GaN基蓝光大功率发光二极管的研制

光电子器件与技术收稿日期:2006-02-27；收到修改稿日期:2006-05-15

基金项目:国家973计划(20000683-02),北京市教委项目(2002kj018)，北京工业大学博士启动基金(kz020*******)，北京市科委

重点项目(D0404003040221)资助课题。

作者简介:邹德恕(1940~)，男，北京工业大学，研究员，长期从事微电子及光电子研究工作。*联系人：E-mail:gx182@mails.bjut.edu.cn

摘要采用一种自对准制造工艺和倒装芯片的装配技术，研制出GaN 基蓝光大功率发光二极管(1mm ×1mm)。其光学

参数：总辐射功率143.19mW ，光通量8.86lm ，发光效率7.29lm/W ，峰值波长462nm ，半峰全宽24nm ；其电学参数：正向电压3.47V 、正向电流350mA 。对相关工艺进行了简要讨论。关键词

大功率发光二极管；自对准；倒装

中图分类号：TN321+8

Manufacture of GaN-based High-power Blue Light Emission Diode

ZOU Deshu 1GU Xiaoling 1*SUN Chongqing 1ZHANG Jianming 1DONG Limin 1GUO Xia 1

SONG Yingpin 1SHEN Guangdi 1DING Chenglong 2WANG Xinchao 2

1Laboratory of Optoelectronics,Bejing Institute of Technology,Beijing 100022

2Changdian Zhiyuan Opto-Electronic Lt.Co.,Beijing 100022

()Abstract The technologies of self-aligning and flip-chip are adopted to develop GaN based high-power blue light

emission diode (1mm ×1mm).The optical parameters are followed:output power 143.19mW ，luminous flux 8.8615lm ，luminous efficiency 7.29lm/W,peak wavelength 462nm,full width at half maximum 24nm.The electrical parameters are:forward voltage 3.47V,forward current 350mA.The related techniques are also introduced briefly.Key words

high-power light emission diode;self-aligning ；flip-chip

GaN 基蓝光大功率发光二极管的研制

邹德恕1顾晓玲1*孙重清1张剑铭1董立闽1郭霞1

宋颖娉1沈光地1丁成隆2王新潮2

1北京工业大学光电子实验室，北京100022

2北京长电智源光电子有限公司，北京100022

()1引言

世界能源需求不断高涨，自然

资源日趋短缺，各工业发达的耗能大国极度关注节能技术的发展。GaN 基发光二极管(LED)技术的不断进步，特别是蓝光激发荧光粉发出黄光混合成白光技术的成熟，使得日常照明可以实现低成本，高寿命。各国纷纷提出了固体照明计划，极大促进了GaN 技术及其相关发光二极管技术飞速发展。其中最关键的是提高

GaN 基的发光二极管外量子效率及发光效率[1]，也就是必须解决三个重要技术问题：提高GaN 基器件的内量子效率，提高器件的光提取效率[2]，解决器件的散热。本文主要对提高光提取效率及增加散热方面的研究进展作介绍。

2实验过程和结果

生长好的GaN 基发光二极管

外延片用王水(HCl ∶НΝΟ3=3∶1)煮沸10min ，去除其表面的氧化物[3]。

用去离子水冲洗外延片，在硫化铵溶液浸泡后，再用去离子水冲洗干净，以保护表面以防再一次被氧化。烘干后的外延片立即放入溅射真空室内溅射Ni/Au 。取出后进行第一次光刻、甩胶，利用P 型电极

光刻版曝光、显影、坚膜、化学腐蚀掉P 区以外的镍、金层。再将此片放入感应耦合等离子干法刻蚀炉内，在光刻胶保护下腐蚀出N 型外延区。取出外延片后去掉光刻胶，清洗干净。把外延片放入快速退火

