新闻网讯（通讯员东季）动力与机械学院周圣军副教授等在大功率倒装结构发光二极管（Light-Emitting Diodes，LEDs）研究领域取得新进展，研究成果近日发表在光学领域著名期刊Optics Express（《光学快报》）。

论文题目为“Highly efficient GaN-based high-power flip-chip light-emitting diodes”《高效率GaN基大功率倒装发光二极管芯片》。论文第一作者是周圣军，通讯作者为刘胜教授。

大功率倒装结构LED芯片在汽车大灯、特种照明等LED高端照明市场具有广阔的应用前景。德国欧司朗、日本日亚和美国Lumileds公司掌握了大功率倒装结构LED芯片的核心技术，绝大部分LED高端照明市场被这三个公司占领。高反射率、低阻p型欧姆接触电极是倒装LED芯片制造的关键核心技术。金属Ag具有反射率高、导电性好等优点，因此被选用于制作高反射率p型电极。但是采用电子束蒸镀工艺制备的Ag薄膜与p-GaN的黏附强度低、热稳定性差。

瞄准倒装LED芯片制造的关键核心技术“卡脖子”问题，周圣军开展了一系列工作，在高反射率、低阻p型欧姆接触电极的制备上取得突破。首先，采用离子束溅射工艺制备Ag电极，增强Ag电极与p-GaN之间的黏附力。为了解决Ag电极在高温退火过程中的扩散和团簇问题，在Ag薄膜上沉积TiW阻挡层，发现当TiW阻挡层的厚度超过300纳米时，可以有效抑制Ag扩散到SiO₂钝化层引起的短路问题以及高温退火工艺中Ag薄膜发生团簇引起的反射率下降问题。但是由于TiW和Ag的热膨胀系数不匹配，Ag/TiW在经过高温退火后，TiW阻挡层中的残余应力会导致裂纹产生。研究人员通过在TiW阻挡层中插入应力释放层（Pt），形成金属堆栈电极（Ag/TiW/Pt/TiW/Pt/TiW/Pt）调节Ag/TiW中的残余应力，有效地避免了表面裂纹的形成。

金属堆栈电极在经过600℃退火处理后，在可见光波段的反射率仍然能够保持在95%以上。采用这一金属堆栈电极设计的大功率倒装结构LED芯片在经过1000小时的老化实验后，光输出功率衰减不超过3%。为了揭示高温退火之后Ag与p-GaN形成低阻欧姆接触的机理，研究人员通过X射线光电子能谱分析（XPS）发现Ag/p-GaN样品在经过高温退火之后，Ag原子和Ga原子通过扩散在界面附近区域形成Ag-Ga固溶体。第一性原理计算证实这种扩散现象可以降低Ag与p-GaN接触界面的肖特基势垒高度，有利于Ag与p-GaN形成低阻欧姆接触。

此外，大电流注入下的LED芯片存在严重的电流聚集现象，传统的插指型电极结构无法使注入电流在LED芯片有源区中均匀分布。研究人员提出具有通孔接触式n型电极与高反射率p型接触电极结构的三维倒装结构LED芯片，提升了电流扩展均匀性，使蓝光LED芯片的饱和光输出电流提高到原来的两倍，打破了日本日亚、德国欧司朗、美国Lumileds公司对车用LED芯片的技术垄断。

该项研究课题得到国家自然科学基金重点项目的资助（U1501241），研究成果已在汽车照明和特种照明领域得到应用。

（编辑：陈丽霞）