（微电子学与固体电子学专业论文）gan基leds可靠性的研究.pdf

摘要 本文以加速寿命试验和失效分析为主要研究手段，对g a nl e d s 器件退化 机理进行了比较深入的研究，并对一些关键工艺提出了改进措旌。主要内容包 括： 研究了封装与器件可靠性的关系及封装造成的失效模式 应用扫描电镜对过电应力( e l e c t r i c a lo v e r s t r e s s ) 造成的损伤进行了系统分 析。 采用两步刻蚀法减小常规i c p 刻蚀工艺所带来的损伤，实验表明改进工艺 后器件的正向电压降低，输出功率增大，长期可靠性得到提高。 研究了不同的电流扩展工艺对c a nl e d s 器件的影响通过红外熟像仪测 试说明带有环状n 型电极的器件比常规器件有更好的性能。 关键词： 氮化镓，发光二极管，可靠性，感应耦合等离子体( i c p ) ，电流拥挤 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h ed e g r a d a t i o nm e c h a n i s m so fg a nb a s e dl e d s b ym e a n so fl o n g - t e r ma d e r a t e dl i f et e s t sa n df a i l u r ea n a i y s j s s o m ei m p o r t a n t p r o c e s sw mi m p r o v e d ，m c l u d i n gi c pp r o c e s sa n dc u r r e n ts p r e a d i n gp r o c e s s t h e m a i nw o r k 缸嬲f o l l o w s ： t h ee f f e c to fe n c a p s u l a t i o no nt h el e d sr e l i a b i l i t ya n de n c a p s u l a t i o nf a i l u r e m o d ei ss t u d i e db ym e a n so fa c c e l e r a t e dl i f et e s ta n dh i l u r ea n a l y s i s e l e c t r i c a lo v e r s t r e s s 0 s ) i ni n f a n tf a i l u r es a m p l e sw a ss t u d i e db y s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) i no r d e rt od e c r e a s et h ei n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m ao c y ) i n d u c e de t c h d a m a g e , t w o - s t e pe t c h i n gp r o c e s sw a sp r o p o s e d ，b yw h i c ht h ee t c h e ds a m p l e s h a dl o w e rf o r w a r dv o l t a g e ，h i g h e re m i s s i o ni n t e n s i t ya n dl u m e nm a i n t e n a n c e t h a nc o n v e n t i o n a le r e h e f f e c to fc u r r e n te m w d i n go i lt h eg a n - b a s e dl e d sw a ss t u d i e d t h a tl e d s w i t hn - m e t a lr i n gb a db e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h ec o n v e n t i o n a ll e d sw a s c o n f o r m e db ym e a n so f t h em e 鹤u r e m e n to f i n f r a r e dt h e r m a li m a g i n g s y s t e m k e yw o r d s ：g a n , l e d s ，r e l i a b i l i t y ，i c y , c u r r e n te m w d i n g n 第一章前言 氮化镓基器件在近十多年以来得到了飞速的发展。g a n 有以下几方面的 特征：首先，g a n 基材料是直接带隙，且带隙宽，非常适合制作蓝、绿光和 紫外光的发光器件( 如l e d s 、l d s ) 和紫外光探测器件。击穿电场、带隙、 电子饱和速率、导熟率一般高于s i 和g a a s ，可用于大功率器件、电荷耦合器 件、高速存储器以及要求暗电流低的光探测器。