專利名稱：高壓發(fā)光二極管芯片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓倒裝結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片。更具體而言，本發(fā)明涉及一種具有絕緣緩沖層的高壓LED芯片結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能、環(huán)保、色彩豐富的優(yōu)點(diǎn)，因此，隨著外延、芯片、封裝等技術(shù)的發(fā)展，發(fā)光效率的進(jìn)一步提高，LED已經(jīng)被逐步用于照明、顯示、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的氮化鎵基發(fā)光二極管工作在直流電壓下，電壓范圍在2.9-3.5V，工作電流通常為20mA。為了讓發(fā)光二極管達(dá)到普通照明所需的亮度，一般要將LED芯片的工作電流提高到IOOmA以上，目前常用的有100mA，350mA和700mA。當(dāng)把LED用于普通照明時(shí)，需要220V-380V左右的交流市電驅(qū)動(dòng)，如果采用大電流的高功率LED芯片，驅(qū)動(dòng)裝置中需要一個(gè)較大的變壓器，同時(shí)需要通過濾波整流電路將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，從而導(dǎo)致整個(gè)LED燈具體積較大，壽命也由于電解電容(壽命僅為2000-5000小時(shí))的引入而大大降低。此外，大電流驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的線損也比較高，從而導(dǎo)致浪費(fèi)的能耗增加，燈具散熱的負(fù)擔(dān)也增加。在美國(guó)專利US6787999中，將許多獨(dú)立封裝好的單個(gè)發(fā)光二極管采用串聯(lián)的方式安裝在PCB基板上來形成高壓發(fā)光二極管陣列，用于高壓場(chǎng)合。這種方案可以省去體積較大的變壓器，也可以降低工作電流。但是該方案使得發(fā)光模組的體積大大增加，而且由于每個(gè)管芯再通過引線互連，散熱性能和可靠性下降。在中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)CN102867837A中公開了一種在藍(lán)寶石襯底上通過深槽隔離的LED陣列，實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)的LED集成，減小了發(fā)光模組的封裝體積，采用芯片級(jí)金屬層互連取代了引線互連，提高了 LED陣列的可靠性。但是，在該現(xiàn)有技術(shù)方案中，如圖1，由于要將外延層從P型層13刻蝕到藍(lán)寶石襯底10，需要刻蝕深度為4-7um的隔離深槽101，使得每個(gè)LED單元100之間的互連線20由于爬過如此深的隔離深槽101而可靠性變差，從而導(dǎo)致高壓LED芯片的成品率很低，在高壓下工作壽命也大大降低，而深刻蝕工藝過程和為實(shí)現(xiàn)安全互連的加厚電極工藝增加了高壓LED的制造成本，這些問題大大影響了高壓LED的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化進(jìn)程，導(dǎo)致高壓LED目前的市場(chǎng)使用率仍然很低；此外，深槽刻蝕需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，當(dāng)采用ICP刻蝕時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的等離子轟擊會(huì)對(duì)LED有源區(qū)造成損傷，降低LED的發(fā)光亮度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種具有絕緣緩沖層的高壓LED芯片及其制造方法，其可減少長(zhǎng)時(shí)間的等離子轟擊對(duì)LED有源區(qū)造成損傷，提高LED的發(fā)光亮度。本發(fā)明提供一種高壓發(fā)光二極管芯片的制作方法，包括:在襯底形成絕緣緩沖層；在絕緣緩沖層上形成η型半導(dǎo)體層、有源層和P型半導(dǎo)體層；圖形化后蝕刻所述η型半導(dǎo)體層、有源層和P型半導(dǎo)體層形成溝槽，直至溝槽底部暴露出絕緣緩沖層，從而形成多個(gè)通過溝槽隔離的發(fā)光單元；形成金屬互連線，將相鄰發(fā)光單元串聯(lián)起來；其特征在于:所述溝槽的深度為2.5um_4um。本發(fā)明還提供一種高壓發(fā)光二極管芯片，包括:襯底和在所述襯底上的外延緩沖層；在外延緩沖層上具有多個(gè)發(fā)光單元，發(fā)光單元之間通過外延緩沖層上方的隔離溝槽分離；每個(gè)發(fā)光單元包含η型半導(dǎo)體層、有源層和P型半導(dǎo)體層；金屬互連線，將相鄰發(fā)光單元串聯(lián)起來；其特征在于:所述外延緩沖層為絕緣緩沖層，并且所述η型半導(dǎo)體層、有源層和P型半導(dǎo)體層的總厚度為2.5um_4um。