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为什么LED芯片正电极要插入二氧化硅电流阻挡层,而负极没有?发布时间:2018-12-01


很多初学LED芯片的人会问,为什么LED正电极要有二氧化硅阻挡层,而负极没有?


答案:LED芯片正极如果没有二氧化硅阻挡层,芯片会出现正负极电流分布不均,电流拥挤效应,电极烧毁的现象。因为蓝宝石的绝缘性,所以传统LED的n和p电极都做在芯片出光面的同一侧,电流需侧向传输。此结构的问题是由于掺Mg的p型GaN层电导率低于nGaN层,横向电阻较高,使得靠近n型电极的台面边缘电流密度大于p型电极附近区域,电流密度大的区域主要集中在电极下方及附近,而金属电极不透明,导致部分光被吸收,从而导致LED发光发热不均匀,且出现了电极周围电流拥挤效应。电流拥挤影响发光均匀性和远场发射的稳定性,并且由于局部区域过高的电流密度引起的电流拥挤会降低LED的光提取效率,也影响LED的可靠性。


因此在P电极正下方,透明导电层与P-GaN之间做一层绝缘层介质(如SiO2)充当电流阻挡层(Current Blocking Layer CBL)。如图所示,电流阻挡层一方面可以起到阻挡电流朝P电极下方扩散,减小流向P电极金属下面有源区的电流密度,通过电流阻挡层将电流引导至远离P电极的区域,减小P电极附近电流拥挤,可以提高出光功率。

水平结构芯片图
P-PAD下方,P-GaN和ITO之间制作电流阻挡层CBL示意图


案例分析:


某灯具厂家把芯片封装成灯珠后,做成灯具,在使用一个月后出现个别灯珠死灯现象,委托金鉴查找原因。本案例,金鉴发现该灯具芯片有漏电、烧电极和掉电极的现象,通过自主研发的显微热分布测试仪发现芯片正负电极温差过大,再经过FIB对芯片正负电极切割发现正极下缺乏二氧化硅阻挡层和正极Al层过厚。死灯芯片正极金道下没有二氧化硅阻挡层,并且正极Al层厚度为负极的两倍多,从而造成了正负极电流不均,电极周围电流拥挤效应解释了芯片负极暗亮发热量大,正极发热量小的现象。如下为案例数据分析:


对漏电灯珠通电光学显微镜观察:

金鉴随机取1pc漏电灯珠进行化学开封,使用3V/50uA直流电通电测试,发现灯珠存在电流分布不均现象,负极周围亮度较低。


失效灯珠点亮光学显微镜图


对漏电灯珠显微红外观察:

使用金鉴自主研发的显微热分布测试仪对同样漏电芯片表面温度进行测量,发现芯片正负电极温度差距很大,数据显示如图负极电极温度为129.2℃,正极电极温度为82.0℃。


LED显微红外热像

失效芯片点亮显微红外图

死灯芯片负极金道FIB切割:

金鉴工程师对死灯灯珠芯片靠近负极电极烧毁位置下方的金道做FIB切割,结果显示芯片采用Cr-Al-Cr-Pt-Au反射结构,铝(Al)层与第1层铬(Cr)层结合良好。芯片负极的铝层厚度约为100nm。


LED烧电极

失效芯片负极金道FIB切片截面观察图

死灯芯片正极金道FIB切割:

金鉴工程师对死灯灯珠芯片正极金道做FIB切割,结果显示芯片采用Cr-Al-Cr-Pt-Au反射结构,金鉴发现:

1.Cr-Al-Cr-Pt层呈现波浪形貌,尤其ITO层呈现波浪形貌,ITO层熔点较低,正极在高温下,芯片正极ITO-Cr-Al-Cr-Pt层很容易融化脱落,这也是金鉴观察到前面部分芯片正极脱落的原因。

2.芯片正极的铝层厚度约为251nm,明显比负极100nm要厚,而负极和正极Cr-Al-Cr-Pt-Au是同时的蒸镀溅射工艺,厚度应该一致。

3.在芯片正极金道ITO层下,我们没有发现二氧化硅阻挡层。


LED烧电极掉电极

失效芯片正极金道FIB切片截面观察图



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