其次，这类材料的介电强度 高，极适于开发相应的大功率放大器件、开关器件和二极管。此外，它们的 相对介电常数较低，可制作诸如毫米波放大器用串联电容。这些优异的特性， 使得它们在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜 力 1 1g a n l e d s 的应用 在g a nl e d s 的研究方面，继二步生长法【1 。3 】，p 型掺杂技术h 棚以及高质 量i n g a n 生长【6 】取得重大进展之后，陆续取得了一系列引人瞩目的成果。其 中日本日亚公司的s n a k a m u r a 研究组的工作最为出色。1 9 9 4 年，他们报道了 一种i n g a n a i g a n 双异质结烛光级超高亮度蓝色l e d 7 1 ，并于1 9 9 5 年实现商 品化引。随着高亮度a i g a i n p 红光l e d s 和i n g a n 蓝绿光l e d s 的商品化，可 见光l e d s 的应用领域将由室内扩展到室外，在交通信号灯、汽车车灯、大型 全色动态显示面板以及手机的背景光等领域的应用呈增长态势。另外，g a n 基高亮度l e d s 一个具有革命性的应用领域是普通白光照明市场。白光l e d s 被认为是2 l 世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的 主导，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上改善人类的生产和生 活方式。许多国家启动了国家照明工程。我国的l e d s 白光照明工程于2 0 0 3 年开始启动，希望以2 0 0 8 年北京奥运会为契机，大力推广白光照明工程。国 内的l e d s 生产厂家从外延材料、器件制作到封装已经形成了一定规模的产业 链条。但总体的生产规模和科研研发水平和国外高水平同行的差别却不容乐 观。 1 2g a nl e d s 可靠性研究进展 首先确定本文的研究范围：常规环氧树脂封装的，管芯尺寸在3 0 0 u m x 3 0 0 u r n 左右的小功率器件。对于大功率器件，管芯尺寸达到l m m x1 咖，甚至 更大，封装方式为倒装焊，具有良好的散热特性，有利于提高长期可靠性，不 在本文的讨论范围之内。 图1 - 1 所示为常规小功率g a nl e d s 结构。 m s ：g i n , ，如叫 - q ： 1 0 1 5 0 5 n 1 “ s l a ：l a o a n 甜 l a y s , 姗 f d a i 掰：h 1 5 西n j ，n i s o m m| 班：g a n , 4 l i n t ( n b m l ，2 5 m 自s e t m _ e ( o e e l ) 图1 - 1 ：常规小功率g a nl e d s 结构 图卜2 为常规小功率g a nl e d s 的封装结构。图中箭头所指示的区域为易 发生故障的区域。在器件封装时将蓝宝石衬底用导热胶粘在管座上，p 电极和 n 电极压焊金丝做为电极引线。对于这种封装结构，l e d s 在工作过程中产生 的热要经过蓝宝石衬底传导到管座上。而蓝宝石衬底的导热率较低，这就限 制了热量的传导，不利于制作大功率器件。 2 封装材料 内部芯片 ( 半导体外延 材，；l ，嬉拗) 一半接 图1 - 2g a n 基l e d 常见结构及潜在的退化区域 国际上对g a nl e d s 的可靠性的研究可以追述到1 9 9 5 年。当时随着商业 化g a nl e d s 的研制成功，d l b a r t o n 等人口】j 畏快就开展了对它的可靠性研 究。因为一项新技术能否商用的必要条件就是要满足一定的可靠性要求国 内也有一些科研机构对g a nl e d s 的可靠性进行了研鳅1 0 川1 2 1 3 1 。但研究所 投入的财力、人力远不如国外，因此研究深度也有限。经过多年的研究，现 在已经确认的退化机理有以下几点。 1 2 1 退化机理 ( 1 ) 封装材料退化 。 对于封装材料的热退化，d l b a r t o n 等人的研究试验表明【1 4 以7 】，塑料在 1 5 0 ( 2 左右会由于单纯的热效应使l e d s 的光输出减弱，尽管在寿命试验中没 有发现塑料封装的外观呈褐色，但 与l e d s 接触的部分可能发生了变 化。进一步研究发现，环境温度为 9 5 ( 3 ，驱动电流大于等于4 0 m a 时， 结温超过了1 4 5 ( 2 。非常接近塑料 变色的温度；当驱动电流小于 鲁1 9- ij 挽 - 点 电盥v j 图1 - 3g a n 基l e d s 器件i - v 特性比 3 较( # 1 9 是已退化的器件，# 5 2 是未受应 3 0 m a 时，结温小于1 3 5 ，与之对应l e d s 退化率也很小，所以引起塑料封 装材料变化、对l e d s 寿命有重要影响的温度范围是1 3 5 到1 4 5 ( 2 之间。另 外，在大电流条件下，封装材料甚至会碳化，在器件表面生成不透明物质， 或者碳化物质在表面形成电导通道导致器件失效。