概述

近几年，随着固体照明技术的发展，LED照明在业内掀起了一股热浪，由于这种固体光源较之传统照明技术具有高效、节能、长寿命、小体积、易维护、绿色环保、使用安全、可在各种恶劣环境下工作等领先优势，所以被公认为是未来照明光源之首选。随着GaN基LED器件制作技术的日益成熟，GaN基LED芯片被越来越广泛的应用到人们的日常生活中，已普及到手机等各种便携电子产品背光源、交通灯及显示标志、汽车用灯、户内外全彩显示屏、白光照明、城市夜景照明等诸多领域。因此，人们对LED芯片的稳定性的要求也越来越高。尤其是2008年北京奥运工程又为LED芯片提供了一个大展身手的舞台。但前提是要保证器件的稳定性。近几年人们已经从以前盲目的宣传LED寿命可达数万小时的误区中走了出来，开始清醒的认识LED芯片的寿命问题，随之而来的是对LED芯片寿命的置疑，包括各大LED芯片生产商在内，芯片寿命成了困扰他们的一个主要问题。原美国AXT公司经过多年研究，成功研制生产出GaN基蓝、绿光发光二极管，并从产业化的角度，对其均匀性重复性进行了认真的探讨和研究，建立了稳定的研究队伍，发表论文多篇，在世界各地获取了多项发明专利。目前己掌握了 GaN基蓝、绿光发光二极管制备的关键技术，而且用于生产氮化物蓝、绿光发光二极管的生产设备及配套技术已经成熟，产品已投放市场，他们的技术优势之一就是芯片具有优越的稳定性。生产线移植到大连后，原AXT的绝大部分技术骨干和高级管理人员应聘于大连路明集团，经过紧张的调试，迅速恢复了原AXT在美国的生产工艺和技术水平，在短时间内实现了量产，并凭借其优越的寿命性能，结合成本优势，大力度扩展产品在全球中高端应用领域的使用，例如交通信号灯，大型显示屏和白光照明等领域。考虑到本公司的芯片一向以稳定性而著称，本文就试图根据多年的LED芯片制作经验从其制造的各个阶段浅析一下影响芯片稳定性的一些因素，以供大家讨论。

1、外延的影响

外延片生长技术是发光二极管技术的精髓所在。众所周知，GaN与其衬底蓝宝石的晶格失配度相当大，所以在蓝宝石上生长GaN容易造成大量的晶格缺陷，而这些缺陷过多就会造成p-n结发生隧道击穿，从而大大降低器件抗静电能力【1】，容易导致器件失效，所以人们都在寻求各种方法减少这些缺陷的形成。从根本上来讲，这是减少芯片失效率、增进稳定性最本质的办法，但由于GaN与其衬底蓝宝石的晶格失配的不可改变性，人们只能对其在一定程度内加以控制，并不能彻底消除。路美芯片的前身——原美国AXT光电公司就对此有良好的经验。他们通过在生长In GaN层之前先长3层缓冲层来减少晶格失配。第一层是InGaN层，它能提供一个较好的表面扩散系数，但它与GaN的晶格失配更加严重，所以要加入一层过渡层；第二层是AlGaN，就是起从InGaN到GaN的过渡作用的；第三层是GaN，它为高质量的InGaN的生长提供了基础。这项技术已获得美国专利【2】。它在保证亮度和电压的同时，能够有很好的稳定性。不断的改进外延生长条件，增强外延片的抗静电能力，这就是我们的芯片具有优越稳定性的前提条件。

2、芯片图形结构的影响

在LED芯片的制作过程中，要想得到光电性能良好的芯片，首要条件就是有一个合理的图形设计，因为它决定了电流扩展的情况，只有均匀扩展的结构才有着良好的稳定性。电流的均匀扩展能够避免对局部注入的电流相对过大而使那一点处的结温局部过高致使p-n结烧毁，这对于工作电流较高的功率型芯片尤为重要。因此，要想得到好的稳定性就要先有一个合理的图形结构。

图1 不同图形结构示意图

通过多次理论设计和反复的实验验证，我们发现树状结构能有效的改善电流分布，降低电压，提高寿命。经研究发现，减少电极到各个角落的距离有助于改善电流分布，降低电压，提高芯片的寿命。有人曾对比过如图1所示的两种结构，所用的电极材料、制作工艺都相同，发现1000小时光衰(b)比(a)小约10％【3】。

小尺寸芯片的电流分布对寿命影响尚且如此之大，则功率型芯片图形设计的重要性可见一斑了。经过不断努力和探索，我们设计并实验了多种功率型GaN基LED 器件的芯片尺寸及图形结构，通过对其内部电场分布及光电参数的分析研究，得到了优化的正装功率型器件图形结构，这一系列的图形结构都具有自主知识产权。现有产品P3已是第三代POWER CHIP，并已在美国获得了发明专利【4】。

