微纳制造与半导体器件 课件 4 水平结构LED芯片

CONTENTS目录01

水平结构LED芯片02

倒装结构LED芯片03

垂直结构LED芯片04

习题水平结构LED芯片01器件制造工艺：水平结构LED芯片概述

水平结构LED定义以蓝宝石为衬底，两电极处于外延层同侧，电流横向传输导通的GaN基LED芯片。

水平结构LED应用特点水平结构LED制造与结构相对简单，应用范围大，是目前最常见的LED芯片结构，多用于小功率LED芯片。器件制造工艺：水平结构LED芯片概述水平结构LED缺陷

电极限制出光效率水平结构LED芯片出光面为电极侧，不透明金属电极吸光，极大限制芯片光提取效率。电流拥挤负面影响电流横向传输引发拥挤，加剧电极吸光降低出光效率，电流增大拥挤更明显，还会造成热量集中，降低芯片可靠性。器件制造工艺：完整加工工艺流程外延片清洗工序先以5:1:1的硫酸、过氧化氢、去离子水在60℃超声洗LED外延片10分钟，再用丙酮、无水乙醇、去离子水清洁Mesa结构刻蚀工序在p-GaN上旋涂光刻胶，经软烘、曝光等图案化处理，用混合气体ICP刻蚀至露n-GaN，丙酮去胶电极与衬底处理工序在p-GaN上沉积ITO并退火，在ITO和n-GaN上制备电极，对蓝宝石衬底减薄平坦化电流扩展理论模型

水平LED电流拥挤问题水平结构LED芯片两侧设电极，大注入电流时电流拥挤严重，可通过SiO₂阻挡层和ITO扩展层改善电流扩展理论模型：绝缘衬底电流扩展模型建立基础理论模型

模型建立基础先通过建立理论模型了解水平LED芯片内部电流传输分布，Guo和Schubert等将水平结构GaN基LED芯片结构简化，明确电流在MESA边缘附近聚集。

等效电路与推导假定p电极为等势面，构建等效电路模型，将p-n结视为理想二极管，推导电流公式与微分方程，Thompson忽略p-GaN电阻得电流扩展长度。电流扩展理论模型：绝缘衬底电流扩展模型绝缘衬底芯片分析

芯片电阻问题分析生长于绝缘衬底上的GaN基水平结构LED芯片，n-GaN层会导致电流拥挤，p-GaN层电阻较高也不可忽略。压降与电阻公式推导在不忽略p-GaN电阻、n-GaN和p型接触电阻的情况下，给出了p-n结和p-GaN电阻纵向压降公式，以及p-GaN层纵向电阻和p型接触电阻之和的计算公式，还通过二阶求导得出相关方程。电流扩展理论模型：绝缘衬底电流扩展模型方程简化与结论推导

模型适用条件当p-n结压降Vj远大于kTe，且p-GaN和p型接触电阻的压降远大于kTe时，可适用该绝缘衬底电流扩展模型。

模型公式推导满足条件时方程（10-58）可简化为（10-59），求解后得到Vj表达式，代入电流密度公式得出Jx，进而推导电流扩展长度Ls公式。

Ls影响因素分析GaN基水平结构LED芯片的电流扩展长度Ls与n-GaN、p-GaN层的电阻率和厚度，以及p型欧姆接触电阻有关。电流扩展理论模型：考虑ITO电阻的模型传统模型适用局限

传统模型适用局限传统电流扩展模型基于透明导电电极为等势面求得，仅适用于透明导电电极厚度较大的情况。

ITO电极特性现状为提升LED芯片光出射率，常用的ITO透明导电层厚度通常为100nm~230nm，退火前方块电阻为10Ω/□~55Ω/□。

ITO退火电阻变化ITO透明导电层蒸镀后需退火以提升欧姆接触性能，退火后方块电阻会增大，如230nm厚ITO退火后增至40Ω/□，电阻不可忽略。电流扩展理论模型：考虑ITO电阻的模型考虑电阻的新模型

电流扩展模型构成Kim等提出考虑透明导电电极方块电阻的电流扩展模型，纳入n-GaN横向电阻、透明导电层方块电阻、p-GaN纵向电阻及p型欧姆接触电阻。

模型推导与结论结合Guo等的理论模型推导多组基本方程，通过压降表达式进一步求解，得出电流密度公式及电流扩展长度计算公式。电流扩展理论模型：考虑ITO电阻的模型

模型结论分析透明导电电极与n-GaN层方块电阻差值影响GaN基水平LED电流扩展，二者相同时性能最优。电流扩展理论模型：低垂直电阻优化模型

传统模型适用前提两种电流扩展模型适用前提为芯片p型欧姆接触电阻较大，即满足IRv≫kTe。电流扩展理论模型：低垂直电阻优化模型优化后模型提出背景优化后电流扩展模型Kim等在原有基础上优化电流扩展模型，提出新模型，因p-GaN层方块电阻远高于n-GaN层，横向流经p-GaN层的电流可忽略。电流流动特性分析n-GaN层方块电阻可达12Ω/□，2μm~3μm厚的该层电阻为12Ω/□~20Ω/□，ITO退火后为25Ω/□~40Ω/□，电流优先在n-GaN横向流动，会在p电极边缘附近聚集。电流扩展理论模型：低垂直电阻优化模型模型公式与相关分析

电流扩展公式推导基于电流扩展模型推导得出电流密度公式Jx=J(0)exp−（10-74），电流扩展长度公式=2(0)(+)（10-75），同时明确激活电压Va=nkTe，n为芯片理想因子。

电流扩展影响因素GaN基水平结构LED芯片电流扩展长度与电极边缘电流密度J(0)、透明导电层方块电阻ρttt、n-GaN层方块电阻ρntn相关。

电流性能优化方向为改善电流扩展性能，应减小透明导电层和n-GaN层方块电阻，J(0)因与注入电流有关难以调控。插指型SiO2电流阻挡层：电流阻挡层的作用电流阻挡层的作用

为改善退火后ITO与n-GaN层方块电阻不匹配引发的p电极电流拥挤，可在ITO与p-GaN层间设电流阻挡层，强迫电流横向传输。插指型SiO2电流阻挡层：电流阻挡层的作用电流扩展理论模型

电流传输特性优化随着GaN基水平LED芯片技术提升，p-GaN层掺杂浓度提高、p型欧姆接触电阻降低，p-GaN层和p型接触电阻的纵向压降可忽略。

电流分布与扩展计算基于电流扩展理论模型，可通过特定公式计算水平结构LED芯片的电流密度分布和电流扩展长度，涉及ITO、n-GaN层方块电阻等参数。

理想因子估算方式LED芯片理想因子与载流子输运、复合和电阻率相关，可通过对应公式结合电压-电流曲线进行估算。插指型SiO2电流阻挡层：电流阻挡层的作用理想因子与参数计算

LED理想因子分析两款LED芯片电压电流半对数曲线基本重合，理想因子大小相同，分低、中、高偏置区，大功率LED正常工作时取1.7。

电流扩展长度测算LED电流扩展长度与ITO和n-GaN方块电阻有关，经霍尔测试等方法测算，大功率LED芯片电流扩展长度为89.1μm。插指型SiO2电流阻挡层：电流阻挡层的作用电极与阻挡层设计

电极图形设计依据当电流扩展长度与两电极距离相等时电流扩展性能较好，据此设计了对应芯片电极图形。

电流阻挡层与MESA结构两者图形均为插指型，插指间距离89μm，电流阻挡层由4个15μm宽插指组成，MESA由3个24μm宽插指组成。

芯片电极图形参数p、n电极插指宽度分别为5μm、6μm，p电极与SiO2电流阻挡层图形一致，n电极与MESA图形一致。插指型SiO2电流阻挡层：SiO2制备工艺研究SiO₂制备工艺研究背景