本發(fā)明的有益效果是:該高壓LED芯片采用絕緣緩沖層，襯底上方的LED外延層厚度約2.5-4um,深槽只需刻蝕到絕緣緩沖層，而無需刻蝕到襯底，從而大大降低深槽的刻蝕深度，芯片單元之間經(jīng)過深槽的互連線層可以做得比較薄，在降低制造成本的前提下互連線的可靠性也大大提高，同時(shí)可降低長(zhǎng)時(shí)間干法蝕刻對(duì)LED的損傷。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中:圖1為現(xiàn)有技術(shù)中聞壓LED芯片結(jié)構(gòu)不意圖；圖2-圖5為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的制備高壓LED芯片的工藝過程示意具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖2至圖5和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。氮化鎵(GaN)基LED外延層包括襯底20、在襯底表面上形成的緩沖層21和在緩沖層21上形成的η型半導(dǎo)體層22、有源層23、ρ型半導(dǎo)體層24。襯底20為藍(lán)寶石襯底、SiC襯底、Si襯底、GaN襯底或AlN襯底。緩沖層21為絕緣緩沖層，可以是Α1Ν、ΒΝ，或者是AlN/GaN的超晶格結(jié)構(gòu)，或者是對(duì)非故意摻雜的GaN進(jìn)行ρ型輕摻雜，補(bǔ)償形成的絕緣GaN緩沖層。其中，AlN緩沖層包括藍(lán)寶石襯底表面的AlN成核層和AlN模板層。在MOCVD設(shè)備中，通入三甲基鋁(TMAl)、反應(yīng)氣體NH3和載氣H2。首先升高溫度到1000°C，通入H2，對(duì)藍(lán)寶石襯底高溫預(yù)處理幾分鐘；然后降低溫度到500-800°C之間，優(yōu)選溫度大約550-600°C，外延生長(zhǎng)低溫AlN成核層，生長(zhǎng)厚度約為20-100nm之間；然后升高溫度到1100-1600°C之間，優(yōu)選溫度在1200-1300°C之間，生長(zhǎng)AlN模板層。所有AlN層生長(zhǎng)過程中保持MOCVD反應(yīng)室低壓狀態(tài)，壓力30torr-150torr之間，優(yōu)選在50-100torr。AlN緩沖層的厚度為200nm_10um,優(yōu)選 500nm_2um。由于非故意摻雜的GaN—般為η型半導(dǎo)體，在其中摻入少量Mg對(duì)其中的電子進(jìn)行補(bǔ)償可形成絕緣GaN層，利用該絕緣GaN層作為緩沖層可以防止電流從緩沖層中通過。輕摻雜的量根據(jù)η型半導(dǎo)體中載流子濃度來確定。絕緣GaN的厚度為2um_5um。生長(zhǎng)過程參照現(xiàn)有技術(shù)中低溫GaN緩沖層的形成方法。
ρ型半導(dǎo)體層24可以是Mg摻雜的GaN，而η型半導(dǎo)體22為Si摻雜的GaN材料，有源區(qū)23包括GaN/InGaN或AlGaN/InGaN組成的多量子阱結(jié)構(gòu)。ρ型半導(dǎo)體層24、η型半導(dǎo)體層22以及有源層23的總厚度為2.5um-4um。如圖3，對(duì)GaN基LED外延層結(jié)構(gòu)采用光刻膠進(jìn)行圖形化，然后通過干法或濕法蝕刻至絕緣緩沖層21表面形成溝槽241，用該溝槽241隔離LED發(fā)光單元242。蝕刻過程采用ICP刻蝕，或者利用硫酸和磷酸在一定溫度下腐蝕。在蝕刻形成溝槽241之后或之前，采用干法蝕刻形成臺(tái)面243，露出η型半導(dǎo)體層22，如圖4所示。如圖5，在溝槽241中以及相鄰LED發(fā)光單元242的側(cè)壁上形成絕緣介質(zhì)層26，絕緣介質(zhì)層26可以是氧化硅、氮化硅或氮化鋁等，可以通過PECVD、濺射或者旋涂等方式形成。絕緣介質(zhì)層26的厚度在2000Α-5000Α,其作為L(zhǎng)ED發(fā)光單元242側(cè)壁的鈍化層，防止漏電。在ρ型半導(dǎo)體層24上形成透明電極層(未示出)作為電流擴(kuò)展層，該透明電極層可以是IT0、Ni/Au合金或ZnO等，透明電極層可以通過濺射或者EB的方式形成。透明電極層可以在蝕刻溝槽241和臺(tái)面之前或之后形成。然后，在ρ型半導(dǎo)體層24的透明電極層之上形成P電極焊點(diǎn)28，在η型半導(dǎo)體層22上形成η電極焊點(diǎn)29。最后，在相鄰的LED發(fā)光單元242的ρ電極焊點(diǎn)28和η電極焊點(diǎn)29之間形成金屬互連線27，使得芯片內(nèi)的LED發(fā)光單元242串聯(lián)起來。金屬互連線27與ρ和η電極焊點(diǎn)28,29同時(shí)形成并圖形化。由于溝槽241的深度僅有2.5um-4um，因此，金屬互連線27的厚度可以比較薄，例如總厚度可以在3000A-6000A。眾所周知，半導(dǎo)體金屬電極多采用Pt、Au等貴金屬，金屬厚度降低可大幅度降低芯片的制作成本。其次，現(xiàn)有技術(shù)中的溝槽深度一般至少在5um-8um，為了減小有源區(qū)的損失，芯片內(nèi)發(fā)光單元之間的溝槽寬度在10um-20um之間，在此深寬比條件下，金屬互連線在LED發(fā)光單元側(cè)壁上的可靠性很難保證。而本發(fā)明中特殊LED外延結(jié)構(gòu)使得溝槽深度僅為