由于小功率g a n 基l e d 的 正常工作电流是2 0 m a ，远小于试验电流，封装材料碳化这种比较极端的失效 方式只可能出现在加速寿命试验中，在正常工作时，封装材料应该是缓慢退 化的。 ( 2 ) 金属的电迁移 金属的电迁移是半导体器件和集成电路的电极系统中最主要的失效机 理，在g a n 基l e d s 中也存在金属的电迁移问题，但是与集成电路中互连线 金属电迁移有所不同，主要是纵向迁移，即p 型欧姆接触金属沿缺陷管道 ( d e f e c tt u b e s ) 电迁移到达结区造成短路，导致器件失效。由于没有匹配的衬 底材料，外延生长的g a n 薄膜中往往包含有大量的缺陷，其中大部分是线性 位错( t h r e a d i n gd i s l o c a t i o n ) 。器件工作时，接触金属在电应力和热应力的作 用下就会沿这些位错线迁移到达结区，从而形成低阻欧姆通道，造成l e d s 结特性退化，光功率迅速下降。失效后器件的电学特性主要表现为结漏电流 增加，如图1 3 t 1 明所示。这一失效机理的发现，是对n i c h i a 公司的g a n 基l e d 施加7 0 m a 恒定电流【”l ，远大于实际工作电流。对于蓝宝石绝缘衬底上的g a n 基l e d ，p 型电极和n 型电极只能在外延表面的同一侧，这种特殊的器件结 构使得靠近n 型电极处电流密度很大，所以在正常工作条件下也存在金属电 迁移的可能性，可以推知材料缺陷密度越大、电流拥挤越严重，这种失效模 式发生的几率越大，所以提高外延材料质量，减少缺陷密度，改进器件结构 以使电流均匀扩展，可以有效提高器件的可靠性。 ( 3 ) p 型欧姆接触退化 4 在g a n 基l e d s 失效分析 过程，对比器件退化前后的i v 特性( 图卜4 ) 发现，已退化 器件的寄生串联电阻增加使得 相同电压偏置下的正向电流减 小( 见图中( 1 v ) 标识处) ， 普遍的解释是半透明欧姆接触 l 一- - - - - - 蚰i m m 力a 批2 2 0 j p tl 1 i老化l ， 4 一。0 1 1 ) 、十、， 0 l h l 、 舔、3 m 备件电压v ) ( s e m i - t r a n s p a r e n t o h m i 。 图卜4 退化前后g a nl e d si _ v 特性比较 c o n t a c t ) 和p 型g a n 层的上表 面受大电流和高温影响而退化，导致串联电阻增加，随之电流拥挤效应使得 光功率下降【1 9 1 。寄生串联电阻增加可能与半透明欧姆接触退化有关，但目前 对这一推断还缺少明确直观的解释，更深入的物理机制有待进一步研究，也 可能与p 型层掺杂剂的不稳定有关。 1 2 1 提高器件可靠性的措施 针对相应的失效机理分析，研究人员提出了相应的改进措施。在失效机理 分析的基础上所做的工艺改进可谓对症下药，有的放矢l 典型的例子有以下 几种。 ( 1 ) 新型封装材料的应用 l u m i l e d s 公司的l e d s 产品封装 材料采用已获得专利权的硅树脂代 替传统的环氧树脂。这种硅树脂具有 更好的机械特性，能承受更高的温 度，而且对紫外线照射和高强度蓝光 图1 - 5 不同封装材料的g a nl e d s 可靠性 数据 5 辐射引起的褐色化具有更强的抵抗能力。纽约t r o y 照明研究中心曾对其进行 过独立研究测试，室温条件下，5 m m 传统环氧树脂封装的g a n 基白色l e d s 采 用2 0 m a 驱动电流，硅树脂封装的大功率l e d 驱动电流为3 5 0 m a ，工作1 0 。0 0 0 小时后，5 m m 的白色l e d s 衰减了6 5 ，而大功率的l e d s 仅衰减了1 0 左右， 如图1 - 5 所示。 ( 2 ) 改善散热条件 如前所述，高温使塑料封装的透明度降低，影响g a nl e d s 器件的半透 明欧姆接触和p 型g a n 的上表面，导致串联电阻增加，还会引起缺陷的产生 2 0 , 2 ，所以改善散热条件是提高器件可靠性的重要方面。对于常规小功率器 件，可以采取应用高导熟率的银浆，高导热率的底座和管腿。更有效的方法 是在大功率器件中所采用的倒装形式封装。即让将电极朝下焊接在金属底座 上，让产生的热量快速散发掉，让光从蓝宝石衬底方向出射。这是一种非常 有效的方法。 _ 懦删9 i n 由日酬 a 聃h 就蛀o 1 d 嘲m 呔也啦m 伸峨d i 王d 氆p - 矗孰 如班城睇6 。n i s i 矗豫争锄e d 啪t h e s i 枷h 呲 图卜6 ：g a nl e d s 倒装焊封装结构 6 ( 3 ) 改进电流扩展 电流拥挤效应使蓝宝石衬底 上的g a nl e d s 器件局部区域温度 升高，能直接导致器件失效。为了 使电流充分扩展，人们采取了很多 办法，比如在器件中外延生长 i n g a n 电流扩展层，优化p 型电极 的n i a u 厚度比或几何形状。k i m 等人 2 2 1 在模型计算的基础上，优化 p 型电极焊盘的几何形状以使电流 时问( 秒) 图1 7 具有不同形状p 型电极焊盘的g a n l e d 累积失效率 均匀扩展，并把电极优化后器件( b 、c ) 的累积失效率( 应力条件是2 0 0 ， 4 6 0 a c m 2 ) 与改进前( a ) 的相比较，如图1 7 所示，可以看出改进后器件的 性能得到了提高。 