SiO2制备工艺类别为优化SiO2电流阻挡层质量，已有诸多研究，常用制备工艺包括原子层沉积法、化学气相沉积法及PECVD等。PECVD工艺优势PECVD可在200℃~350℃低温环境下沉积SiO2薄膜，兼具薄膜质量佳、沉积速率快的特点，是当前广泛使用的有效途径。PECVD工艺参数影响PECVD沉积时，反应气体比例、射频功率、腔体压强及温度等参数，都会影响SiO2薄膜的沉积速率与折射率。PECVD实验详情实验采用N2O和10%SiH4为反应气体，分析上述参数对薄膜的影响，对应反应方程式为SiH4+4N2O→SiO2+2H2O+4N2↑。插指型SiO2电流阻挡层：SiO2制备工艺研究各工艺参数影响分析

01反应气体比例影响固定N2O流量为1000sccm，改变10%SiH4流量控制比例，比例减小沉积速率增，62.5到33.3时折射率从1.46升至1.48，影响较小。

02射频功率影响规律射频功率增大，沉积速率先大幅提升后增幅变缓，30W到50W时折射率下降，50W到80W时折射率基本不变。

03反应腔体温度影响腔体温度从200℃升至300℃，沉积速率微降，因高温提升成膜质量，折射率小幅上升，整体变化幅度小。

04反应腔体压强影响腔压强增大，沉积速率加快，因腔内气体浓度升高，压强从700mTorr到100mTorr时，折射率从1.49降至1.47，影响较小。插指型SiO2电流阻挡层：SiO2制备工艺研究实验结论与参数优化

工艺参数影响分析PECVD沉积SiO2薄膜时，N2O/10%SiH4气体比例、射频功率、腔体温度及压强，均会影响薄膜沉积速率和折射率，其中射频功率影响趋势最明显。

速率与折射率关联反应气体不变时，SiO2薄膜沉积速率增大，对应的折射率会随之减小，二者呈现反向变化的关联。

优化工艺参数推荐为获均匀性好、折射率在1.46~1.52范围的SiO2薄膜，推荐参数为气体比例33.3、射频功率50W、温度300℃、压强850mTorr，此时速率640A/min、折射率1.48，兼具快速率与好均匀性。插指型SiO2电流阻挡层：芯片性能测试结果

p电极薄膜结构及作用p电极下方有180nmITO导电层、190nmSiO₂阻挡层，后者可改善电流拥挤，提升LED电流扩展性

两款LED光输出功率对比相同工作电流下，LEDⅡ光输出功率高于LEDⅠ；350mA时，LEDⅡ比LEDⅠ高18.7%插指型SiO2电流阻挡层：芯片性能测试结果两款LED正向电压对比

01芯片正向电压对比相同注入电流下LEDⅡ正向电压略高于LEDⅠ，350mA时LEDⅠ为3.19V，LEDⅡ为3.22V，差值0.03V。

02电压差异原因分析LEDⅡ正向电压略高是因绝缘SiO2电流阻挡层减小接触面积，使其动态电阻比LEDⅠ增大0.1Ω。图形化SiO2电流阻挡层

单层SiO2层设计优势位于ITO透明导电层上方，可改善电流扩展提升光电性能，还能兼作钝化层，简化制备流程

三款LED芯片结构差异三款LED芯片尺寸均为280μm×825μm：LEDⅠ无SiO₂电流阻挡层，LEDⅡ有，LEDⅢ的ITO带周期性图形。图形化SiO2电流阻挡层：LEDⅢ制造流程刻蚀GaN外延层利用BCl3/Cl2基化学气相ICP刻蚀的方法选择性刻蚀GaN外延层直至暴露出n-GaN层。制备导电与绝缘层在p-GaN上制230nm图形化ITO导电层，再制200nm带通孔SiO₂绝缘层制备电极并退火沉积Cr/Al/Ti/Pt/Ti/Pt/Au多层金属堆栈作为n、p电极，于300℃退火16分钟以提升LED芯片欧姆接触性能。减薄与芯片切割采用研磨抛光法将LED外延片减薄至150μm，再用激光切割法将芯片切为280μm×825μm图形化SiO2电流阻挡层：LEDⅢ结构表征分析

电极测试说明图10.108（a）（b）为LEDⅢ的n、p电极横截面TEM图，（c）（d）为其A-A、B-B方向EDX线扫分析图图形化SiO2电流阻挡层：LEDⅢ结构表征分析n电极结构及作用说明

01电极结构组成n电极由Cr/Al/Ti/Pt/Ti/Pt/Au多层金属堆栈组成，SiO₂电流阻挡层图形位于n电极下方。

02电极功能与优化Al金属层为反射层，可减小光吸收提升光提取效率，Al与n-GaN间沉积0.5nm厚Cr层，增强粘附性提升芯片可靠性。图形化SiO2电流阻挡层：LEDⅢ结构表征分析p电极下方结构说明位于p电极下方的SiO2电流阻挡层图形和ITO图形如图10.108（b）所示。图形化ITO电流扩展层：双层ITO结构设计单层ITO的应用局限

01传统ITO层局限在p-GaN层蒸镀ITO作电流扩展层，因ITO与空气折射率差大，界面全反射导致光子难提取，光提取效率低。

02图形化ITO的利弊对ITO蚀刻形成微纳图案可增强光散射，提升光提取效率，但会增加ITO方块电阻，降低紫外LED芯片电流扩展性能。图形化ITO电流扩展层：双层ITO结构设计

双层ITO的设计方案双层ITO由两层组成：第一层作电流扩展层，经热退火实现低电阻欧姆接触；第二层作光提取层，制周期性孔结构提光效。

双层ITO的应用优势双层ITO在保留原有单层ITO作为电流扩展层的基础上，提高了紫外LED芯片的光提取效率。图形化ITO电流扩展层：器件制备流程图案化ITOUVLED制备

GaN台面蚀刻工序采用BCl3/Cl2混合气体的ICP蚀刻，去除部分p-GaN层和MQW有源层，暴露n-GaN层以形成GaN台面。双层ITO层制备先在p-GaN层沉积30nm厚第一ITO层，经540℃N2环境退火20分钟；再沉积120nm厚第二ITO层并通过激光直写制作周期性图案。正负电极制备环节在图案化第二ITO层和暴露的n-GaN层上，均沉积Cr/Pt/Au（30nm/30nm/2000nm）多层，分别形成p电极与n电极。晶片后处理及对比将UVLED晶片减薄至约120μm，切成1132×1132μm2的芯片；同时制备平面双层ITO的UVLED作为对比样。图形化ITO电流扩展层：器件制备流程器件测试与表征说明

器件特性测量方式使用积分球和KeysightB2901A半导体参数分析仪，测量UVLED的光输出功率-电流-电压特性。

LED结构与芯片表征含图案化双层ITO的UVLED有示意图、横截面示意图，制造的芯片有顶视图SEM图像，还有三种不同尺寸和周期的图形化ITO结构的原子力显微镜图。

ITO图形轮廓差异原因直径3μm、周期5μm和7μm的ITO图形轮廓粗糙，因激光直写系统步进距离大；直径5μm、周期10μm的结构轮廓平滑，因尺寸大，步进距离影响降低。

实验控制条件说明三种不同的图形化ITO结构均在相同曝光参数下完成曝光，保障实验过程的准确性。图形化ITO电流扩展层：透光率与出光性能分析图形化ITO透光率数据ITO透光率变化规律有图形化和无图形化的ITO透过率均随波长减小而下降，近紫外波段图形化ITO透光率明显更高。ITO透光率具体数据375nm处，未图形化ITO透光率69.05%，图形化ITO1、2、3分别为79.34%、76.84%、72.16%，分别高出10.29%、7.79%、3.11%。图形化ITO参数影响不同周期图形化ITO中，ITO1透光率最高，ITO3最低，直径3μm、周期5μm的结构透光率最优。图形化ITO电流扩展层：透光率与出光性能分析透光率相关结论推导缩小周期性图形化结构的直径和间距可提升其透光率；近紫外波段图形化ITO透光率更高，应用于近紫外LED或可提升光输出功率。图形化ITO电流扩展层：透光率与出光性能分析LED芯片相关实验分析

