR,Distributed Bragg reflection)是一种以两种不同折射率材料交替生长方式排列起来的周期结构层。相比于传统的金属材料(如Al、Ag)作为反射镜,DBR的反射率更高,一般可达到99%以上。理论而言,周期结构数越多,DBR的反射率越高。DBR反射层是提高LED芯片出光效率的一种有效方法。

DBR的组成材料一般分为两种:半导体材料和绝缘材料。半导体材料可以通入电流,但是材料之间的折射率较为接近,因此想达到较高的反射效果,必须做比较多的层数周期。常见的DBR半导体组合材料为AlN/GaN,折射率分别为2.30和2.43。相比较而言,绝缘层材料的DBR相互之间折射率相差大,因此周期数较少,生产时间更短,工艺成本更低。以蓝光LED芯片为例,最常见的DBR结构材料为SiO2/TiO2。SiO2的散射性好,折射率低,而TiO2折射率很高,在可见光区还是透明的,质地坚硬,因此两者搭配是非常好的DBR组合。通常在正装芯片结构里,都是将DBR沉积于蓝宝石衬底与有源层之间。

DBR具有良好的绝缘性和稳定性,由于倒装LED芯片电极结构朝下,如果利用DBR的绝缘性,取代倒装芯片原有的绝缘层材料(SiO2、SiNx等),将其制作于金属电极表面,则可以同时实现芯片绝缘保护和反射底部光线的作用,提高芯片光效,同时减少芯片制造流程,提高生产效率,可谓一举两得。此外,Ag作为反射层,在大电流工作条件下易发生电迁移,增大芯片内部剥落翘曲的概率,改用DBR结构则可以规避这一风险。

DBR结构设计与反射率模拟

本文针对蓝宝石衬底GaN基蓝光倒装LED芯片的DBR层进行结构设计。蓝光LED的波长范围在420~480 nm之间,取中心波长值为440 nm。DBR每一层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4,即满足:

drd/4nr                  (1)

式中:λd为中心波长。

查阅资料可知,SiO2在440 nm波长处的折射率n1=1.480 6,TiO2在440 nm波长处的折射率n2=2.570 7。通过计算可得SiO2每层的厚度为74.29 nm,而TiO2每层的厚度则为42.79 nm。

本文根据DBR各层的基础数值,使用COMSOL软件对周期性的DBR结构进行模拟仿真,对比不同层数的DBR结构对于光源的反射率,确定合适的层数,然后制备DBR结构倒装LED芯片,优化工艺条件,实际测量对比芯片封装的光电性能参数。

理论计算公式和模型建立

用干涉矩阵M来计算光学薄膜结构的反射率。设DBR共有n层薄膜,则其第n层的干涉矩阵公式如下:                               每一层薄膜的厚度为dn,则其相位厚度δn=2πλ-1(undncosr)。其中,对于P-偏振,un=nncos(rn);对于S-偏振,un=nn[cos(rn)]-1。式中,λ为中心波长,r为入射角,nn表示第n层材料的折射率,i表示复数。

则在n层薄膜的DBR结构中,整个DBR的干涉矩阵为每层干涉矩阵Mn之积,即:

设m11、m12、m21、m22分别代表M矩阵中单元项的实数值,则在周期结构DBR中,其总反射率R等于:

式中:u0=n0cos(r0),us=nscos(rs),分别代表DBR结构层入出射端口介质层偏振光学参数。

上述公式中,干涉矩阵中的折射率包含有材料的折射系数(n)和消光系数(k)。就SiO2/TiO2材料组合而言,在可见光谱范围内材料的消光系数k远低于折射率n(见图1)。在蓝光波长范围内,SiO2的折射系数几乎不变,处于1.48左右,消光系数几乎为0。TiO2在400 nm时的n值为2.681 1,在中心波长440 nm的n值为2.570 7,在500 nm时的n值为2.480 7。而在400~500 nm的范围内,TiO2的消光系数也几乎为0,因此在实际计算模拟过程中,我们可以忽略材料消光系数的影响。

理想情况下,认为折射率不变,取入射介质n0=1,n=nTiO2=2.570 7,n=nSiO2=1.480 6,入射光中心波长取λ=440 nm。此外,当入射光垂直入射DBR表面时,反射率最低,为了验证DBR的反射能力,仿真模拟只考虑入射光垂直入射的情况,如图2所示。

COMSOL仿真模拟及结果

DBR结构的反射率数值模拟采用CONSOL multi-physics多物理场仿真软件进行。采用高频电磁波物理场模拟,电磁波光源使用的是沿Y轴传播,Z轴偏振的平面电磁波。其数值模拟流程图如图3所示。

本文所建模型为二维模型,由于LED芯片实际尺寸远远大于DBR层的厚度,因此模拟边界采用周期性边界,模拟无限大域。输入输出端口S参数分为四类:S11、S12、S21、S22,分别代表输入端口的反射率、透射率,输出端口的反射率、透射率。折射率求解公式使用软件自带的默认公式:abs(ewfd.S11)2。其中,abs代表绝对值,ewfd代表高频电磁波物理场。