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光电子器件与技术

炉内，在N 2∶O 2=4∶1的气氛下退火，形成P 电极欧姆接触。进行第二次光刻，把P 型区留出来，其他地方用光刻胶保护好，放入溅射真空室内溅射Al/Ti/Au 。然后取出外延片用丙酮剥离，去掉P 电极区以外的Al/Ti/Au 层。此刻在P 电极上形成了对输出光的反射镜。进行第三次光刻，把P 电极保护好，使N 电极暴露出来，把外延片放入溅射真空室内溅射Ti/Al/Ti/Au 。溅射完后取出外延片用丙酮剥离，去掉N 电极区以外的Ti/Al/Ti/Au 层，并清洗干净。然后将芯片送至等离子体增强化学气相沉淀炉内淀积一层SiO 2。取出后进行第四次光刻，光刻胶把暴露出的P-N 结保护起来，化学

腐蚀掉其他区域的SiO 2，

只留下暴露出P-N 结附近的SiO 2，保护P-N 结。同时SiO 2上的光刻胶保留

住，把片子送至溅射真空室内溅射

Ti/Au 。取出外延片用丙酮剥离掉SiO 2上的光刻胶和Ti/Au ，然后磨片、划片、裂片。最后把每个分离的芯片倒装焊至硅支架上，再把此倒装的发光二极管芯片装配到TO-3基座上。整个芯片生产过程参看图1。

利用远方PMS -50紫外-可见-近红外光谱分析系统进行电光特性测试，测试结果如下：光通量

8.86lm ，

光效率7.29lm/W ，总辐射功率143.19mW ，工作电压3.47V ，工作电流350mA ，峰值波长

462nm ，

光谱半峰全宽24.0nm 。同时进行了寿命实验，在350mA 下工作1000h ，光强衰减为10%。

利用Agilent 4156C 电流-电压测试系统测出了发光二极管的正向导通特性，如图2所示，可以看出在正向导通50~100mA 处的动态电阻很小，为2.5赘。

3讨论与分析

在器件制作过程中采用了如下工艺技术，保证了较好的光提取效率和良好的散热条件。3.1自对准技术

利用自对准技术使Ni/Au 欧姆接触层与P 型大台区尺寸完全一致，免除了两次光刻中间的套刻间距，不仅减少了一次光

刻，而且有效增加了器件的发光

区面积，增加了出光效率。由于在

GaN 原始表面溅射Ni/Au 层，

表面可以充分冲洗干净。保证了GaN 与Ni/Au 层之间有很好的黏附性，使欧姆接触电阻尽可能小，这对大功率发光二极管是非常重要的。3.2钝化层SiO 2与厚金层制作利

用一次光刻

发光二极管的P-N 结保护一

般采用SiO 2，

在反光镜与N 电极金属做好后，利用等离子体增强化学气相沉淀法生长一层SiO 2，保护P 区与N 区台面中的P-N 结，减小P-N 结之间的漏电，提高可靠性。用腐蚀法去掉其他区域没用的SiO 2后，光刻胶仍然留在SiO 2上，然后立即去溅射厚Ti/Au ，这样可以使新制成的Ti/Au 与已溅射的Au 层有很好的黏附性，保证在以后的工序中Ti/Au 牢固不脱落，保证器件的可靠性。同时又省去一次光刻工艺，节约了时间和材料。3.3采用倒装技术[4]

蓝宝石的折射率为1.75，GaN 的折射率为2.3。光从GaN/InGaN 量子阱发出后，由于临界角很小，大部分光只能在器件内部反射，而被吸收掉，不能从GaN 表面射出来。采用倒装技术在GaN 表面P 电极欧姆层上制作金属铝反光镜，使光从蓝宝石表面射出，由于它的

图1

大功率发光二极管自对准工艺制备流程图

图2大功率发光二极管正向导通特性42

L

激光与光电子学进展

aser &Optoelectronics Progress

光电子器件与技术Vol.43,No.8Aug.2006

第43卷，第8期2006年8月

参考文献

1郭金霞，马龙，伊晓燕等.大功率GaN 基发光二极管的效率分析[R].第九届全国固体薄膜学术会议,2004,379~384

2Chihchiang Kao,Haochung Kuo,Hungwen Huang et al ..Light-output enhancement in a nitride-based light-emitting diode with 22undercut sidewalls[J].J.IEEE Photon.Technol.Lett .,2005,17(1):19~21