ITO制备工艺差异LED外延片上制备图形化ITO与石英玻璃基底流程不同，因酸蚀液会腐蚀LED外延片，仅能选用干法刻蚀方式。

光功率与电流关系随注入电流增加，LED光输出功率持续增长但增速下降，带图形化ITO的LED光输出功率显著高于未图形化的。

不同ITO光功率对比350mA电流下，图形化ITO1、ITO2、ITO3的LED光功率较未图形化的分别高55.4mW、34mW、18.6mW，ITO1光功率最高。

出光效率验证结论不同图形化ITO的LED光功率差异与对应ITO透光率一致，验证周期性图形化微纳结构可提升近紫外LED出光效率。图形化ITO电流扩展层：电流扩展性能分析图形化ITO的电压特性

正向电压电流特性不同结构LED芯片的正向电压随注入电流增加呈线性增长，表明ITO与p-GaN层欧姆接触特性良好，方块电阻不受热效应影响。

不同ITO结构电压差异350mA注入电流下，未图形化ITO芯片正向电压3.89V，三种图形化ITO芯片电压分别高0.1V、0.08V、0.05V。图形化ITO电流扩展层：电流扩展性能分析电压差异原因分析

ITO结构电压对比未图形化ITO的LED芯片正向电压最低，图形化ITO因多孔结构减少材料用量，方块电阻更高，正向电压更高。图形化ITO性能差异三种图形化ITO中，ITO1正向电压最高、方块电阻最高，ITO3则最低，因相同面积下ITO1沉积的ITO材料最少。图形化ITO电流扩展层：电流扩展性能分析

结构与性能关联推论ITO1周期性结构尺寸最小、最密集，使LED正向电压最大，也最能提升光输出功率，推论减小其尺寸间隔可有效提效。金属线网格透明导电电极：研究背景与内容概述

ITO的应用局限ITO导电层广泛用于蓝、绿光LED，但紫外波段透光率骤降，不适用于紫外LED，需寻适配的透明导电层。

银铜纳米线的不足银铜纳米线存在基体粘附性差、易氧化、电极过热易致器件失效的不足，暂难广泛用于透明导电层制备。

Ni基电极研究介绍Ni具较好粘附性、较高功函数，易与p-GaN成欧姆接触，现介绍其激光直写制备紫外LED用Ni/Au线网格透明电极金属线网格透明导电电极：激光直写工艺流程介绍工艺整体概述

光刻胶涂覆环节将含光敏性材料的S1800系列正光刻胶，以旋转涂胶方式涂覆在玻璃或硅片基板，先600r/min匀胶10-20s，再4000r/min匀胶1min，可获约1.3μm厚均匀胶层。

光刻胶特性说明光刻胶分正胶、负胶，正胶曝光区域显影时溶解，负胶则保留曝光区域，常用正胶为S1800系列，负胶主要是SU-8。

激光直写流程概况激光直写Ni/Au线网格工艺流程包含匀胶、前烘、曝光、后烘和显影等过程，有对应制备流程图辅助说明。金属线网格透明导电电极：激光直写工艺流程介绍前烘工序说明匀胶后需对光刻胶进行前烘，以去除多余溶剂、增强与基板粘附性，参数设为90℃、1min。金属线网格透明导电电极：激光直写工艺流程介绍曝光与显影操作

激光直写曝光操作将匀胶基板放在激光直写系统真空吸盘上，抽真空吸附，调节光学模块高度使激光焦点在光刻胶表面，通过光学模块步进和底部平台扫描完成曝光。

显影流程及要求多数负胶曝光后需后烘再显影，本实验用S1800系列光刻胶无需后烘，基板浸没显影液约20s，曝光区域光刻胶溶解，显影后可观察预设图案。

实验图案设计本次激光直写实验所设计的是线宽为600nm的线网格结构，用于制作金属线网格透明导电电极。金属线网格透明导电电极：紫外LED制备与电极制作外延层生长流程

UVLED底层生长工艺在MOCVD设备中，先生长25nm厚低温AlGaN成核层，再于1025℃生长2.75μm未掺杂GaN层，后续依次制备多层n型掺杂GaN、AlGaN层。UVLED有源与顶层制备815℃制备144nm厚InGaN/AlInGaN超晶格，742℃制6对多量子阱有源区，后续完成势垒层、p型掺杂层及重掺杂p+GaN层的制备。金属线网格透明导电电极：紫外LED制备与电极制作台面与网格结构制备

GaN基板制备流程采用BCl3/Cl2混合气体ICP蚀刻形成GaN台面，以此为基板经激光直写完成匀胶、前烘、曝光、显影，做出光刻胶网格凹槽。金属线网格电极制作通过电子束蒸发在光刻胶层沉积3nm镍和3nm金，去胶后在GaN层形成周期性Ni/Au线网格结构。对比样品制备设置为优化线网格参数，制备多组不同周期的Ni/Au线网格，同时制备Ni/Au薄膜、230nm厚ITO导电层作对比。金属线网格透明导电电极：紫外LED制备与电极制作

电极制备与芯片切割在实验用Ni/Au线网格、Ni/Au薄膜及ITO表面沉积Cr/Pt/Au作电极，后将UVLED晶圆切割为305×330μm²、峰值波长395nm的芯片金属线网格透明导电电极：电极性能测试与分析Ni/Au线网格结构参数

电极结构参数情况通过激光直写技术在UVLED上制作不同周期的Ni/Au线网格，线宽均为600nm，厚度约6nm，远薄于ITO透明导电层。

电极透光特性分析Ni/Au线网格未填充区域占比高，周期6μm、2μm、1.5μm的分别占90%、70%、60%，可降低光吸收、提升透光率，还能比Ni/Au薄膜提取更多光输出。金属线网格透明导电电极：电极性能测试与分析不同电极透过率对比

电极透过率对比ITO对紫外光强烈吸收，紫外区透射率低于Ni/Au线网格，Ni/Au线网格和薄膜透过率受波长影响小，ITO受影响大。

线网格周期影响不同周期Ni/Au线网格中，周期越大透过率越高，395nm处6μm、2μm、1.5μm周期的线网格透射率分别为87.9％、77.1％、73.1％。

材料适用性分析ITO因紫外区透射率低且透过率受波长影响大，不合适作为紫外LED透明导电层，而Ni/Au相关材料表现更优。金属线网格透明导电电极：电极性能测试与分析电极电流扩展与光输出

远场发光强度分析20mA注入电流下，通过UVLED远场发光强度图像判断电流扩展性能，ITO和Ni/Au薄膜电极的电流扩展优于Ni/Au线网格电极。

电极薄层电阻测试测得6nm厚Ni/Au薄膜、230nm厚ITO薄层电阻分别为25、31Ω/sq，1.5μm、2μm、6μm周期Ni/Au线网格薄层电阻分别为39、49、131Ω/sq。

光输出功率对比20mA下，ITO、Ni/Au薄膜电极UVLED光输出功率为30.7、21.5mW，不同周期Ni/Au线网格电极的为16、14.3、13.0mW。

功率差异原因探究Ni/Au线网格光输出功率低主因是电流扩展差而非光吸收，电流低于70mA时透光率起主导，高于70mA时电流扩展起主导。

电极材料选择要点电流扩展性能相近时，材料透光率对光输出效率更关键，ITO在395nm处光吸收少于Ni/Au薄膜，光输出功率更高。金属线网格透明导电电极：电极性能测试与分析电极正向电压特性

