功率型倒装LED芯片电极设计

作者:吴懿平 博士 武汉光电国家实验室 教授

引言

功率型倒装LED芯片的尺寸大约在0.6~1.5 mm2。常见的功率型倒装LED芯片有:3535(0.85×0.85 mm2),4242(1×1 mm2),4545(1.1×1.1 mm2),5050(1.3×1.3 mm2),5555(1.4×1.4 mm2),形状多为正方形。以蓝宝石为衬底的蓝光LED,其功率型倒装LED芯片为横向电极结构,P、N电极均位于芯片的同一侧,蓝宝石一侧为出光面。蓝宝石衬底上依次外延制备n型GaN层(较厚)、多量子阱MQW层(较薄)和p型GaN层(较薄)。由此构成垂直结构的p-n结。在p层上制作反射层与绝缘层后,光刻出不同深度的开孔(穿过p层和MQW层刻至n区;直接穿过较薄的反射层和绝缘层而露出p层表面),分别在其上制备出P电极与N电极。P电极和N电极的结构尺寸越大,其表面的电流扩散就越不平衡。工作电流越大,则电流注入点附近的电流拥挤效应(Current Crowding)越严重。电流拥挤效应会导致电流注入点附近的热量堆积,芯片结温上升,局部电流密度过大,对于芯片内部的金属薄膜结构会产生较强冲击,导致发生金属析出等失效,加速器件老化。因此,功率型倒装LED芯片电极图形设计至关重要,其基本设计原则是:消除或减小电流的拥挤效应,尽可能保证芯片出光效率。本专稿将向读者介绍功率型倒装LED芯片电极的设计及其优化。

倒装电极的简单模型

Kim等人最早建立了倒装LED芯片电流扩展的二维解析模型,如图1所示。通过模型可以看到,LED输入正向电压时,电流将从LED的正极(P电极)依次流过P型GaN、有源层、N型GaN,最终到达负极(N电极)。图1中的A和B分别是代表从P电极到N电极的两条极端通道,在此模型中,为计算简便,暂时忽略金属电极层和外延层材料之间的接触电阻。

沿着A或者B任意一条扩展途径,电流在扩展层中的总压降Vt为垂直和水平方向压降之和:

式中:J为电流密度;ρt为电流扩展层的电阻率;l表示电流横向流动的长度;tt为电流扩展层的厚度;ω是器件宽度。设p型GaN层的压降为Vp,p-n结的压降为Vj,n型GaN层压降为Vn ,电流扩展层, p型GaN 层和n型GaN 层的电阻率分别设为ρt、ρp、ρn,则通过任一条通路的总电压降VT则为:

式中:tp和tn分别为p型GaN 层和n型GaN层的厚度;Vp为p型GaN层压降;Vj为p-n结压降;Vn为n型GaN层压降。

电流可以从任一路径流向扩展层,则通道A和B的压降分别为:

(3)式与(4)式两式相减可得:

(5)式表明,当A和B两条路径的压降值近似相等时,经过有源区的电流扩展最均匀,即J(ρtn)l≈0。由于ρt和ρn是由材料本身性质所决定的,因此想要实现电流的均匀扩展,应尽量减小J和l。J是电流密度,其状态与器件工作条件相关,可以通过增大电流扩展层的面积来减小J,但是LED芯片的电流扩展层面积越大,LED芯片的光效损失将会越大。因此,只能通过改良芯片结构图形、缩短电流横向路径,来提高LED芯片电流扩展的效果。

倒装电极的图案设计

n型GaN层条状电极

LED外延片制作完毕后,首先要通过光刻和刻蚀工艺,刻掉p型GaN层、多量子阱和部分n型GaN层,露出部分的n型GaN层。一般的LED电极图案是刻蚀芯片的一角,从刻蚀处引出n型电极。而条状电极则是n型GaN刻蚀槽呈条状均匀地分布在p型GaN层图形之中,如图2所示。条状图案电极之所以可以提高倒装LED芯片的电流扩展,是因为采用该图案时,芯片结构相当于多个p-n型结构并联,缩短了电流横向扩展长度。

条状电极图案明显降低了芯片电阻值。理论上来说,n型电极的条数越多,电流扩展越好,但是,由于刻蚀掉了有源发光层,芯片的发光面积会受到一定影响。因此,平衡条状电极的数量和芯片发光面积是电极设计的关键。

n型GaN刻蚀槽端口设计为圆形,是因为后续的工艺将从此处引出金属电极,作为电流流出点,相比于矩形端口,圆形端口更易向四周均匀地扩散电流,进一步增强电流扩散能力。

p型GaN层电流阻挡层

p型GaN层作为电流注入层,面积要远大于n型GaN电极图案层,容易在注入电流处形成电流聚集。而在每条n型GaN层电极图案中均匀排布一条电流阻挡层(Current Blocking Layer,CBL),可促进电流在正极处的横向扩展。电流阻挡层材料为绝缘材料,如SiO2、SiNx、SiNO等。其原理图如图3所示。

有了这层电流阻挡层,可以促进电流的横向移动,p型GaN层电流扩展更均匀,减小电流拥堵效应。电极设计图案见图4所示。

电流注入点数量

n型GaN层电流条和电流阻挡层末端的圆形端口即为引出金属电极的开孔。改变电流注入流出点数目,同样可使电流分布更均匀。综合以上三种设计方法,则大功率倒装LED芯片电极图形基本示意如图5所示。

 

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