1 3 本文主要内容和结果 在对器件进行长期老化的实验基础上，本文对g a nl e d s 的失效机理进 行了系统分析。确定：封装材料、电流拥挤效应、i c p 刻蚀损伤等会影响器件 的可靠性。进而对现有工艺提出了改进措施：采用新型光刻版减小电流拥挤 效应；采用两步刻蚀法减少i c p 刻蚀损伤。实验结果表明，改进工艺促进了 器件可靠性的提高。 7 第二章g a nl e d s 的失效分析 器件的可靠性研究是新技术开发过程中的重要题目。一项技术能否实用 的必要条件就是满足一定的可靠性要求。从实际工作来看，可靠性研究不仅 仅是可靠性研究小组的工作，它需要整个环节的各个部门协同合作。可靠性 研究小组的任务是进行失效器件的失效机理分析，然后反馈相关信息给相关 部门，进而改进工艺水平，然后再进行改进器件的老化测试及失效分析。这 样就形成了一个正反馈机制，不断提高器件的可靠性，直到满足一定的要求。 本章的主要内容是对g a nl e d s 进行加速寿命试验，观察分析器件性能参 数随时间的变化，并对失效器件进行失效分析。 2 1g a nl e d s 的加速寿命实验 加速寿命试验，就是在不改变原来试验目的的前提下，通过各种办法来 减少试验时间或样品数量。例如加大试验应力强度，从而加速产品性能劣化 过程。根据加速寿命试验数据可以通过数理统计及外推的方法，获得有效的 可靠性特征数据，例如，产品的失效分布、可靠度、平均寿命及产品特性参 数随时间的变化等，在这个基础上，再来预测工作在特定条件下的产品可靠 性，还可以考核产品的材料和工艺过程，鉴定和改进产品的质量。 对于g a nl e d s ，理论预计寿命在几万小时，在这么长的时间采集数据显 然是不现实的，因此必须进行加速寿命试验。发光二极管的失效主要是光输 出的衰减，做为电流驱动器件，影响其光功率衰退的应力主要是电流及温度， 所以我们进行加速寿命试验施加的应力主要是电流及温度。 加速寿命试验条件和过程 寿命试验只能采用抽样试验的评估办法，具有一定的风险性。首先，产 品质量具备一定程度的均匀性和稳定性是抽样评估的前提，只有认为产品质 8 量是均匀的，抽样才具有代表性；其次，一般地说，抽样数量越多，风险性 越小，寿命试验结果越准确，但是抽样数量过多，必然造成人力、物力和时 间的浪费，所以我们采用随机抽样的办法，样品数目在8 2 4 粒，具体数目根据 试验目的和条件确定。 抽取一定数目的管芯后，首先把样品进行封装，封装分两种方式：环氧 树脂封装和金属管座裸芯，前者是l e d s 的常见封装形式，后者是简单的实验 封装，目的是在加速寿命试验中排除环氧树脂封装的退化模式，确定分析管 芯本身的退化机理。然后对试验样品进行编号并逐一进行光电参数测试，一 般主要包括i v 特性，光谱分析，如果需要，根据试验目的增加其他测试项目， 如c - v 等。测试合格的样品投入寿命试验。试验条件一般采用环境条件为室温 ( 2 5 c 士5 ) ，恒定电流3 0 m a 、4 0 m a 和5 0 m a ，也会根据试验目的而改变， 试验周期为1 6 8 d , 时、1 0 0 0 d 、时或者根据试验情况确定。为了监测g a nl e d s 器件初始性能随时间的变化，在加速寿命试验过程中，定期对样品进行光电 参数的复测，为了使寿命试验结果客观、准确，除了做好测试仪器的校准外， 一批试验样品自始至终用同一台测试仪器测试，以减少不必要的误差因素。 我们主要用半导体参数测试系统( k e i t h l e ys e m i c o n d u c t o r c h a r a c t e r i z a t i o ns y g e m4 2 0 0 ) 测量l e d s 样品室温下的l v 曲线，监测量主要 包括正向电压和反向漏电流；用远方公司的p m s 5 0 ( p l u s ) u v 紫外一可见光谱 分析系统测试其光学特性，监测量包括光功率、光通量、峰值波长等。平常 人们习惯用光强标定l e d s 的光学性能，但是由于轴向光强的值随几何位置而 急剧变化，测量重复性差，所以只是作为辅助参数，主要以光功率为准，观 察其随时间的变化。 6 a n 蓝光l e o s 加速寿命试验数据及外推寿命 实验采用商品化的i n g a n g a n 多量子阱蓝光l e d s 外延片。清洗干净后共 同淀积s i 0 2 做掩膜，利用感应耦合等离子体( i c p ) 设备刻蚀出台阶图形，用 9 王水清洗后，溅射n i a u 和t i a i t i a u 分别制作p 型半透明欧姆接触和n 型欧姆接 触，最后溅射t i a u 作为压焊盘，淀积s i 0 2 钝化层，通过磨片、划片、裂片、 压焊制作成器件，器件尺寸为3 0 0 t t m x 3 0 0 t t m 。样品粘在金属管座上，没有采 用环氧树脂封装，可以不考虑封装退化对器件可靠性的影响，样品数目为2 7 支，加速寿命条件是室温( 2 5 士5 ) ，恒定电流4 0 m a 下连续工作，整个试 验过程共计3 0 4 3 4 、时。图2 1 是加速寿命试验结果。 - 1 人 。 v 、弋， ：二丫， ( 砷 o蛳咖i s o u绷z m删 老化时间( 小时) 圈2 - 1g 8 n 基l e d 老化特性，( a ) 样品平均光功率随时问的变化( b ) 指数拟和结果 通常l e d s 的寿命可以用下面关系近似【2 3 l ，已知器件的初始输出功率p o ， 和指数寿命( e x p o n e n t i a ll i f e t i m e ) t ，经过时间t 后的输出功率可以表示为 ( f ) = 昂p 嘭。那么归一化的相对光功率 乓= 尸喇b = 口形 ( 2 1 ) 图2 - 1 就是根据式( 2 1 ) 拟和的结果，其中t = 1 1 7 6 4 ( h ) ，令p r - - - - 0 5 ，求得 4 0 m a 工作电流下5 0 寿命是8 1 5 5 小时。根据公式 罢= 时= ( 玎 ， 其中，i 是工作电流，t 是器件寿命，n 是经验参数，取值范围在1 5 2 ，若n 惜 恤 哺 啪 哺 哪 哺 啪 憾 哪 * 挥赋莨霉 值比较大，说明器件工作寿命随着电流增加下降比较快，对于蓝宝石衬底上 的g a nl e d s ，由于存在电流拥挤效应，工作电流密度对器件的光功率保持率 影响很大，所以我们取n - - 2 ，根据式( 2 2 ) 求得正常工作电流2 0 m a 下，g a n 基l e d 的5 0 寿命是3 2 6 2 0 小时。 但这只是在这个条件下的外推寿命，这里的条件包括实验的具体参数及 老化的总时间。根据以往的经验，一个器件很可能在1 0 0 0 小时内，甚至3 0 0 0 小时内保持较低的光功率衰减，但可能再经过一个很短的时间段后突然失效。 因此，我们认为要想获得更准确的器件寿命，必须下大工夫做更长期的老化 测试。只有经过长期的、多批次的老化测试才能获得相对准确的信息。由于 实验条件的限制，我们在老化测试中最多的老化时间达到3 0 0 0 多个小时。 2 2g a nl e d s 的失效机理分析 g a n 基l e d s 潜在的退化区 图2 2 是常规小功率g a nl e d s 的封装结构，箭头所指示的区域是易引 起器件退化的主要部分：封装材料、接触( 包括金一半接触和键合点) 、内部 外延材料、芯片粘接。在这四部分中，内部外延片材料对g a n 基器件的发展 至关重要，相对来说，尽管g a n 材料外延生长技术已经有了长足的发展，但 是g a nl e d s 器件老化过程中与材料有关的退化机理和长期可靠性还有许多 问题无法回答。首先应该认真考虑的是，g a n 基外延层生长在蓝宝石或s i c 衬底上，失配度高，形成了高密度的螺旋位错和其它缺陷。另一方面，由于 在正常的器件温度下缺陷不易移动，并且大部分位错不起复合中心的作用， 使得g a n 基器件有可能成为具有长期可靠性的器件。考虑图2 2 所示的其他 退化区，在这些地方。除了电极处的金属接触，大部分工艺已经非常成熟。 下面的章节将针对上面提到的四部分，分别讨论其失效模式，并结合一些试 验验证某些失效机理，探讨g a nl e d s 的退化过程和机理。 封装材料 内部芯片 ( 半导体外延 材魁，续桕) 一半接 图2 - 2 小功率g a nl e o s 常见封装结构及潜在的退化区域 与封装有关的退化 小功率g a nl e d s 通常采用环氧树脂封装，过程包括芯片贴装、压焊、 灌注环氧树脂、固化等，这些工艺都会对l e d 器件性能和可靠性产生影响， 而且器件老化过程中，在电流、温度等应力下，封装材料本身的退化将加速 l e d s 的光衰减。 为了研究封装对g a nl e d s 可靠性的影响，我们把商用i n g a n g a n 蓝光 l e d s 外延片制作成器件，取一部分管芯压焊在金属管座上，不用环氧树脂包 封，芯片暴露在空气中；取同一外延片的部分管芯送到封装厂家用环氧树脂 封装成蓝光l e d s 和近白光l e d s ( 涂荧光粉) 。 表2 - 1 是不同封装形式的l e d s 主要光电特性参数比较。从中可以看出，环 氧树脂封装结构更加有利于光的提取，使得光功率输出提高了2 5 倍多，但正 向电压升高了0 2 v 左右，可能是封装过程中的固化等工艺条件造成欧姆接触 轻微退化 1 2 表2 - 1 不同封装形式的l e d 主要光电特性参数比较 平均正向电压( v )峰值波长( 蛐)主波长( a m )平均光功率( r o w ) 蓝光l e d 裸芯 3 0 7 54 6 7 、4 6 84 7 13 8 7 蓝光l e d 3 2 0 64 6 2 4 7 04 6 9 - 4 7 39 7 7 8 白光l e d3 2 6 64 6 6 - 4 6 84 8 2 、4 8 36 0 6 5 分别取这三种不同封装形式的l e d 做加速寿命试验，环境条件是室温( 2 5 士5 ) ，施加的电流应力是4 0 m a ，为正常工作电流的2 倍，试验结果如图 2 3 所示。从图中可以看出，环氧树脂封装的l e d s 的光功率比金属管座上的 l e d s 裸芯衰减快，这说明封装工艺对l e d s 器件的可靠性影响非常大，引线键 合、树脂封装引入的应力、环氧树脂散热差以及芯片与封装材料膨胀系数的 l k 一一j j 、。 