正向电压测试情况通过测量正向电压评估电流拥挤效应，图10.119展示不同透明导电电极UVLED的正向电压与注入电流关系，20mA下各电极对应正向电压有明确数值。

线网格电压变化原因Ni/Au线网格方块电阻随周期增加而增大，6μm周期的方块电阻最高，对应正向电压也最高；注入超50mA时，其电压增速更快，因电流密度高、发热多，方块电阻进一步增大。

Ni/Au薄膜特性分析Ni/Au功函数高于ITO，与p-GaN比接触电阻更低，25mA以下其正向电压低于ITO；超25mA时电压增速更快，因发热使方块电阻增加，加厚薄膜会加重光吸收降低光功率。纳米尺度棱镜结构：TMAH腐蚀制备棱镜结构棱镜结构制备背景

棱镜结构制备方法采用基于四甲基氢氧化铵的湿法腐蚀方法，可在水平结构LED芯片发光面制备纳米尺度棱镜结构，提升Mini-LED芯片光提取效率。

芯片排布与表征Mini-LED芯片采用正交排布研究TMAH对GaN的各向异性腐蚀特性，有对应SEM图，芯片尺寸为177μm×354μm。纳米尺度棱镜结构：TMAH腐蚀制备棱镜结构腐蚀后侧壁形貌分析

01腐蚀后形貌特征图10.121为不同时间TMAH腐蚀后Mini-LED芯片侧壁SEM图，腐蚀后侧壁会形成形状不变的三棱柱形棱镜结构。

02棱镜尺寸变化规律5min、10min腐蚀时棱镜尺寸波动大，范围从纳米级到数微米；20min腐蚀后棱镜更均匀，平均尺寸约550nm。纳米尺度棱镜结构：TMAH腐蚀的电学特性影响01正向IV特性分析不同TMAH腐蚀时间下，Mini-LED芯片的电流-电压曲线几乎重合，如图10.122（a）所示02反向IV特性分析不同腐蚀时间的Mini-LED芯片反向IV特性：10V反向电压下，未腐蚀及腐蚀5、10、20min的反向电流依次为5.04、4.91、5.26、5.48μA03腐蚀电学损伤结论TMAH腐蚀及不同腐蚀时间下，Mini-LED芯片电流-电压特性曲线接近，其电学损伤几乎可忽略。纳米尺度棱镜结构：TMAH腐蚀的光学特性影响TMAH腐蚀提升LOP分析

腐蚀后光功率变化经TMAH腐蚀的Mini-LED芯片光输出功率高于未腐蚀芯片，130mA电流下，5min、10min、20min腐蚀后功率分别提升2.8%、3.0%、9.4%。

功率提升原因分析因芯片外延材料和结构相同，内量子效率一致，推测光功率提升源于光提取效率提高，与腐蚀后侧壁形成微观棱镜结构有关。纳米尺度棱镜结构：TMAH腐蚀的光学特性影响不同芯片LOP增量对比

01光功率增量对比图10.123（b）显示130mA注入电流下，经不同时间TMAH溶液腐蚀后，Mini-LED芯片光输出功率增量始终高于另一款Mini-LED芯片。

02差异原因推断两款芯片仅晶圆排布方式不同，由此推断二者光输出功率增量的差别与TMAH溶液对GaN不同晶面的各向异性腐蚀特性有关。纳米尺度棱镜结构：TMAH腐蚀的光学特性影响腐蚀与排布影响验证

光功率增量关联腐蚀图10.124（a）证明光输出功率增量与TMAH各向异性腐蚀有关，130mA电流下，未腐蚀、腐蚀20min的两款Mini-LED芯片光功率分别为98.05mW、107.31mW、104.89mW。发光图显侧壁差异图10.124（b）（c）（d）显示60mA电流下的发光图，经TMAH腐蚀的芯片在[11-20]方向侧壁附近发光有显著差异，粗化侧壁更高效耦合光线。芯片性能差异原因相同腐蚀时间下，一款Mini-LED芯片性能更优，因它正交排布的结构使[11-20]方向晶面易被腐蚀，粗化侧壁面积更大，光提取效率更高。纳米尺度棱镜结构：FDTD仿真验证效果仿真实验背景与设置

仿真模型搭建为探究TMAH腐蚀侧壁形貌对Mini-LED芯片光输出功率的影响，采用完全匹配层边界条件，结合芯片外延结构与实际腐蚀侧壁形貌建立FDTD仿真模型。仿真参数设置将仿真面积设为与实际芯片成比例的15μm×30μm，网格间距设为10nm，在多量子阱层中心放置发射波长455nm的点状偶极子作为光源。仿真数据采集采用横截面离散傅里叶变换（DFT）监测器，获取空间光强分布，以此完成FDTD仿真相关数据采集工作。纳米尺度棱镜结构：FDTD仿真验证效果

仿真结果与机理分析经20minTMAH腐蚀的带棱镜结构侧壁的Mini-LED芯片，出光更均匀光强更大，可通过多次反射折射等提升出光效率。倒装结构LED芯片02器件制造工艺：倒装LED芯片概述

倒装LED芯片定义倒装结构LED芯片是把水平结构LED芯片倒置后焊接在散热基板上，其示意图如图10.126所示。

倒装LED芯片优势减小电极吸光损耗，提升光提取效率，热源近散热基板，散热性能优异

倒装LED芯片类型常用倒装LED芯片分两种：一种剥离蓝宝石衬底，从n-GaN层侧出光；一种保留衬底，以蓝宝石为出光面。

倒装LED芯片局限蓝宝石衬底剥离技术未成熟，易降芯片良率，制备成本高，封装技术也未成熟器件制造工艺：金属堆栈结构芯片制造流程

刻蚀形成n型通孔清洗LED外延片，采用BCl₃/Cl₂混合气体ICP蚀刻至n-GaN层，形成插指状n型通孔阵列器件制造工艺：金属堆栈结构芯片制造流程制备p侧金属堆栈层

01Ag层与金属堆栈制备采用光刻和离子束溅射工艺在p-GaN上溅射100nm厚Ag层，再沉积特定规格TiW/Pt多层金属堆栈层，洗去光刻胶去除多余金属。

02插指状n电极制作在插指状n型通孔阵列和金属堆栈层上沉积Cr/Al/Ti/Pt/Au金属层，通过光刻工艺图形化为插指状n电极。器件制造工艺：金属堆栈结构芯片制造流程处理DBR与电极成型

01DBR反射层制备与刻蚀在Ag/TiW/Pt/TiW/Pt/TiW/Pt/TiW/Pt金属堆栈层上沉积DBR反射层，用CHF3/Ar/O2混合气体刻蚀，制出p电极孔并去除插指状n型通孔阵列中的DBR形成n型接触孔。

02电极金属层蒸镀成型采用电子束蒸发设备在p电极孔、n型接触孔和DBR层上，蒸镀特定厚度的Cr/Al/Ti/Pt/Ti/Pt/Au电极金属层，形成p电极与n电极。器件制造工艺：金属堆栈结构芯片制造流程

减薄划片成芯片最后用CMP工艺将LED晶圆片减薄至约120μm，经激光切割划片裂片，形成1140μm×1140μm的芯片。器件制造工艺：ITO/DBR倒装芯片制造流程

刻蚀形成n型通孔用BCl₃/Cl₂混合气体刻蚀倒装LED芯片的p-GaN和MQW，形成直达n-GaN外延层的n型三维通孔

制备电极与DBR层电子束蒸发沉积Cr/Al/Ti/Pt/Au金属层制p、n电极；沉积16周期TiO₂/SiO₂DBR层；蒸镀金属层制n、p焊盘反射镜技术：不同介质交界面的反射和透射情况

