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增强Ag电极与p-GaN之间的黏附力

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  新闻网讯(通讯员东季)动力与机械学院周圣军副教授等在大功率倒装结构发光二极管(Light-Emitting Diodes,LEDs)研究领域取得新进展,研究成果近日发表在光学领域著名期刊Optics Express(《光学快报》)。

  大功率倒装结构LED芯片在汽车大灯、特种照明等LED高端照明市场具有广阔的应用前景。德国欧司朗、日本日亚和美国Lumileds公司掌握了大功率倒装结构LED芯片的核心技术,绝大部分LED高端照明市场被这三个公司占领。高反射率、低阻p型欧姆接触电极是倒装LED芯片制造的关键核心技术。金属Ag具有反射率高、导电性好等优点,因此被选用于制作高反射率p型电极。但是采用电子束蒸镀工艺制备的Ag薄膜与p-GaN的黏附强度低、热稳定性差。

  瞄准倒装LED芯片制造的关键核心技术“卡脖子”问题,周圣军开展了一系列工作,在高反射率、低阻p型欧姆接触电极的制备上取得突破。首先,采用离子束溅射工艺制备Ag电极,增强Ag电极与p-GaN之间的黏附力。为了解决Ag电极在高温退火过程中的扩散和团簇问题,在Ag薄膜上沉积TiW阻挡层,发现当TiW阻挡层的厚度超过300纳米时,可以有效抑制Ag扩散到SiO2钝化层引起的短路问题以及高温退火工艺中Ag薄膜发生团簇引起的反射率下降问题。但是由于TiW和Ag的热膨胀系数不匹配,Ag/TiW在经过高温退火后,TiW阻挡层中的残余应力会导致裂纹产生。研究人员通过在TiW阻挡层中插入应力释放层(Pt),形成金属堆栈电极(Ag/TiW/Pt/TiW/Pt/TiW/Pt)调节Ag/TiW中的残余应力,有效地避免了表面裂纹的形成。

  金属堆栈电极在经过600℃退火处理后,在可见光波段的反射率仍然能够保持在95%以上。采用这一金属堆栈电极设计的大功率倒装结构LED芯片在经过1000小时的老化实验后,光输出功率衰减不超过3%。为了揭示高温退火之后Ag与p-GaN形成低阻欧姆接触的机理,研究人员通过X射线光电子能谱分析(XPS)发现Ag/p-GaN样品在经过高温退火之后,Ag原子和Ga原子通过扩散在界面附近区域形成Ag-Ga固溶体。第一性原理计算证实这种扩散现象可以降低Ag与p-GaN接触界面的肖特基势垒高度,有利于Ag与p-GaN形成低阻欧姆接触。

  此外,大电流注入下的LED芯片存在严重的电流聚集现象,传统的插指型电极结构无法使注入电流在LED芯片有源区中均匀分布。研究人员提出具有通孔接触式n型电极与高反射率p型接触电极结构的三维倒装结构LED芯片,提升了电流扩展均匀性,使蓝光LED芯片的饱和光输出电流提高到原来的两倍,打破了日本日亚、德国欧司朗、美国Lumileds公司对车用LED芯片的技术垄断。

  该项研究课题得到国家自然科学基金重点项目的资助(U1501241),研究成果已在汽车照明和特种照明领域得到应用。



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