。一y 一 、一| 臣- - - 瓣b l u el e 丽d c h i p 1 l 二兰2 型熊坚旦型韭r 一 一1 一1 1 一。一 一 、t 啪。一 i-rp一 多蒯每i l ! = 型堕垡旦划 彻 mm “_ om _ o m 帅x h e ( h c e ) 帅t h l e ( a r j 图2 - 3 不同封装形式的l e d 加速寿命试验结果( a ) 相对光功率随时问的变化 ( b ) 正向电压随时问的变化 差异等都是影响寿命试验结果的重要因素。 另外，从图2 - 3 ( a ) 还可以看出，环氧树脂封装的蓝光l e d 在4 0 m a 电流下老 化l o o o d x 时后，光功率是初始值的6 0 ，而自光只有初始值的2 2 ，用荧光 粉封装的白光l e d 比蓝光l e d 衰减严重得多，由于管芯材料和工艺完全相同， 所以这种差异很有可能是荧光粉退化引起的。 图2 - 3 ( b ) 是正向电压随时间的变化，在金属管座上的g a n 基l e d 裸芯， 老化过程中正向电压随着时间增加了约0 4 v ，而环氧树脂封装的蓝光l e d s 正 向电压只有轻微升高。 ， 0 i z pypli_ll 通过比较l e d s 裸芯老化前后的i v 特性，如图2 - 4 箭头标识处，发现这种 电压增加源于串联电阻的增加。裸芯没有环氧树脂保护，电极材料直接暴露 在空气中，环境温度或者器件自身产生的热量，以及空气中的氧和水蒸汽加 速了电极材料的氧化及电化腐蚀，从而使得串联电阻增加，正向电压升高。 图2 - 4o a nl e d s 裸芯老化前后i v 特性比较 对于环氧树脂封装的白光l e d s ，正向电压在老化过程中也明显升高， 老化前后的i v 特性比较与图2 - 4 类似，说明老化过程中，芯片温度升高，莞 光粉对键合点和欧姆接触产生了不利影响，使得串联电阻增加。 1 4 环氧树脂材料的退化 图2 5 ( a ) 发光显微照片( b ) 光学显微照片 我们取一支在4 0 m a 恒定电流下老化了1 0 0 0 小时的g a nl e d s ，用浓硫 酸小心的剥离掉环氧树脂，用金相显微镜观察芯片表面，如图2 5 ( b ) 所示， 发现在p 型电极到n 型电极之间的部分，尤其是靠近n 型电极台面边沿，表 面有一层不透明物质，施加o 0 8 m a 的恒定电流，其发光显微照片如图2 5 ( a ) 所示，可以看出，表面的不透明物质阻碍了光的发射。所以环氧树脂退化确 实是l e d s 器件退化的一个重要原因。值得注意是，电流拥挤严重的地方局部 温升比较快( 靠近n 型电极边缘处) ，环氧树脂退化也比较严重，对于电流拥 挤效应对g a nl e d s 可靠性的影响，将在后面详细讨论。 从上面的讨论可知，封装材料退化是加速g a n 基l e d 光衰减的一个 重要原因，改进封装工艺对提高g a n 基l e d 的可靠性非常重要。 过电应力( e o s ，e l e c t r i c a lo v e r s t r e s s ) 损伤 供电电源处于开关的瞬间、交流电源的电压不稳定或接地不良，发生雷 击等情况下，半导体器件受到一种随机的短时间的高电压或强电流冲击。这 时，瞬时功率远远超过器件的额定功率，引起器件芯片发生过电应力损伤。 轻度的过电应力会引起器件的p n 结、介质层漏电，强大的过电应力会引起金 属化互连线或内引线发热烧毁或开路。我们在做加速寿命试验过程中，发现 一批样品中有几支管子在老化几十小时后就突然熄灭，取下测量电学特性， 发现结特性完全退化，表现出欧姆电阻特性，如图2 - 6 所示。 丁 ： j ： “： ? ! ：一一了一 一一一 ， | - ：羹袈罄l 。! 一 - 102， t 州v ) 图2 - 6 失效前后电学特性对比 1 6 懈慵 恤懈 删 删埘心 埘 2￥l 用电子扫描电镜( s e m ) 观察失效器件表面，如图2 7 所示，可以看到 电极周围有明显结构损伤，损伤附近有许多小颗粒，能量弥散谱分析( e d s ) 主要成分是a u ，如图2 8 所示，而有a u 成分的主要是p 型电极焊盘、电极 图2 7 过电应力损伤器件表面s e m 图像，放大倍数自左到右分 别为：6 0 0 ，4 0 0 0 和1 5 0 0 0 图2 - 8 损伤附近颗粒状物的e d s 分析 引线和欧姆接触，所以过电应力引起了这些部分的熔融，形成了颗粒状的熔 融物通过以上测试结果分析，推测样品发生了过电应力损伤( e o s ) ，瞬时 的大功率使器件温度增大到足以熔化电极金属，在表面形成了许多含金颗粒， 甚至改变了材料的宏观结构，形成从表面到衬底的通道。 1 7 2 3 小结 对大量的g a nl e d s 样品做了加速寿命试验，分析了器件退化机理。实 验结果表明，环氧树脂封装的l e d s 比金属管座上的l e d s 裸芯光衰减快，这 说明封装工艺对l e d s 器件的可靠性影响非常大，引线键合、树脂封装引入的 应力、环氧树脂散热差以及芯片与封装材料膨胀系数的差异等都是影响寿命 试验结果的重要因素，剥离掉失效样品的封装，发现器件表面有一层不透明 物质，证实了在蓝光与紫外线辐射和温度升高的情况下环氧树脂退化是加速 l e d s 光功率衰减的重要原因，另外白光l e d s 中的荧光粉也影响了器件可靠 性。