研究内容与定义说明讨论光波正入射不同介质交界面的反射、透射情况，定义反射率R、透射率T，需先求复振幅反射比r、透射比t。反射镜技术：不同介质交界面的反射和透射情况相关公式推导基础光振动复振幅设定图10.129中E、E'、E''分别为入射、反射、折射光电振动复振幅，H、H'、H''分别为对应磁振动复振幅。介质常量与公式推导真空介电常量ε₀、磁导率μ₀，介质相对介电常量εᵣ、磁导率μᵣ，非铁磁性介质μᵣ=1，n=√εᵣ，由此将公式（10-80）推导为（10-81）。边界条件与关系推导介质界面上光波电、磁振动切向分量需连续，满足边界条件（10-82），结合公式（10-81）推导得到关系（10-83）。反射镜技术：不同介质交界面的反射和透射情况

复振幅比值推导借助公式（10-83）改写公式（10-81）为（10-84）、（10-85），求解后得正入射时复振幅反射比r、透射比t的公式

反射透射率表达式入射光、反射光和折射光光强分别用I、I'、I''表示，反射率R、透射率T表达式为（10-88）、（10-89）。反射镜技术：单层增反膜多光束干涉研究背景

单层膜干涉原理研究衬底表面单层薄膜，入射光在其上下表面多次反射透射形成多光束干涉，涉及外侧介质、薄膜、衬底三类介质。

薄膜光学参数设定明确外侧介质折射率n0、薄膜折射率n与厚度h、衬底折射率ng，定义不同界面的复振幅透射比与反射比参数。反射镜技术：单层增反膜

反射光复振幅推导给出相邻反射光相位差，叠加得合反射光复振幅，代入斯托克斯公式推导得最终式反射镜技术：单层增反膜反射光强比值推导

反射光强极值条件薄膜反射光强ER与入射光强I0的比值有对应公式，当R=0时反射光强取极值，正入射下薄膜光学厚度nh为λ/4整数倍时R取极值。

正入射反射光强推导正入射条件下，复振幅反射比有对应表达式，代入相关公式可得到薄膜反射光强与入射光强的比值公式，且nh为λ/4奇、偶数倍时公式各有化简形式。反射镜技术：单层增反膜反射率规律结论

增反膜效果分析当薄膜折射率n大于基板折射率g时，单层薄膜有增反效果，n比g越大增反效果越好，nh为λ/4奇数倍时增反效果最佳。特殊情况结论当n=0或n=g时反射率为定值；当nh为λ/4偶数倍时，薄膜反射能力与未镀膜时相同。反射镜技术

多层介质反射膜单层高折射率增反膜提反射率有限，可采用高低折射率膜交替的多层介质膜，实现高反低吸。反射镜技术：分布式布拉格反射镜DBR反射镜基本定义由高低折射率材料交替排列组成周期性薄膜，常用四分之一反射镜，折射率差越大反射效率越高，可调参数实现95%以上反射率。DBR与金属镜对比及分类相比银、铝等金属反射镜，DBR反射率高、稳定性好，分为半导体和电介质两类，半导体周期多、有带偏移，电介质则相反。DBR核心参数与公式核心参数含中心波长、最大反射率和反射带宽，各参数有对应计算公式，折射率差、周期数影响反射性能。反射镜技术：分布式布拉格反射镜1）单DBR堆栈反射镜

DBR周期数仿真研究以TiO2/SiO2单DBR堆栈反射镜为例，设中心波长465nm，算出二者厚度为79.5nm/47.4nm，仿真显示周期数增到4后反射率增速放缓，7时接近100%。

堆叠方式对反射率影响TiO2和SiO2的堆叠方式会影响DBR反射率，仿真显示第一层蒸镀TiO2时，反射率比第一层为SiO2时更高，更利于光反射。反射镜技术：分布式布拉格反射镜2）双DBR堆栈反射镜

双DBR堆栈核心优势将两个不同中心波长的单DBR堆栈堆叠，可作LED底部反射镜，同层数下比单DBR堆栈反射率更高、带宽更大。

双DBR参数与特性以500nm/600nm中心波长为例，明确对应TiO₂/SiO₂电介质层厚度，其反射带宽达272nm，因中心波长间距优化有带宽重叠。

入射角与反射率关联对比单、双DBR堆栈，双DBR的平均反射率范围更高，入射角低于48°时反射率超99%，高反射率入射角范围更大。反射镜技术：分布式布拉格反射镜3）复合DBR反射镜

单DBR金属层研究在单DBR堆栈底部蒸镀Al、Ni、Ag和Au金属层形成复合反射镜，模拟显示Ag反射率最高，Au短波长区反射率下降快但仍高于无金属层的，且加金属层能增反射带宽。

双DBR金属层研究双DBR堆栈加四种金属层的复合反射镜，中心波长附近反射率均超99%，Ag组合带宽最大，Ni和Au组合基本不增带宽，综合来看Al是适配双DBR的最优金属层。

铝膜厚度优化研究对单、双DBR堆栈搭配不同厚度铝膜的反射率模拟显示，铝厚从10nm增至100nm时反射率上升，厚于80nm后反射率增长趋近于0。

单双DBR铝层对比将TiO₂/SiO₂周期数设为16、铝厚设为80nm，对比发现双DBR与铝组合比单DBR与铝组合的反射带宽更大、反射率更高，平均反射率达95.09%，高于单DBR的91.38%。反射镜技术：分布式布拉格反射镜4）全角DBR反射镜

全角DBR镜设计原理通过离散化设计DBR反射镜电介质层厚度，增加不同光波段的DBR堆栈数，可拓宽反射带宽、降低角度依赖性。

双DBR镜问题成因单双DBR堆栈反射镜的角度依赖性，源于其反射带宽较窄、中心波长间距过大的缺陷。

全角DBR镜性能优势对比双DBR堆栈反射镜，全角DBR反射镜在不同入射角下，各光波段反射率更高，角度依赖性更少、反射带宽更宽。

子DBR堆栈参数详情包含14组子DBR堆栈，每组对应不同SiO2、Ti3O5厚度及中心波长，参数覆盖390nm至689nm区间。反射镜技术：分布式布拉格反射镜5）多DBR堆栈反射镜

双DBR堆栈反射镜特性由中心波长465nm的子DBR堆栈Ⅰ和520nm的子DBR堆栈Ⅱ组成，反射率有严重角度依赖性，大角度入射时绿光波段反射率因中心波长蓝移下降。三DBR堆栈反射镜优化加入中心波长580nm的子DBR堆栈Ⅲ，大入射角下绿光波段反射率提升，但小入射角下蓝光波段因堆栈Ⅱ、Ⅲ反射率下降导致整体反射率降低。四DBR堆栈反射镜优化加入中心波长430nm的子DBR堆栈Ⅳ，蓝光波段反射率超95%，但大角度入射时绿光波段各子堆栈反射率快速下降，整体反射率降低。五DBR堆栈反射镜优势加入中心波长430nm的子DBR堆栈Ⅴ，入射角0°到60°时蓝、绿光波段反射率超95%，70°时仍保持90%，有效抑制角度依赖性。子DBR堆栈参数汇总包含5组不同子DBR堆栈，对应SiO2、Ti3O5厚度及430nm、465nm、520nm、580nm、620nm的中心波长。反射镜技术：分布式布拉格反射镜6）广角DBR反射镜

双DBR堆栈反射镜特性由两个12周期Ti3O5/SiO2子堆栈构成，中心波长465nm、630nm，0°入射可见光反射率高，大入射角下蓝绿光反射率骤降。

三DBR堆栈反射镜优化新增中心波长520nm的子堆栈，总周期仍24个，优化了蓝绿光波段反射率骤降问题，但大入射角下红光反射率仍低。

四DBR堆栈反射镜调试新增中心波长650nm的子堆栈，后优化至730nm，各子堆栈为6周期，低入射角反射率高，大入射角提升有限。

广角DBR反射镜性能结合六个不同中心波长、周期数的子堆栈，反射带宽最大，垂直入射平均反射率99.73%，60°入射仍达97.93%，角度依赖性小。反射镜技术：分布式布拉格反射镜7）全反射镜