2.5um-4um,很容易形成可靠的電極互連。此外，當(dāng)刻蝕深度減少一半時(shí)，刻蝕時(shí)間也相應(yīng)減少一半，從而使得干法刻蝕帶來的損傷對(duì)LED亮度的影響也大大降低。實(shí)施例1利用MOCVD設(shè)備在藍(lán)寶石襯底c面上形成AlN緩沖層，AlN緩沖層的厚度為1.2um ；在AlN緩沖層上順序形成3um左右的η型GaN層、100_200nm厚的GaN/InGaN多量子阱層和100-300nm 厚的 ρ 型 GaN 層。外延片清洗后，在ρ型GaN層上電子束蒸發(fā)形成ITO透明電極層，圖形化后ICP刻蝕臺(tái)面至暴露出η型GaN層；PECVD氧化硅作為刻蝕溝槽的掩蔽層，也可以采用光刻膠進(jìn)行掩蔽在LED發(fā)光單元之間形成深度約為3.5um的隔離溝槽；去除掩蔽層后光刻形成P、η電極焊點(diǎn)區(qū)域和金屬互連線區(qū)域，利用電子束蒸發(fā)CrPtAu形成ρ、η電極焊點(diǎn)和金屬互連線，CrPtAu的總厚度約為1000 Λ:最后，減薄藍(lán)寶石襯底并激光切割，裂片后形成高壓LED芯片。高壓LED芯片由16個(gè)LED發(fā)光單元串聯(lián)而成，工作電壓在50V左右。以上說明對(duì)本發(fā)明而言只是說明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在不脫離以下所附權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可做出許多修改、變化或等效，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高壓發(fā)光二極管芯片的制作方法，包括: 在襯底形成絕緣緩沖層； 在絕緣緩沖層上形成η型半導(dǎo)體層、有源層和P型半導(dǎo)體層； 圖形化后蝕刻所述η型半導(dǎo)體層、有源層和P型半導(dǎo)體層形成溝槽，直至溝槽底部暴露出絕緣緩沖層，從而形成多個(gè)通過溝槽隔離的發(fā)光單元； 形成金屬互連線，將相鄰發(fā)光單元串聯(lián)起來；其特征在于: 所述溝槽的深度為2.5um-4um。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓發(fā)光二極管芯片的制作方法，其中所述絕緣緩沖層為AlN或AlN/GaN超晶格。
3.如權(quán)利要求1所述的高壓發(fā)光二極管芯片的制作方法，其中所述絕緣緩沖層為對(duì)非故意摻雜的GaN進(jìn)行P型輕摻雜所形成的絕緣GaN緩沖層。
4.如權(quán)利要求1所述的高壓發(fā)光二極管芯片的制作方法，其中金屬互連線的厚度為3000A -6000Λ。
5.如權(quán)利要求1所述的高壓發(fā)光二極管芯片的制作方法，其中所述溝槽的深度為2.5um-3um。
6.如權(quán)利要求5所述的高壓發(fā)光二極管芯片的制作方法，其中所述溝槽通過干法蝕刻形成。
7.如權(quán)利要求1所述的高壓發(fā)光二極管芯片的制作方法，其中襯底為藍(lán)寶石襯底、SiC或Si襯底。
8.如權(quán)利要求1所述的高壓發(fā)光二極管芯片的制作方法，其中每個(gè)發(fā)光單元的驅(qū)動(dòng)電流為 20-40mA。
9.一種高壓發(fā)光二極管芯片,包括: 襯底和在所述襯底上的外延緩沖層； 在外延緩沖層上具有多個(gè)發(fā)光單元，發(fā)光單元之間通過外延緩沖層上方的隔離溝槽分離；每個(gè)發(fā)光單元包含η型半導(dǎo)體層、有源層和P型半導(dǎo)體層； 金屬互連線，將相鄰發(fā)光單元串聯(lián)起來；其特征在于: 所述外延緩沖層為絕緣緩沖層，并且所述η型半導(dǎo)體層、有源層和P型半導(dǎo)體層的總厚度為 2.5um_4um。
全文摘要
一種高壓發(fā)光二極管芯片的制作方法，包括在襯底形成絕緣緩沖層；在絕緣緩沖層上形成n型半導(dǎo)體層、有源層和p型半導(dǎo)體層；圖形化后蝕刻所述n型半導(dǎo)體層、有源層和p型半導(dǎo)體層形成溝槽，直至溝槽底部暴露出絕緣緩沖層，從而形成多個(gè)通過溝槽隔離的發(fā)光單元；形成金屬互連線，將相鄰發(fā)光單元串聯(lián)起來；其特征在于所述溝槽的深度為2.5um-4um。本發(fā)明可減少長(zhǎng)時(shí)間的等離子轟擊對(duì)LED有源區(qū)造成損傷，提高LED的發(fā)光亮度。
文檔編號(hào)H01L33/00GK103187494SQ20131009123
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者郭金霞, 閆建昌, 伊?xí)匝? 田婷, 詹騰, 趙勇兵, 宋昌斌, 王軍喜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所