另外对一例早期失效样品进行了扫描电镜( s e m ) 分析，结果表明其失 效机理为过电应力损伤。 1 3 第三章i c p 刻蚀工艺的改进 在g a nl e d s 的整个工艺过程中有一些工艺技术含量较高，不容易掌握，我 们称之为关键工艺。关键工艺对器件的可靠性有重要的影响。关键工艺包括：电 极制备，i c p 刻蚀台面，电流扩展等。根据老化测试结果，我们重点对i c p 刻蚀 工艺和电流扩展工艺进行了优化，得到了良好的效果。本章介绍i c p 工艺的改进， 第四章介绍电流扩展工艺的改进。 3 ii c p 技术介绍 常见的小功率g a nl e d s 的器件结构如图3 - 1 所示。在制作n 型欧姆电极时， 必须借助于刻蚀技术将l e d 外延结构从表 面去除部分材料至重掺杂的n 型g a n ，由 于g a n 的化学键很强，高的结合能和宽带 隙使族氮化物材料本质上是化学惰性 的，在常温下不受化学酸和碱等溶液的腐 蚀，用化学腐蚀法腐蚀g a n 等材料，无论 是腐蚀速率还是腐蚀的各向异性都不能令 人满意。所以制作器件时往往采用干法刻 蚀技术，比如反应离子刻蚀技术( i l ) 、 感应耦合等离子刻蚀技术( i c p ) 等。干法 刻蚀技术是化学反应与物理轰击作用相结 p 电摄 图3 - 1g a n 基l e d 的常见结构 合的刻蚀方法，所以在c l a nl e d s 制备中，难免会引入损伤，这些潜在的缺陷在 器件长期工作过程中：将受到电流、电场、湿度、冲击力和温度等应力激活，导 致器件性能退化，甚至失效，所以加强i c p 刻蚀工艺控制，尽量减小、去除损伤， 是提高l e d 可靠性的一个重要环节。 不同于以化学方法去除不需要部分薄膜的湿法刻蚀，干法刻蚀一般为通过物 理作用和化学作用相结合的办法来去除被刻蚀的薄膜，因此刻蚀具有各向异性， 这就可以从根本上改善湿法所固有的横向钻蚀问题，从而满足微细线条刻蚀的要 求。干法刻蚀技术发展到今天，各种高密度等离子体刻蚀技术已经被广泛应用， 其中i c p 刻蚀技术具有刻速快、选择比高、各向异性高、刻蚀损伤小、大面积 1 9 均匀性好、刻蚀断面轮廓可控性高和刻蚀表面平整光滑等优点。 i c p 刻蚀过程中存在十分复杂的化学过程和物理过程嘲1 ，其中化学过程主要 包括两部分：其一是刻蚀气体通过电感耦合的方式辉光放电。产生活性游离基、亚 稳态粒子、原子等以及它们之间的化学相互作用：其二是这些活性粒子与基片固 体表面的相互作用。 主要的物理过程是离子对基片表面的轰击。这里的物理轰击作用不等同于溅 射刻蚀中的纯物理过程，它对化学反应具有明显的辅助作用，它可以起到打断化 学键、引起晶格损伤、增加附着性、加速反应物的脱附、促进基片表面的化学反 应及去除基片表面的非挥发性残留物等重要作用。对于刻蚀过程中的三个阶段： ( 1 ) 刻蚀物质的吸附：( 2 ) 挥发性产物的形成：( 3 ) 产物的脱附，离子的轰击对 任何一个过程都有重要影响。在不同情况下( 不同的刻蚀气体及流量、工作压强、 离子能量等) 离子轰击对刻蚀的化学过程的加速机理可能有所不同。人们认为离 子轰击机理主要有以下三种：一是化学增强物理溅射( c h e m i c a le n h a n c e d p h y s i c a ls p u t t e r i n g ) 例如，含氟的等离子体在硅表面形成的s i f x 基与元素 s i 相比，其键合能比较低，因而在离子轰击时具有较高的溅射几率，所以刻蚀的加 速是化学反应使得物理溅射作用增强的结果：二是损伤诱导化学反应 ( d a m a g e i n d u c e dc h e m i c a lr e a c t i o n ) 。离子轰击产生的晶格损伤使基片表面 与气体物质的反应速率增大：三是化学溅射( c h e m i c a ls p u t t e r i n g ) 。活性离子 轰击引起一种化学反应，使其先形成弱束缚的分子，然后从表面脱附。 在采用i c p 刻钮i a l g a n 和g a n 等族的氮化物时，一般采用氯基气体和一些添 加气体( a r 、心等) 作为刻蚀剂。根据掩模材料的不同，采用不同的刻蚀剂会取得 较好的效果。例如当用s i 如做掩模时，可以用c 1 ：h 2 的混合气体或b c i ，c 1 。的混 合气体作为刻蚀剂；如果采用光刻胶作为掩模，则可以用s i c i 。和c 1 ：作为刻蚀剂， 获得好的效果。 3 2i c p 刻蚀损伤及常见恢复方法 在利用i c p 刻蚀m 族氮化物的过程中，引入的损伤包括晶格缺陷( 或位错) 、 表面悬挂键、侧壁损伤、氢钝化、聚合物淀积和刻蚀生成物的淀积、i i i 族和v 族 元素去除速率不同造成非化学计量比表面等。 增加刻蚀过程中的化学反应或降低离子能量可以得到低损伤刻蚀，但这会 降低刻蚀速率、各向异性或均匀性，所以刻蚀工艺应该兼顾几个方面：侧壁剖面 控制、刻蚀速率、表面形貌和低损伤。除了通过控制优化刻蚀参数减小损伤外， 还可以用后处理的办法去除或恢复损伤。