全反射镜结构与特性全反射镜为三层结构，上层高折射率、中层低折射率、底层金属层，中层厚度由中心波长决定，与DBR计算方式相同，上层厚度无限制，且高低折射率差值对反射率影响大。

全反射镜模拟情况采用硅、二氧化硅、铝模拟全反射镜，中心波长500nm，附近反射率超98%，反射带宽224nm，相比优化后DBR，反射率稍低、带宽更小但结构更简单。

DBR材料组合模拟通过硅/二氧化硅、二氧化钛/二氧化硅、三氧化二铝/二氧化硅三组材料，模拟不同堆栈周期下DBR的反射率与波长关系。

DBR反射率影响规律模拟显示，DBR两种材料折射率差值越大，反射率、反射带宽越高越大，且能在更小周期让反射率达饱和、带宽达最大。三维通孔电极：倒装LED电极结构概述倒装LED电极优化方向倒装LED芯片p型电极导电能力强可作等电势面，电流集中在n电极旁，优化侧重合理布置n电极。倒装LEDn电极结构演进倒装LED最初用叉指型n电极，发光面积损失大；后改用3D结构电极，提升发光面积，优化电流分布。本节介绍内容说明本节主要介绍ITO/DBR双金属层三维电极结构倒装LED芯片制造。三维通孔电极：两类倒装LED制造流程ITO/DBR双金属层芯片流程

通孔与导电层制备清洗外延片，用ICP干法刻蚀形成三维n型通孔，再蒸镀ITO透明导电层并去除通孔内多余ITO。

DBR层与金属层制作在ITO上沉积SiO2/TiO2DBR并刻蚀出接触孔，沉积第一层金属层并剥离形成隔离槽。

绝缘层与焊盘成型用PECVD沉积SiO2绝缘层并腐蚀出互连孔，蒸镀第二层金属层并剥离形成n、p焊盘。三维通孔电极：两类倒装LED制造流程Ni/Ag双金属层芯片流程

电极刻蚀与接触层制备清洗外延片，用ICP干法刻蚀p-GaN和MQW至露出n-GaN形成n型通孔；在p-GaN上蒸镀Ni/Ag形成p型欧姆接触层，450℃N2环境退火20分钟。

绝缘层与金属层沉积在Ni/Ag层和n型通孔沉积SiO2绝缘层，用BOE溶液去除底部绝缘层，留侧壁绝缘层；再沉积第一层Cr/Al/Ti/Pt/Au金属层。

电极焊盘成型工艺用PECVD技术在第一层金属层沉积SiO2绝缘层，BOE湿法刻蚀出n、p电极接触孔，蒸镀第二层Cr/Al/Ti/Pt/Au金属层形成n、p焊盘。三维通孔电极：两类芯片结构与反射特性两款芯片电流路径与电极布局

ITO/DBR芯片电极结构DBR因绝缘特性刻蚀有连通ITO的p接触孔，三个n接触孔在芯片中间，p接触孔环形分布其周围，SiO2沟槽隔离电极防短路，提升电流扩展能力。

Ni/Ag芯片电极布局n电极孔分布在芯片左侧，p电极孔分布在芯片右侧，两款倒装LED芯片均采用三维通孔电极结构，可有效减小有源区面积损失。

两款芯片图示内容含ITO/DBR与Ni/Ag倒装LED芯片工作电流路径示意图，ITO/DBR芯片顶部SEM图及Ni/Ag芯片俯视SEM图。三维通孔电极：两类芯片结构与反射特性两款芯片电极截面SEM图

两类芯片电极截面图10.155（c）为ITO/DBR倒装LED芯片A-A区域p电极横截面SEM图，图10.155（f）为Ni/Ag倒装LED芯片B-B区域p电极横截面SEM图。芯片反射镜及截面图10.156（a）展示两款芯片Ni/Ag和ITO/DBR的横截面SEM图，ITO/DBR芯片的DBR反射镜由5对交替的TiO2/SiO2组成。三维通孔电极：两类芯片结构与反射特性不同结构反射率对比

01多层膜反射率对比图10.156（b）展示纯Ag（200nm）、Ni（0.5nm）/Ag（200nm）和ITO（60nm）/DBR（621nm）的反射率曲线，纯Ag蓝光波段反射率高，插Ni膜后反射率明显下降。

02特定波长反射率数据456nm波长下，ITO（60nm）/DBR（621nm）反射率为91.2%，Ni（0.5nm）/Ag（200nm）为85.6%，前者比后者高出5.6%。三维通孔电极：两类芯片性能对比分析电流扩展性能对比

电流扩展影响因素LED芯片电流均匀扩展可让发光均匀，避免有源区局部高温致可靠性问题，p型欧姆接触电极方块电阻是电流扩展性能的重要参数。

两类电极电阻差异Ni（0.5nm）/Ag（200nm）方块电阻为0.08Ω/□，远小于ITO（60nm）的38Ω/□，Ni/Ag倒装LED芯片电流扩展长度更大。

电流扩展仿真结果mA注入电流下，Ni/Ag倒装LED芯片因Ag电导率高、电流扩展能力好，电流密度均方根值更小，且两类芯片电流聚集位置不同。

电流聚集规律解析电流聚集情况与n-GaN和p型欧姆接触电极的方块电阻相关，二者电阻大小关系决定电流聚集在n或p电极两侧，或同时聚集。

不同电流下密度分布在90mA、200mA、400mA注入电流下，Ni/Ag倒装LED芯片的最大电流密度、电流密度均方根值均低于ITO/DBR倒装LED芯片。三维通孔电极：两类芯片性能对比分析光电特性差异分析

芯片I-V特性对比ITO/DBR和Ni/Ag倒装LED芯片的I-V特性有差异，90mA下正向电压分别为3.19V、3.01V，Ni/Ag因电导率高电压更低。

光输出功率差异分析90mA注入电流下，ITO/DBR倒装LED芯片光输出功率为114.6mW，比Ni/Ag的高6.3%，源于其反射率更高，光提取效率更优。

外量子效率对比90mA下两类芯片外量子效率分别为46.8%、44.0%，大电流密度下Ni/Ag因电流扩展和热导率优势效率反超。

光输出饱和电流差异ITO/DBR和Ni/Ag倒装LED芯片的光输出饱和电流密度分别为196.3A/cm2、292.8A/cm2，后者饱和电流密度更高。三维通孔电极：两类芯片性能对比分析热特性参数对比

芯片稳态结温仿真200mA注入电流下，ITO/DBR倒装LED芯片最高结温393.3K，Ni/Ag倒装LED芯片为361.1K，分别比平均结温高40K和30K。

芯片瞬态结温测试200mA和400mA注入电流下，ITO/DBR倒装LED芯片结温为81.6℃、164.5℃，Ni/Ag倒装LED芯片为57.9℃、102.7℃，实验与仿真结果一致。

芯片热阻性能对比200mA和400mA注入电流下，ITO/DBR倒装LED芯片热阻为19.3K/W、27.0K/W，Ni/Ag倒装LED芯片为7.8K/W、11.2K/W，400mA时Ni/Ag热阻更低，因Ni/Ag热导率更高。高反射率低阻P型欧姆接触电极

GaN欧姆接触差异n型GaN欧姆接触易制作，常用Ti/Al等金属组合，比接触电阻率可达10-5~10-6Ω·cm2；p型GaN因适配金属少、难重掺杂，欧姆接触制作困难。

退火对接触的影响p型GaN欧姆接触实验中，退火环境、温度及时间会使材料间产生新现象与机理，进而影响最终的欧姆接触性能。

倒装LED接触方案倒装LED芯片一般用高功函金属Ni或ITO作p型欧姆接触层，金属Ag或DBR作反射层，本小节对比分析ITO、Ni/Ag和Ag/TiW的欧姆接触性能。高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（ITO）

ITO的特性与应用ITO具备高透光率（＞95%）、高导电性（＜10-4Ω·cm），在光电子领域应用广泛，可作LED芯片相关功能层高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（ITO）退火后欧姆接触情况