3Jong Kyu Kim,Jong-Lam Lee,Jae Won Lee et al ..Effect of surface treatment by (NH 4)2S x solution on the reduction of ohmic contact resistivity of p-type GaN[J].J.Vac.Sci.Technol.B ,1999,17(2):497~499

4伊晓燕,马龙,郭金霞等.大功率倒装结构GaN 基发光二极管P 电极研究[R].第九届全国固体薄膜学术会议,2004,374~377内反射临界角比GaN 的大，所以光线容易射出，出光效率提高，可以达到正面出光效率的两倍左右。3.4硅支架技术

倒装的管芯出光，是把管芯倒装焊接在一组特制的硅材料支架上。硅是很好的热导材料，在硅支架上可以制作防静电的保护二极管，这样不仅可以把功率发光二极管产生的热量从硅支架上散发出去，而且可以保护发光二极管不被静电积累击穿，提高可靠性。同时在硅支架上又制作了

铝反射镜，可以把发光二极管漏出的光线再反射出去，不被硅支架上的金电极吸收。

3.5蓝宝石出光面的粗化

倒装后的发光二极管光从蓝

宝石表面发射出来，由于蓝宝石的折射率为1.75，光临界角仍不够

大。所以要把蓝宝石表面粗糙化，在表面形成次光源，使光束可以更充分地从表面发射出来。

由于使用了上述工艺技术，使光的提取效率得到了充分提高，散热条

件有了很大改善,不仅提高了输出光功率而且增加了器件可靠性。

4结论

在GaN 基外延材料生长后，内量子效率基本确定了。要想制备出更好的发光二极管器件，必须从器件制备工艺上下功夫。采用自对准技术可提高器件有效的发光区。粗化出光后，采用倒装技术，合理制作硅支架，最终制造出大功率发光二极管。

肖特“冷光”技术带来最佳保护的“遮阳伞”

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特殊滤光片保护汽车灵敏元件免遭紫外线和热辐射损伤如今，塑料材料凭借其体积轻巧、手感舒适和外表美观等特点被广泛应用于汽车的仪表盘、座位、保险杠和引擎箱中。使用塑料材料还可以简化许多装配和生产流程，但塑料存在一定的缺点，如塑料元件不能暴露在强烈的紫外线和热辐射下(卤素灯和氙气灯就会产生这样的辐射)。如果缺乏保护，汽车前端的塑料元件就可能被辐射损坏，过早老化。为了解决这一问题，肖特股份有限公司(SCHOTT AG)下属的肖特照明部门(SCHOTT Lighting Components)组织研发人员，

专为汽车前灯研制了紫外线和红外线反射滤光片。凭借其创新性的紫外线和红外线滤光片，肖特为塑料材料在汽车制造中的应用开辟了更为广阔的天地。

肖特制造的紫外线和红外线长短通滤光片(edge filter)可以把可见光和有害光线根据波长区分开来，在确保可见光毫无损失通过的同时，把有害光线过滤掉。有上述功能的干扰滤光片是将滤光物质以蒸汽的形式凝结在平面基板和透镜、反射镜等复杂元件上，然后整合到整个系统中。因此就像微型遮阳伞一样，紫外线滤波器把波长在380nm 以下、对塑料材料产生损坏作用的不可见光阻止在外，从而保护了元件，不让其过早老化。不可见的紫外线被拦截后，可见光线依然能够完全通过滤光片，而且强度不会受到影响。

在更高的波长范围内，红外线滤光片可以保护塑料元件免受光源产生的热量带来的损坏。当光波波长达到750nm 以上，肖特滤光片可以阻挡对塑料材料具有损坏作用的红外线辐射，热量则被释放到底座(housing)的边上或者后部。

肖特制造的紫外线和红外线滤光片具有很高的光反射率和红外线传输率。值得一提的是，滤光片的光谱性质可以根据客户要求，并依据光源和操作方式进行定制。滤光片涂层使用寿命很长，适用于所有的环境，即使是在极端的温度条件下也可以使用。该款滤光片可以用在小型车、中型车、豪华车，SUV

（多功能运动型车），卡车和农艺用车等各种车型中。详情请浏览：

http://www.schott.com/china

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