我们的P3芯片采用树状结构，减少了电极到芯片各个角落的距离，同时保证了一定的出光面积，极大的改善了电流分布，这就使芯片因电流分布不均匀而导致的p -n结烧毁的可能性大大降低；同时电极到芯片各角落的距离的减少可以有效的降低热阻，尤其在大电流的条件下，能够减少电流传输过程中的热量的产生，从而提高了芯片的使用寿命和出光效率。

我们同时把这种树状结构用于N电极结构，这样可以有效降低电阻。同时树状结构可以改善芯片出光的均匀性，这点可以通过给芯片加一股极小的电流，使芯片处于刚刚开启状态，观察芯片的发光情况而得到证实。

图2是我们功率型芯片的电极结构图。最后，在图3中给出了我们的P3芯片经过4000小时加速老化的光衰情况，当然这个结果不仅仅得益于图形的设计，还与整个芯片制作工艺有着密切的联系。老化实验条件为：TO封装、室温、750mA电流驱动。

图2 正装大功率芯片图形结构

图3 功率型P3芯片老化情况

3、N极接触电极对芯片稳定性的影响

N极欧姆接触相对比较好做些，多数是采用铝做电极，电压一般比较低，但由于铝是一种活泼金属，其稳定性很差，所以经过一段时间的使用后，电压会有所变化，那么如何控制电压的稳定性也就成为了影响芯片稳定性的因素之一。我们通过反复实验，得到了一种可以使N极接触电压稳定的制备工艺条件，图4是我们功率型芯片的电压老化实验结果，条件为：TO封装、室温、750mA电流驱动1000小时老化。

从图中我们可以看出，经过1000小时750mA加速老化，其正向电压变化基本在0.1伏之内。

我们的小功率型芯片的正向电压会更稳定些，TO封装、室温、100mA电流驱动1000小时老化后电压变化绝对值平均为0.02V。

由此可见，控制N极接触电极的制备条件对于改善芯片电压稳定性有着极为重要的作用。

图4 功率型P3芯片老化电压情况

4、研磨减薄时的应力控制

众所周知，在外延片减薄过程中要加一定的压力，而这个压力并不一定能够均匀施加，另外由于外延片内部结构的缺陷并不相同，所以其内部的应力的产生和分布也有很大差别，应力在外延片中的积累不仅会影响划片裂片的良率，同时会对光电性能产生很大影响。芯片内部存在的应力是一种不稳定的因素，随着芯片的使用其大小和分布亦会产生变化，因而芯片的光电性能也会随之产生变化，芯片的稳定性就难以得到保证。

认识到这一点，我们就需要采取一些措施来减少研磨减薄过程中应力的产生，并且在减薄完成之后进行一些处理以消除应力。我们发现这一处理对于增进电压的稳定性有着至关重要的作用，未经消除应力处理的芯片在研磨减薄前后的正向电压值变化没有规律，有升高也有降低，幅度可达0.2 V，当我们对应力加以控制，并进行消除应力的处理之后，研磨前后的电压值基本不变。这对增进电压稳定性有很大帮助。

通过我们对器件稳定性的研究和不断改进，使得芯片的稳定性有所提高，我们用自产的芯片封装成LED后于其它厂家LED进行寿命试验测试对比，得出下面曲线。

图 5 Blue LOP Degradation at 55C, 30mA

从曲线可看出我公司芯片封成的LED具有卓越的可靠性，有效使用寿命长，色泽及亮度衰减率极低,特别适用于半导体照明和显示等对寿命要求严格的产品。

综上所述，我们从包括外延影响在内的四个方面对芯片的稳定性进行了探讨，以上探讨主要都是基于我们制作芯片的实际经验，但要真正搞清楚和完善芯片的可靠性还有很长的路要走，我们会继续研究和改进，以推动LED芯片产业和应用的发展。

参考文献

[1] 施敏. 半导体器件物理与工艺 [M]. 苏州：苏州大学出版社，2002.

[2] Chen, Changhua; Dong, James; Liu, Heng. InGaN/AlGaN/GaN MULTILAYER BUFFER FOR GROWTH OF GaN ON SAPPHIRE. US 2002/0175337 Al.

[3] S.J.Chang, et al. Highly Reliable Nitride-Based LEDs With SPS+ITO Upper Contacts [J]. IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, 2003, (39):1439-1443.

[4] Yongsheng Zhao, William W.So, Kevin Y.Ma, et al. HIGH POWER,HIGH LUMINOUS FLUX LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF MAKING SAME. US 6650018 B1.