常见损伤恢复措施及其不足如下1 2 5 - 2 8 ： 快速退火： 快速退火可以使表面化学计量比某种程度上重构，部分深能级缺陷释放，对 改善欧姆接触特性有一定帮助。但是在材料内部仍存在相当多的刻蚀损伤，尤其 是，由于半导体材料表面化学计量比不平衡导致的川族元素过量，高能离子刻蚀 过程中离化元素的注入，仍然在近表面影响金一半接触的质量，使其接触电特性 退化。另外，对刻蚀表面退火最高温度可达9 0 0 1 2 ，超过这一限制，镓的氧化物 使表面质量迅速退化，超过了对晶格秩序的恢复作用，而且高温长时间退火，从 刻蚀等离子体中引入部分杂质原子很可能深入扩散到材料体内，使部分损伤深入 到薄膜内部。 溶剂处理： 用k o h 等溶液可以腐蚀材料的损伤层，局限是溶液腐蚀能力差，损伤恢复程度 受到限制，处理后相当大量的损伤仍存在，而且会使表面更粗糙，这些粗糙的形 貌特性会成为器件工作中潜在的失效点。另外一些酸溶液如h c i 等，可以去除多 余的川族元素，这种方法改善了刻蚀表面化学计量比的不平衡，对杂质注入深度 浅的情况比较有效，如c i 基等离子体刻蚀，如但是不能消除其他类型的损伤，尤 其是近表面损伤，如悬挂键、替位原子和注入的杂质等。 等离子体钝化： 把刻蚀表面暴露在钝化等离子体如c 1 2 和n 2 中，这些钝化等离子体可以提供 反应元素，与刻蚀表面悬挂键结合，可以使表面n 空位有效减少，防止氧化物生 成和其他污染，减小漏电流。但是不同的损伤类型如深能级陷阱、由于离子沟道 效应深扩散的损伤等不能得到恢复 3 3i c p 工艺的改进：两步刻蚀法 在实验当中，我们曾经采用等离子体钝化的办法恢复i g p 刻蚀损伤。但实际 效果并不理想。为了满足刻蚀速率、各向异性、均匀性设置的刻蚀参数往往不能 获得最小的损伤，这些不可避免引入的损伤影响器件性能和可靠性，需要利用后 序处理工艺去除或恢复，而常用处理方法也有因其本身局限性，不可能使刻蚀损 伤完全恢复，且增加了工艺步骤，提高了工艺的复杂程度，使生产成本提高，不 利于大规模生产，为了解决这个问题，我们考虑可以把刻蚀过程分开，设置不同 工艺参数，在刻蚀前期设置的工艺参数主要满足刻蚀速率、各向异性、均匀性的 要求，在刻蚀后期设置的工艺参数主要把前期造成的损伤区域刻蚀掉，同时又不 能造成太多损伤，满足低损伤刻蚀的要求。 ( 1 ) 寻找最佳去损伤刻蚀工艺条件 i c p 刻蚀引入的损伤通常在材料内部引入深能级及复合中心，减小辐射复合 的比例，从而使材料的光致发光谱强度减弱，所以可以用光致发光谱( p l ) 检 测刻蚀损伤的大小。 i c p 刻蚀工艺中设置的参数包括i c p 功率、r f 功率、腔室压强、载盘温度、 反应气体流量等，由i c p 刻蚀设备基本原理可知，r f 功率控制等离子体轰击样 品的能量，r f 功率越大，对刻蚀表面的物理作用越大，引入的损伤也就越大， 所以只要设定r f 功率足够小，刻蚀引入的损伤也较小【2 7 捌，而腔室压强等其它 工艺条件对材料损伤影响不大。所以i c p 功率的选择比较关键。 i c p 功率的选择 将蓝宝石衬底外延生长的n - g a n 划成5 m m x 5 m m 的小样品，利用不同的工艺 条件刻蚀样品，刻蚀的厚度均为7 5 0 n m ，这样就避免了由于材料本身厚度造成的 室温p l 测试结果误差。固定其他参数，改变i c p 功率值，测试刻蚀样品的p l 谱， 通i ：t n - c , a w 的p l 与不同i c p 刻蚀功率的关系，找出引入损伤最小的i c p 功率。图 3 - 2 2 是n - g a n 样品p l 谱强度与不同i c p 功率的关系图，从图中可以看出刻蚀后样 品的发光强度下降辐度大于4 6 ，且不同的i c p 功率对刻蚀表面发光的影响程度 不同。相对于其它条件刻蚀的样品，i c p 功率为7 5 0 w 时，刻蚀的n - g n 近带边辐 射发光强度最大，且与缺陷相关的黄光带辐射最弱，也就是说i c p 为7 5 0 w 时引入 的损伤最小。i c p 功率较小于5 0 0 w 时，样品表面温度较低，刻蚀生成物不易挥 发，且刻蚀气体的电离不够充分，参与物理轰击的离子较少，反应生成物不能及 时抽走而玷附在刻蚀表面，造成表面的损伤，所以p l 强度较小。i c p 功率为1 0 0 0 w 和1 2 5 0 w 时，刻蚀样品的表面粗糙度较大，所以p l 强度有所减弱。另外，当i c p 功率很大时，由于离子散射和更多的中性反应粒子与侧壁相互作用，侧壁损伤变 2 2 得更加严重，使得器件反向击穿电压下降，反向漏电流增加。而当i c p 功率为7 5 0 w 时，刻蚀的化学反应与物理轰击达到平衡，此时刻蚀对表面造成的损伤最小，所 以i c p 功率为7 5 0 w 是最佳去损伤刻蚀条件之一 w a v o l o n 讲h ( n m ) w a v e l e n o t h ( n m ) 图3 - 2 不同i c p 功率刻蚀n - - g a n 的室温p l 谱，( a ) 近带边辐射，( b ) 黄光带 寻找合适的去损伤刻蚀时间： 我们选择i c p 刻蚀设备所能允许的最小r f 功率2 0 w 作为第二步去损伤刻 蚀的工艺参数之一，i c p 功率取值 是由前面实验得