01ITO退火I-V曲线情况图10.160（a）展示ITO（60nm）与p-GaN在300℃-600℃高温N2环境退火20分钟后的I-V曲线，300℃和600℃退火后形成欧姆接触。

02欧姆接触形成机制退火时Ga原子从GaN扩散进ITO留Ga空位，ITO中In、Sn、O原子进入空位形成混合层，混合层与Ga空位降低界面势垒高度。

03退火温度效果对比300℃退火下ITO与p-GaN的I-V特性优于600℃，比接触电阻率更低，欧姆接触表现更佳。高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（ITO）比接触电阻率测算

对300℃退火后的60nmITO的CTLM模型I-V曲线分析计算，得出其与p-GaN的比接触电阻率为4.5×10-4Ω·cm-2。高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（Ni/Ag）ITO电极的局限与Ag的问题

ITO电极局限分析ITO能与p-GaN形成良好欧姆接触，但需搭配反射层，制备繁琐，还会造成光出射损失，需替代方案。

Ag电极性能优势相比ITO，Ag电流扩展性能更好，蓝光波段反射率高，可同时作为倒装LED芯片的反射层和电流扩展层。

Ag电极热稳定性问题Ag颗粒比表面积大、表面能高，高温退火时会严重团簇，随退火温度升高，薄膜破洞增多、粗糙度均方差值变大，不利于欧姆接触且降低反射率。

Ag电极粘附性缺陷Ag与p-GaN粘附性能差，Ag薄膜易从p-GaN表面脱落，增加芯片工艺难度，降低芯片可靠性。高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（Ni/Ag）Ag电极问题的解决思路

01电极制备改进方案针对Ag薄膜与p-GaN粘接弱、欧姆接触电阻高、热稳定性差的问题，采用Ag基合金或插入高功函Ni层制备高性能Ag基电极。

02Ni层作用原理阐释高温O₂退火时Ni/p-GaN接触面形成p型NiO固溶体，降低界面势垒高度，且NiO形成时会带走p-GaN表面杂质，助力形成欧姆接触。高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（Ni/Ag）Ni/Ag电极的性能测试

退火温度对接触的影响300-600℃高温O₂环境退火20分钟后，Ni/Ag与p-GaN均形成欧姆接触，I-V特性先变好后变差，500℃时性能最佳。

接触性能变差原因低温时Ni与O反应不充分，性能未达最优；600℃时高温使GaN表面产生N空位，降低空穴浓度致性能变差。

CTLM模型测试分析500℃退火后，通过CTLM模型不同直径金属圆环电极的I-V曲线，计算得出Ni/Ag与p-GaN的最小比接触电阻率为6.2×10-4Ω·cm-2。高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（Ni/Ag）Ni厚度对反射率的影响

Ni层的作用与局限在Ag和p-GaN间插薄Ni可解决粘接强度低、欧姆接触电阻高、热稳定性差问题，但会降低Ni/Ag电极反射率。

Ni厚度对反射率影响纯Ag（200nm）反射率为96.9%，Ni/Ag反射率随Ni厚度增加急剧下降，Ni厚4nm时反射率降22.0%。

Ni厚度优化方案减小Ni厚度可提反射率，但会降低欧姆接触性能，后续实验和芯片制造将Ni厚度优化为0.5nm，456nm波长下反射率为85.5%。高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（Ag/TiW）

纯Ag电极方案提出常用电极特性对比Ni/Ag和ITO与p-GaN高温退火后能形成欧姆接触，是倒装LED常用高反射低阻电极，但Ni会降低反射率，ITO电流扩展性能差。纯Ag电极优化方案拟用纯Ag与p-GaN形成欧姆接触，采用离子束溅射制Ag薄膜提升粘附性，在Ag薄膜上溅射TiW合金层增强热稳定性。电极稳定性验证通过制备两组Ag/TiW样品，一组未处理一组高温退火，SEM图像显示该薄膜热稳定性好，可有效抑制Ag团簇现象高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（Ag/TiW）Ag/TiW电极性能验证

退火后接触特性变化Ag/TiW与p-GaN在300-500℃N2环境退火20分钟呈肖特基接触，600℃退火后形成欧姆接触，比接触电阻率为9.3×10-2Ω·cm-2。TiW层的防护作用对比纯Ag与Ag/TiW在600℃N2退火前后反射率，TiW可隔离空气避免Ag氧化，退火后Ag/TiW反射率降幅远低于纯Ag，未退火时反射率也更高。高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（Ag/TiW）多层金属堆栈结构优化

多层电极结构特性以TiW为扩散阻挡层抑制Ag团簇，制备三对TiW/Pt包裹Ag膜的多层堆栈电极，460nm波长下反射率达95.0%。

退火后形貌变化情况600℃退火前样品表面形貌相似，TiW120nm阻挡层样品退火后形貌无明显变化，300nm阻挡层样品退火后出现裂纹，插入Pt薄层则可避免裂纹产生。

压痕实验应力分析通过纳米压痕工艺计算200℃退火前后薄膜应力，Ag/TiW300nm样品退火后压痕深度增量大，内部拉应力更高，插入周期性Pt的多层结构可显著降低拉应力。

阻挡层厚度要求为有效防止Ag薄膜向介质层扩散，TiW扩散阻挡层厚度须大于300nm，但过厚会导致退火后出现明显裂纹。高反射率低阻P型欧姆接触电极：P型欧姆接触电极（Ag/TiW）

堆栈结构优势验证实验电极设置说明引入纯Ag（100nm）欧姆接触电极开展实验，用以凸显多层金属堆栈结构的性能优势。薄膜反射光谱对比图10.169（a）展示600℃退火前后，纯Ag、Ag/TiW及多层金属堆栈薄膜的反射光谱数据。纯Ag反射率变化460nm波长下，纯Ag退火前后反射率为90.6%、83.7%，高温退火致Ag团簇，反射率下降。Ag/TiW反射率表现460nm波长下，Ag/TiW退火前后反射率为91.9%、89.1%，TiW抑制Ag降解扩散，反射率比纯Ag高5.4%。多层堆栈反射优势460nm波长下，多层金属堆栈薄膜退火前后反射率均为95.0%，周期性Pt层缓解应力裂纹，反射率比Ag/TiW高5.9%。高反射率低阻P型欧姆接触电极：ITO/DBR与Ni/Ag对比研究电极反射率对比电极结构与样品观测以ITO/DBR和Ni/Ag作为倒装LED芯片的高反射率低阻P型欧姆接触电极，Ni/Ag、ITO/DBR芯片的横截面SEM图及DBR反射镜组成明确。反射率性能对比纯Ag在蓝光波段反射率高，插入Ni薄膜后反射率明显下降，456nm波长下ITO/DBR反射率比Ni/Ag高出5.6%。高反射率低阻P型欧姆接触电极：ITO/DBR与Ni/Ag对比研究

电流扩展性能分析电流扩展影响及参数注入电流在LED芯片均匀扩展可让发光均匀，避免有源区局部高温致可靠性问题，p型欧姆接触电极方块电阻是电流扩展性能的关键参数。电极方块电阻对比Ni/Ag倒装LED芯片中Ni（0.5nm）/Ag（200nm）方块电阻为0.08Ω/□，远小于ITO/DBR芯片中ITO（60nm）的38Ω/□，Ni/Ag电流扩展长度更大。电流扩展仿真差异mA注入电流下的仿真显示，Ni/Ag芯片因Ag电导率高、电流扩展能力好，电流密度均方根值更小，且两类芯片电流聚集位置不同。电流聚集规律说明电流聚集位置与n-GaN和p型欧姆接触电极方块电阻相关，双方块电阻大小关系不同，电流聚集在n电极、p电极两侧或同时聚集。不同电流下密度分布mA、200mA、400mA注入电流下，ITO/DBR芯片的电流密度最大值、均方根值均高于Ni/Ag芯片，最小值则更低。高反射率低阻P型欧姆接触电极：ITO/DBR与Ni/Ag对比研究光电性能差异对比

