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第 32 卷 第 1 期厦门理工学院学报Journal of Xiamen University of TechnologyVol.32 No.12024 年 2 月Feb.2024金属反射层制备工艺对倒装LED芯片光电性能的影响刘智超1，林海峰1*，郭贵田2（1.福建省光电技术与器件重点实验室，福建 厦门361024；2.厦门士兰明镓化合物半导体有限公司，福建 厦门361026）摘 要 为了解决倒装GaN基LED芯片中金属反射层的Ag原子迁移问题，提高反射层的反射率和稳定性，采用Ag作为GaN基倒装LED芯片反射层薄膜材料；在Ag层上蒸镀TiW保护层，改变Ag反射镜制备过程中Ag/TiW溅射功率、Ar气体流量等工艺参数，研究其对LED芯片光电性能的影响。实验结果表明，当Ag溅射功率为200 W、TiW溅射功率为3 000 W、环境Ar气流量为150 mL/min时，LED芯片的工作电压和出光功率分别为2.91 V、1 247.03 mW，在400800 nm波段，金属反射层的反射率平均提高了约0.31%，460 nm处的反射率高达96.70%，且产品的综合良率提升了约1.17%。关键词 倒装LED芯片；光电性能；金属反射层；Ag/TiW溅射功率；Ar气体流量中图分类号 TN312.8 文献标志码 A 文章编号 1673-4432（2024）01-0023-06Effect of Metal Reflective Layer Preparation Process on Photoelectric Properties of Flip LED ChipsLIU Zhichao1,LIN Haifeng1*,GUO Guitian2(1.Fujian Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Devices,Xiamen 361024,China;2.Xiamen Silan Advanced Compound Semiconductor Co.,Ltd.,Xiamen 361026,China)Abstract:In order to improve the migration of Ag atoms in the metal reflective layer of the flip-chip GaN-based LED and the reflectivity and stability of the reflective layer,Ag was used as the thin film material of reflective layer for flip-chip GaN-based LED,TiW was evaporated on the Ag layer as protective layer,the Ag/TiW sputtering power,Ar gas flow rate and other parameters for the silver mirror preparation were adjusted,and influences of these factors on the photoelectric performance of the LED chip were then studied.The experimental results showed that when the sputtering power of Ag and TiW was 200 W and 3 000 W,the ambient Ar gas flow rate was 150 mL/min,the working voltage and optical output power of the LED chip were 2.91 V and 1 247.03 mW respectively,and the reflectivity of the metal reflective layer increased by about 0.31%in the 400-800 nm wavelength band,the reflectivity at 460 nm wavelength was 96.70%,and the comprehensive yield of the product increased by about 1.17%.Key words:flip LED chip;photoelectric performance;metal reflector layer;Ag/TiW sputtering power;Ar gas doi:10.19697/ki.1673-4432.202401004收稿日期：20230409 修回日期：20230610基金项目：福建省自然科学基金项目（2022J011274）通信作者：林海峰，男，教授，硕士，研究方向为激光技术与器件、光电子器件，E-mail：。