真空蒸镀中蒸镀源冷却时间对LED芯片性能的影响

发光二极管LED（Light Emitting Diode），是一种将电信号转换为光信号的电致发光半导体器件，又被称为固态照明光源。作为第四代的照明光源，其具备高寿命、低污染、低能耗、低驱动电压等特点，已经在市面上得到了广泛应用。就LED芯片材料本身，可分为GaN基和GaAs基LED；就电极位置，可分为水平结构和垂直结构；以材料方向，可分为正装和倒装结构。其中垂直LED由于其电流扩散好，衬底导热率较高等特点，被广泛应用在照明、显示屏、汽车灯、舞台灯、投影仪等领域^[1]。企业对于LED芯片在生产制备环节，大多以降低电压，提升发光效率为目标。本文主要讨论LED红光正装垂直芯片，以Cr/Ti/Al作为电极结构，在确保亮度不受明显衰减和电极可靠的前提下，分析通过电子束真空蒸镀法，优化金属间成膜的欧姆层接触，可以达到降低LED芯片电压，保证产品稳定功率输出的目的。真空蒸镀是指在一定的真空度下，将所要沉积成膜的材料利用电阻或电子束加热的手段达到熔化温度，使原子蒸发，到达并附着在基板表面上形成膜层的一种镀膜技术，是一种物理气相沉积（PVD）^[2,3]。早在1857年法拉第就提出了这种方法，如今在生产制造行业已经成为最常见的真空镀膜技术之一。在真空镀膜过程中，可实现单层或多层膜沉积。但无论单层还是多层膜，在蒸镀完成后都需要对蒸镀源进行冷却。蒸镀源冷却时间为指定膜层镀膜完成后，电子枪/钨舟/坩埚等器件关闭，整个腔体开始降温的过程；或多层膜蒸镀时，层与层间的降温冷却时间。

垂直LED芯片结构如图1所示。

（4）经过基板减薄，电子束真空蒸镀Nside金属电极，以及切割等工艺，最终制备出芯片大小为7mil。本文讨论的重点在于，在额定工作电流为20mA的条件下，通过电子束蒸发蒸镀出的P电极金属膜层，Cr/Ti/Al各层间蒸镀源冷却时间与电压的关系。

图1 垂直LED芯片结构

3  器件特性测试结果与讨论  

最终制备出的产品光电参数如表1所示，并从中得出如下结论：

（1）第一组实验表明，相同Cr源蒸镀膜层完成后冷却5min再蒸镀Ti膜层，Ti源蒸镀后冷却时间不同（0min/1min/5min），表现出的电压（V_F）不同。在Ti膜层蒸镀完成后冷却1min的条件下，所表现出的V_F最低；

（2）第二组实验表明，在相同Ti源蒸镀膜层冷却均为5min的条件下，Cr源蒸镀后冷却时间不同（0min/1min/5min），所表现出的V_F也不同。在Cr膜层蒸镀完成后冷却1min的条件下，所表现出的V_F最低；

（3）第三组实验则表明，Ti膜层和Cr膜层在冷却到不同温度的情况下（Cr/Ti蒸镀源冷却时间分别为5min/5min，1min/1min，0min/0min），两层蒸镀源在冷却时间均为1min的条件下，所表现出的VF最低；

（4）无论单层或多层蒸镀源冷却时间均降为1min时，电压均有明显下降，同时对亮度（LOP）损失影响不大，第一组LOP下降1.7mcd，第二组上升2.48mcd，第三组上升1.81mcd。

薄膜附着可分为简单附着、扩散附着、通过中间层附着和宏观效应附着4种类型^[4]。Al电极与ITO膜层间的附着即为中间层附着。对于该电极结构，Cr/Ti/Al的作用不同：①Cr膜层主要用来在金属蒸镀中增加下方ITO膜层及上方Ti膜层的附着性，防止电极脱落，起到承上启下的作用；②Ti膜层一方面用来在金属蒸镀中增加Cr膜层与Al膜层的附着性，另一方面则用来阻挡Al向下方扩散，起到附着和阻挡的作用；③Al通常用来做金属电极，起到承接焊线的作用。三者在真空电子束蒸镀工艺下形成P电极层，主要用于做电流传导。

如图2所示为模拟不同金属蒸镀源冷却时间等效电路图，主要制备方式为：

（1）在干净的Si片上用电子束真空蒸发方式先蒸镀一层ITO；

（2）用电子束真空蒸镀方式蒸镀Cr/Ti/Al电极结构；

（3）用正负电极接通两个Cr/Ti/Al电极形成电路，用于确认不同蒸镀源冷却时间对应的I-V曲线，如图3所示；

（4）通过图3的I-V曲线可以看出，Cr/Ti/Al不同蒸镀源冷却时间蒸镀后的电极间界面阻值表现不同，而界面电阻较低的电极结构，所对应的V_F也相对较低。

图2 模拟不同金属蒸镀源冷却时间等效电路图

图3 不同Cr/Ti蒸镀源冷却时间I-V曲线

由于薄膜的沉积过程是在砷化镓基片上进行的，基片的温度会影响膜层结构、晶体生长、凝聚系数、聚集密度等。在真空蒸发成膜中，电子束蒸发产生的热量会导致腔体及基板温度上升，不同的蒸镀源冷却时间，表现出的腔体降温不同，LED基板温度也会存在差异。冷却时间短，腔体温度较高，基板上原子迁移率较高，晶格缺陷减少，膜层聚集密度增加，形成良好的欧姆接触，但基板温度过高，会使蒸汽分子更容易在基片上运动或再次蒸发，这不但使成膜所需的临界蒸气压增高，而且容易形成大颗粒的结晶，还会引起晶体结构的变化或者膜料的分解，造成膜层变质^[5]。因此，合理利用腔体内温度可使金属膜层形成良好的欧姆接触。

4  结论 

由于良好的欧姆接触性能，Cr/Ti/Al结构被广泛应用于LED芯片中的P电极结构。Cr/Ti/Al层间在真空蒸镀过程中，在不同的蒸镀源冷却时间下，所表现出的电压不尽相同。无论是Cr/Ti间单层冷却时间缩短至1min，还是Cr/Ti及Ti/Al两层冷却时间均下降至1min，其表现出的界面电阻对降低电压有一定的作用，冷却时间降到0min时反而对降低电压的作用不大。因此选取合适的蒸镀源冷却时间，可以有效降低LED芯片在生产制备环节的电压，同时对亮度不会产生较大影响。

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参考文献

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[2] 寿山，戈扬，文彬.表面科学与技术[M].机械工业出版社，2005.

[3] 邸英浩，曹晓明.真空镀膜技术的现状及进展[J].天津冶金，2004,5:45-48.

[4] 张继世，刘江.金属表面工艺[M].北京:机械工艺出版社，1995.

[5] 孔建军.真空镀膜工艺参数对于薄膜性能的影响[J].Defense Manufacturing Technology,2011.10.5:51-54,62.