本次实验分别模拟周期N=6、8、10、12、14层的DBR结构反射率。仿真结果如表1所示。

从模拟数值来看,在425~500 nm的波长范围内,DBR反射率都在90%以上,在450 nm的蓝光中心波长位置,DBR反射率最高。而超出蓝光波长范围之外,反射率会出现明显的下降,这证明DBR的结构设计是合理的。对比不同周期数的DBR结构可以发现,DBR周期数越多,DBR的反射率也越高。当DBR的周期达到8时,中心波长450 nm处的反射率可达99%以上,而当周期达到12以上时,在425~500 nm的波长范围内,DBR的反射率可达99.9%以上。14周期结构的DBR相比于12周期结构反射率虽然有所提高,但提高的幅度极小。对比两者在450 nm波长时的模拟电场分布图(如图4所示),两种结构的DBR在底部的电场分布已极小,证明光线到结构底部时都已趋近全反射,因此,考虑到工艺成本的原因,本次设计决定采用12周期DBR结构。

DBR结构倒装LED芯片制造

DBR沉积工艺

根据仿真结果制作12层周期DBR结构。由于同时取代了原有绝缘层和反射层的功能,芯片的制作工艺流程如图5所示,包括DBR层生长沉积和电极引出开孔。

绝缘层DBR的生长工艺采用射频溅射法(RF Sputtering),基本原理是使用氩气(Ar)等惰性气体作为载体,充满靶材和生长衬底之间,然后使用激发电场电离气体,所需元素的气体离子被电离后加速轰击在衬底表面,最终沉积出所需的薄膜。由于所沉积的是复合薄膜,所以需要两个以上的射频源靶材,沉积设备如图6所示。实验靶材使用的是纯度为99.99%的SiO2靶材和纯度99.99%的TiO2靶材,真空室内的载体气流为氩气,通过设定溅射时间来控制SiO2和TiO2沉积薄膜的厚度。

沉积SiO2薄膜时,真空腔内真空抽至2×10-5 Torr,溅射压力为1 mTorr,氩气和氧气传输率之比为9∶1,射频功率为160 W;沉积TiO2薄膜时,工作参数基本与SiO2一致,有区别的在于射频功率提高至180 W。整个过程约1 h完成。完成制备后的DBR通过扫描电子显微镜对其形貌进行观测,与衬底材料接触良好,如图7所示。通过测量厚度,每一周期控制在117.08 nm,总厚度在1.41 μm左右,符合预期。

DBR刻蚀工艺

由于DBR结构在倒装芯片结构中同时承担了绝缘层的作用,因此在沉积DBR后,需要在绝缘层上刻蚀出开孔,以便后续工艺引出金属电极。因为SiO2和TiO2两种材料为复合层叠结构,且材料特性差异较大,因此湿法刻蚀无法完全刻蚀干净,因此只能采用ICP干法刻蚀。

然而干法刻蚀的刻蚀气体固定,对于两种不同材料的刻蚀速率有所差异,在正常工艺条件下,TiO2硬度更大,导致无法与SiO2同时刻蚀完成,形成凸起状颗粒,如图8所示,如何解决这一工艺问题成为难点。

在LED器件制作工艺中,侧壁刻蚀是重要的一步。在前工艺诸如MESA刻蚀过程中,侧壁刻蚀应尽量保持垂直角度,这样能够避免后续工艺对侧壁的影响。但在DBR刻蚀的这一步,由于刻蚀气体对两种材料的刻蚀速率不一样,导致侧壁出现刻蚀不均。在这种状况下,应当考虑将侧壁的刻蚀角度放缓,加大侧壁与刻蚀气体的接触面,使刻蚀面更加平整。而侧壁刻蚀的形貌相当程度上与表面的光刻胶形貌相关,通过调整光刻工艺参数,可有效解决这一难题。通过调整光刻和ICP刻蚀功率时间,DBR结构层刻蚀出了平滑斜坡的形貌,如图9所示,其侧壁角度可达到50°以下。

DBR结构芯片测试

DBR制造工艺之后,按照正常程序完成剩余工艺,同时电极上还制备有焊料阻挡层(UBM)。通过光学显微镜对DBR结构与非DBR结构大功率倒装LED芯片进行外观形貌观测,如图10所示,从宏观上看,芯片的外观差异并不是很大,电极表面平整。

对两种不同结构的芯片进行了光电性能测试。本次测试使用的芯片采用同炉同批生产的外延片,外延材料性能基本相同,这样可保证芯片的光电参数最大程度上只受芯片工艺的影响。LED晶圆在芯片工艺制造结束后,切割成单颗的晶粒,使用点测机台对晶粒进行初步测试。挑选波长接近的芯片,封装成COB基板,进行后续测试。

挑选波长范围455±5 nm的蓝光倒装芯片,芯片电极上制备有UBM焊料阻挡层(芯片尺寸35×35)。使用Al基COB基板,2并10串电路。焊料为SAC305无铅焊膏。使用固晶机将芯片与基板焊盘对位,再进行一次回流。回流后使用YAG黄色荧光粉调胶封板,封板后在250 ℃烤炉类烘烤4 h,完成的倒装芯片封装COB模块如图11所示。本次试验共封装8块COB模组,非DBR结构倒装LED芯片(编号1)和DBR结构倒装LED芯片(编号2)各4块。

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