引文格式：刘智超，林海峰，郭贵田.金属反射层制备工艺对倒装LED芯片光电性能的影响 J.厦门理工学院学报，2024，32（1）：23-28.Citation:LIU Z C,LIN H F,GUO G T.Effect of metal reflective layer preparation process on photoelectric properties of flip LED chipsJ.Journal of Xiamen University of Technology,2024,32(1):23-28.(in Chinese)厦门理工学院学报2024 年flow rates当前，人类已经进入以LED为代表的新型照明光源时代，随着LED照明应用的普及，人们对LED的需求发生了由量到质的变化1。GaN基LED芯片主要包含正装芯片、倒装芯片和垂直芯片3种结构2。相对于应用广泛的正装结构的LED芯片，倒装LED芯片有3个明显的优点，即不需要焊线工艺，荧光粉涂布均匀，以及大电流驱动下的亮度和可靠性好3。为了进一步提高倒装LED芯片的光效，通常在p型GaN层上的氧化铟锡（indium tin oxide，ITO）膜上制备高反射率的反射层，使得外延发光经过ITO到达反射层后被反射，经过蓝宝石面出光，从而提高LED亮度。倒装LED芯片反射层通常采用分布式布拉格反射（distributed Bragg reflector，DBR）反射镜和薄膜反射镜。DBR反射镜虽然具有99%以上的高反射率4，但其反射带宽有限，反射方向单一，且作为DBR材料的化合物SiO2导热性能差，DBR结构的厚度亦过厚，致使LED的散热性能差，影响了其可靠性5。传统的薄膜反射镜采用Ni/Au作为金属反射层，Ni/Au可以与P-GaN形成很好的欧姆接触，但是在460 nm波长处的光反射率很低，小于40%6。而Ag在该波段具有95%以上的光学反射率，因此，Song等7直接蒸镀Ag作为LED倒装芯片的接触电极，而且Ag本身拥有优良的导电、导热性能，可更好地导通电流、散热8，被广泛应用于倒装LED芯片反射层中。但Ag因自身的金属特性，在一定条件下容易发生金属迁移9，导致电性异常而死灯。为了有效防止Ag原子在金属反射层之间的迁移，通常采取多层复合结构金属保护层和退火处理。吴滢滢10设计了一种结构稳定、致密性好的双夹层复合结构金属保护层，减少Ag原子的迁移和PN结的导电通道，降低漏电率；文献11-12通过对金属反射层进行退火处理，增强p-GaN与金属反射层间的欧姆接触，提高Ag原子的稳定性，降低工作电压，提高LED倒装芯片光输出功率。但以上2种方法结构设计复杂，成本较高，产品生产良率低。因此，本文采用Ag、TiW作为反射层薄膜材料，直接在Ag薄膜层蒸镀TiW保护层，形成简单双层结构的金属反射层；然后通过设计和优化金属反射层的沉积工艺参数，研究不同Ag/TiW溅射功率、Ar气体流量等工艺参数对LED芯片光电性能的影响；最后通过减少LED芯片银镜反射层中Ag原子的迁移，克服退火过程导致产品生产良率降低的问题，进而提高LED倒装芯片光输出功率、稳定性和产品生产良率。1实验条件实验中采用的倒装LED芯片结构见图1。为了提高芯片亮度，在ITO上镀一Ag镜作为反射层，其结构见图2。Ag在波长460 nm左右的光反射率达到95%以上，是一种重要的反射层薄膜材料。Ag金属活性较强，表面易氧化，因此，在镀完反射层之后，往往还需要在其表面镀上其他更稳定的金属如Ti、Pt、Au和TiW等，形成一个多层金属叠加的Ag镜结构。这层结构在倒装芯片能发挥光线反射、正极注入电流扩展、横向导热的作用，其中光线反射作用影响了LED芯片的亮度。