芯片I-V特性对比图10.172（a）显示两种倒装LED芯片I-V特性，90mA注入电流下，ITO/DBR正向电压3.19V，Ni/Ag为3.01V，因Ni/Ag电导率更高，正向电压更低。

光输出功率差异分析图10.172（b）显示光输出功率与注入电流关系，90mA时ITO/DBR光输出功率114.6mW，比Ni/Ag高6.3%，因ITO/DBR反射率高，光提取效率更高。

外量子效率对比90mA注入电流下，ITO/DBR外量子效率46.8%，Ni/Ag为44.0%；大电流密度下Ni/Ag外量子效率更高，因其电流扩展和热导率更优。

光输出饱和电流密度ITO/DBR倒装LED芯片光输出饱和电流密度为196.3A/cm2，Ni/Ag倒装LED芯片为292.8A/cm2。高反射率低阻P型欧姆接触电极：Ag/TiW和ITO/单DBR堆栈反射镜对比研究

Ag/TiW电极方案提出Ni/Ag电极局限分析Ni/Ag基p型欧姆接触电极的倒装LED芯片大电流光电性能优异，但Ni强吸收可见光，限制光提取效率提升。Ag/TiW电极制备优化采用离子束溅射提升Ag薄膜与p-GaN粘附强度，搭配溅射TiW薄膜抑制高温退火时Ag膜团簇，制成Ag/TiW电极。两类电极性能对比系统分析对比Ag/TiW和ITO/单DBR堆栈反射镜高反射率低阻p型欧姆接触电极对倒装LED芯片光、电、热性能的影响。高反射率低阻P型欧姆接触电极：Ag/TiW和ITO/单DBR堆栈反射镜对比研究

两款芯片结构对比芯片结构与顶部视图图10.174（a）、（e）为两种倒装LED芯片三维结构示意图，（b）、（f）为顶部SEM图，二者均含4个三维n型通孔电极和2个n型插指电极。ITO/DBR芯片电极优化因ITO电导率低于Ag，该芯片设三对p型插指电极在n型电极两侧，还在p电极下沉积SiO2电流阻挡层以优化电流性能。芯片电极截面SEM展示图10.174（c）、（d）为Ag/TiW芯片p、n电极截面SEM图，（g）、（h）为ITO/DBR芯片p、n电极截面SEM图。高反射率低阻P型欧姆接触电极：Ag/TiW和ITO/单DBR堆栈反射镜对比研究

反射与电流性能分析堆栈反射镜反射率对比600℃高温退火前后，ITO/DBR与Ag/TiW反射率曲线显示，Ag/TiW反射性能更优，退火后反射率变化小，TiW抑制Ag团簇，且无角度依赖性。LED芯片电流密度差异350mA注入电流下，因Ag电导率更高，Ag/TiW倒装LED芯片电流密度均方根值低于ITO/DBR芯片，多电流注入下相关电流密度指标均更低。ITO/DBR芯片电流扩展优化分析插指电极和CBL对ITO/DBR倒装LED芯片的影响，添加后电流密度均方根值从179.53A/cm2降至95.62A/cm2，电流扩展性能显著提升。高反射率低阻P型欧姆接触电极：Ag/TiW和ITO/单DBR堆栈反射镜对比研究

发光分布性能对比不同电流下发光分布图10.177展示150mA、250mA、350mA、500mA注入电流下，Ag/TiW与ITO/DBR倒装LED芯片的发光分布图。电流聚集效应差异150mA时两款芯片电流聚集均不明显，电流增大后，ITO/DBR发光集中在p电极附近，Ag/TiW集中在n电极附近。发光均匀性对比因Ag电流扩展性能优于ITO，Ag/TiW倒装LED芯片的发光强度分布比ITO/DBR倒装LED芯片更均匀。高反射率低阻P型欧姆接触电极：Ag/TiW与ITO/双DBR堆栈反射镜对比研究

反射性能对比分析反射率对比测试利用变角椭圆偏振光谱仪测量两款倒装LED芯片不同入射角度下的反射率，垂直入射时ITO/DBR芯片反射率高3.0%，入射角增加后其反射率明显下降，Ag/TiW芯片基本不变。反射率数据与结论460nm波长下，入射角从0°到80°时，ITO/DBR芯片反射率从97.9%降至65.8%，平均81.58%；Ag/TiW芯片平均反射率95.0%，比前者高15.6%，光提取效率更高。堆栈结构观测分析通过TEM截面图展示Ag/TiW金属堆栈和TiO2/SiO2双DBR堆栈反射镜结构，同时呈现二者各元素的组分含量情况。高反射率低阻P型欧姆接触电极：Ag/TiW与ITO/双DBR堆栈反射镜对比研究

芯片结构特性分析FIB工艺芯片结构分析利用FIB工艺分析LED芯片结构，对FCLED-I、FCLED-II、FCLED-III三种倒装芯片铣削后，展示其俯视图和SEM截面图。FCLED-I电极特性以ITO/DBR组合为p型欧姆接触电极，插指状电极分布均匀，因ITO电阻高设SiO2电流阻挡层缓解电流聚集。FCLED-II电极优化采用Ag/TiW作为p型欧姆接触电极，借助Ag良好导电性，大幅减弱p电极周围的电流聚集现象。FCLED-III电极升级采用双层电极金属与三维n型通孔电极，减小量子阱层损耗、改善电流扩展，倾斜侧壁提升光提取效率。高反射率低阻P型欧姆接触电极：Ag/TiW与ITO/双DBR堆栈反射镜对比研究

电流分布特性研究芯片电流密度分布仿真750mA注入电流下，三款FCLED因不同层片电阻差异，分别在p电极或n电极附近出现电流拥挤，FCLED-III电流密度均方根值比FCLED-II低36.6%，高电流下其电流分布最佳。发光强度分布实验测量三款FCLED在500、750、1000mA注入电流下的发光强度，FCLED-I发光强度最低且集中于p电极附近，FCLED-II、III发光集中在n电极附近，FCLED-III发光分布更均匀，高电流下优势更明显。高反射率低阻P型欧姆接触电极：Ag/TiW与ITO/双DBR堆栈反射镜对比研究

光电与可靠性测试LED电性能测试分析利用半导体参数分析仪测量室温下三种LED芯片的电流-电压特性，750mA时FCLED-I、II、III正向电压分别为3.15V、3.04V、3.00V，电极结构差异导致电压不同。LED光性能测试分析用积分球测量光输出功率-电流特性，750mA时FCLED-I、II、III光输出功率分别为878.6、914.2、965.2mW，外量子效率依次提升，远场发射强度也对应提升。LED老化性能测试在85℃、1000mA高温加速老化试验中，三种LED初期光功率因掺杂活化等呈增长趋势，1000小时后FCLED-III性能退化最低，可靠性更高。垂直结构LED芯片03器件制造工艺单击此处添加正文

垂直LED芯片结构特性两电极设在外延层上下侧，电流垂直传输，提升电流扩展均匀性，具备良好电流扩展与散热性能，适用于高光效大功率领域。

衬底类型及局限常用导电衬底如碳化硅被美国垄断，硅衬底成本低但GaN外延层位错密度大、硅吸光强且技术不成熟，绝缘衬底需剥离。

芯片制备核心方向受衬底约束，主要制备方法为衬底剥离技术，常用的有激光剥离工艺以及化学腐蚀剥离工艺。

1）外延片清洗用特定配比硫酸溶液超声振荡并冲洗去有机物，经丙酮、乙醇超声振荡、冲洗后，100℃烘烤除水。

2）电流阻挡层的沉积采用等离子体增强化学气相沉积在p-GaN上沉积80nm厚SiO₂电流阻挡层，再经光刻、刻蚀图案化。

制P型欧姆电