因为Ag镜基本上覆盖了整个发光区，所以倒装LED芯片的正极注入电流扩展和横向导热作用都优于正装LED芯片，使Ag镜倒图1倒装LED芯片结构图Fig.1Structure of flip LED chip图2Ag镜反射层结构Fig.2Structure of silver mirror reflective layer24第 1 期刘智超，等：金属反射层制备工艺对倒装LED芯片光电性能的影响装芯片具有更优越的性能。实验中倒装LED芯片反射层制备采用真空溅射镀膜技术，样品为相同金属有机化学气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD）机台及工艺条件生长的外延层的GaN基倒装LED基片，每一基片上有8 500粒倒装LED晶粒，溅射机台为瑞士Evatec公司生产的LLS EVO型物理气相沉积镀膜机，在每一基片上进行镀膜，膜层结构见图2。在LED基片先镀上200 nm的Ag膜，再在Ag膜上镀200 nm的TiW膜形成反射层，然后使用标旗光电生产的Planum 3000型光谱仪测量同炉BK7玻璃片的Ag层反射率，待芯片加工流程完成后，使用矽电倒装单针测试机L-9DM测试每一粒晶粒工作电压、光功率等光电性能参数，反射层制备工艺流程见图3。为了便于比较，以Ag溅射功率为100 W、TiW溅射功率为2 000 W，Ar气体流量为150 mL min-1为基础工艺条件，在基础工艺条件上进行横向拉偏，研究不同膜层溅射功率、Ar气流量等工艺参数对反射层光电性能的影响。2实验结果与分析2.1Ag膜层溅射功率对反射率的影响在LED芯片中，Ag金属反射层反射率越高，LED的光功率越高，因此，提高Ag金属层的反射率就能提高整个LED的光功率。溅射功率是影响Ag膜层反射率的关键因素，但Ag金属层与基片外延层相距很近，它们之间只相隔一层浅薄的ITO薄膜，因此外延层对Ag金属层的溅射功率较为敏感，功率过大有损伤外延层的风险，功率较小又不能满足正常生产产能的需求。所以，选择一个合适的溅射功率对于LED生产是十分重要的，故横向拉偏Ag层溅射功率来测试其对芯片的影响。以相同的Ar气流量环境（150 mL min-1）、TiW 溅射功率（2 000 W），制备了分别使用50、100、150、200 W的Ag溅射功率生长Ag金属层的4组样品，每组样品有8 500粒倒装LED晶粒，并且样品的Ag、TiW膜层厚度均为200 nm。不同Ag溅射功率对反射率的影响情况如图4所示，可见，Ag膜层反射率随着溅射功率的增加而升高，当溅射功率为50 W时，样品膜层的反射率明显低于其他条件；当溅射功率高于 100 W 时，反射层在 40040035045050055065075060070080094939698979599100反射率/%波长/nm 50 W 100 W 150 W 200 W44045046047048095.596.096.597.097.5反射率/%波长/nm图4不同Ag溅射功率对反射率的影响Fig.4Effect of different Ag sputtering power on reflectivity图3反射层制备工艺流程Fig.3Preparation process of reflective layer25厦门理工学院学报2024 年800 nm波段的反射率比溅射功率为50 W的提升约0.5%，而且反射率随着溅射功率的增大变化不大。测量LED芯片的光电特性参数，其结果见表1。由表1可知，溅射功率对LED芯片的工作电压影响不大，4组样品的工作电压均在2.85 V左右，光功率随着功率升高而升高，当Ag溅射功率为200 W时，LED芯片光功率比溅射功率为50 W的提高了14 mW（约1.15%）；但综合良率却有下降的趋势，Ag溅射功率为200 W的比50 W的综合良率要低约2.5%。究其原因，可能是由于Ag层溅射功率升高，使Ag膜层的致密性变好，反射率提高，从而使光功率提升，但功率提高对外延层的损伤加重，导致了芯片良率下降。2.2TiW溅射功率对反射率的影响为了防止Ag金属层氧化，确保Ag金属的稳定性，实验中在Ag金属层上迁移TiW金属保护层，横向拉偏TiW层溅射功率，测试其对芯片的影响。以相同的Ar气流量环境（150 mL min-1）和Ag溅射功率（100 W），制备了分别使用1 000、2 000、3 000 W的溅射功率生长TiW保护金属层的3组样品，每组样品有 8 500 粒倒装 LED 晶粒，且样品的 Ag、TiW 膜层厚度均为 200 nm。测试样品的光电参数见表2，膜层反射率随着TiW层溅射功率变化结果见图5。由图5和表2可见，膜层反射率在400600 nm范围内基本不变，然而在600800 nm却略有小幅下降，TiW层溅射功率每提高1 000 W，反射率约下降 0.20%；LED 出光功率随之小幅下降，前后差距仅 3 mW（约 0.25%），且所有的样品工作电压均在2.85 V左右；但样品的综合良率随着TiW溅射功率增大而上升，当TiW溅射功率为3 000 W时，样品的综合良率为83.33%，比1 000 W溅射功率的综合良率提升了2.53%，这可能是由于TiW层溅射功率升高，破坏了Ag膜层的致密性，使Ag层反射性能降低，但 TiW 层溅射功率提高，使TiW金属对Ag层的覆盖性增强，有效防止Ag金属的迁移，从而使芯片良率提高。表1不同Ag溅射功率样品的光电参数Table 1Photoelectric parameters of samples with different Ag sputtering power指标电压/V光功率/mW综合良率/%Ag溅射功率/W502.841 227.3680.341002.851 229.4377.561502.851 233.4978.592002.851 241.5177.85表2不同TiW溅射功率样品的光电参数Table 2Photoelectric parameters of samples with different TiW sputtering power指标电压/V光功率/mW综合良率/%TiW溅射功率/W1 000 2.851 249.4580.802 000 2.851 246.4481.573 0002.851 243.9983.33400350450550650750500600700800949396989795反射率/%波长/nm 1000 W 2000 W 3000 W44045046047048095.596.096.597.0反射率/%波长/nm图5不同TiW溅射功率对反射率的影响Fig.5Effect of different TiW sputtering power on reflectivity26第 1 期刘智超，等：金属反射层制备工艺对倒装LED芯片光电性能的影响2.3Ar气流量对反射率的影响溅射过程中需要电离工艺环境中的Ar原子，Ar原子形成Ar正离子来轰击金属靶材，溅射出金属粒子，Ar气体浓度越高，产生的Ar正离子越多，对溅射出的膜层的致命性和底层的破坏程度可能有影响。因此，横向拉偏 Ar 气流量，研究其对LED芯片光电性能的影响。以相同的Ag溅射功率（100 W）、TiW溅射功率（2 000 W），制备了使用100、150、200 mL min-1的Ar气流量环境生长金属层的3组样品，每组样品有8 500粒倒装LED晶粒，且样品的Ag、TiW膜层厚度均为200 nm。样品的膜层反射率、光电参数见图6和表3。由图6和表3可见，样品的反射率、工作电压、光功率基本没有差别，因此溅射工艺过程中Ar气流量对产品的光电性能影响较小，但是当Ar气流量为150 mL min-1时，样品良率比其他条件的要高约1%。2.4最优条件的组合综合以上 3组实验的结果，当 Ag溅射功率为 200 W时，LED出光功率最高，为 1 241.51 mW，但是综合良率最低。为了弥补Ag溅射功率升高带来的良率损失，选择综合良率最高的TiW溅射功率为3 000 W和环境Ar气流量为150 mL min-1作为优化工艺条件，分别生长两组样品，每组样品有8 500粒倒装LED晶粒，且样品的Ag、TiW膜层厚度均为200 nm。样品的膜层反射率、光电参数见图7和表4。与生产线上目前的工艺条件（Ag溅射功率为100 W，TiW溅射功率为2 000 W，环境Ar气流量为150 mL min-1）进行比较，在优化工艺条件下，样品的工作电压和出光功率分别为2.91 V、1 247.03 mW，在 400800 nm 波段，金属反射层的反射率均提高了约0.31%，460nm处的反射率高达96.70%，产品的综合良率提升了约1.17%。表3不同Ar气流量环境下样品的光电参数Table 3Photoelectric parameters of samples with different Ar gas flow rates指标电压/V光功率/mW综合良率/%Ar气流量/（mLmin-1）1002.851 233.1681.381502.851 233.7182.212002.841 235.1081.19400350450550500600650750700800949698979593反射率/%波长/nm 100 mLmin-1 150 mLmin-1 200 mLmin-144045046047048095.596.096.597.0反射率/%波长/nm图6不同Ar气流量对反射率的影响Fig.6Effect of different Ar gas flow rates on reflectivity400350450550650750500600700800949697959398反射率/%波长/nm 基础条件 优化条件图7基础条件与优化条件反射率的对比Fig.7Comparison of reflectivity between basic and optimized conditions表4基础条件与优化条件光电参数的对比Table 4Comparison of photoelectric parameters between basic and optimized conditions指标电压/V光功率/mW综合良率/%基础条件2.911 245.7885.86优化条件2.911 247.0387.0327厦门理工学院学报2024 年3结论本文研究了倒装LED芯片金属反射层制备工艺中Ag和TiW溅射功率、环境Ar气流量对LED芯片光电特性的影响，得出：当Ag溅射功率为200 W时，LED芯片的出光功率最高，但是综合良率最低；当TiW溅射功率为3 000 W和环境Ar气流量为150 mL min-1时，样品综合良率最高。以此作为优化工艺条件制备Ag镜反射层，即当Ag溅射功率为200 W、TiW溅射功率为3 000 W、环境Ar气流量为150 mL min-1时，样品的工作电压和出光功率分别为2.91 V、1 247.03 mW，在400800 nm波段，金属反射层的反射率均提高了约0.31%，460 nm处的反射率高达96.70%，产品的综合良率提升了约1.17%。参考文献1 黎学文,陈磊林,金填.LED创新应用发展现状J.中国照明电器,2021(7):1-6,34.2 徐瑾.新型GaN基倒装LED芯片技术研究D.武汉:华中科技大学,2019:5-6.3 连程杰.LED芯片倒装技术简述J.长江大学学报(自然科学版),2013,10(31):96-97.4 郝锐,武杰,吴魁.反射层对倒装LED芯片性能的影响J.电子工艺技术,2019(5):125-129,178.5 吕家将,郑晨居.LED芯片DBR反射镜优化设计J.半导体光电,2018(6):798-801.6 周勋,罗木昌,赵文伯,等.Ni层厚度对p-GaN欧姆接触特性的影响 J.半导体光电,2014(5):850-854.7 SONG J O,KWAK J S,SEONG T Y.Ohmic and degradation mechanisms of Ag contacts on p-type GaNJ.Applied Physics Letters,2005(6):1-4.8 周朝旭.倒装LED芯片的制备及反射层研究D.天津:河北工业大学,2019:36-37.9 庞佳鑫,唐文婷,陈宝瑨.基于超薄贴合技术的单片集成大功率倒装LEDJ.半导体技术,2022(9):755-760.10 吴滢滢.GaN-LED倒装芯片的金属保护层设计与研究J.中国新技术新产品,2022(23):73-75.11 陆佑铭.Ag/p-GaN欧姆接触退火研究D.南京:南京大学,2020:48-56.12 周朝旭,张保国,王静辉,等.LED倒装芯片Ni/Ag/Au结构反射层的退火工艺J.半导体技术,2016,41(11):842-846.(责任编辑 雨松)【简讯】厦理工影传学院与新浪（厦门）携手共建海洋文化传播基地1月11日，我校影视与传播学院在创艺楼实验剧场举办“海洋文化传播基地”签约仪式。建设海洋文化传播基地旨在贯彻落实习近平总书记“海洋强国”战略思想，促进我校网络新媒体国家一流本科专业与行业企业的紧密合作，为培养海洋文化创意与传播人才搭建起凝聚智慧、共谋海洋文化发展的优质交流平台，推动我国海洋文化高质量发展。学院在活动现场还举办了“海洋文化传播人才培养实验班”启动仪式，分别围绕海洋传播人才培养、海洋文化传播、海洋科学传播等进行了话题分享。此前，新浪（厦门）和我校网络与新媒体专业教研团队已开展了部分核心专业课程共建合作，业界专家定期为我校学生开设辅导课程并进行答疑解惑，结合企业真实项目锻炼学生实操能力。经过为期两个月的新媒体运营实践，同学们的微博账号点赞量、浏览量激增，取得了良好的传播成效。此次签约将进一步深化校企合作，共同为保护海洋、传播海洋文化、推动海洋可持续发展贡献智慧和力量。（影视与传播学院/文）28