一種多發(fā)光子區(qū)GaN基LED集成芯片的制作方法
【專利摘要】一種多發(fā)光子區(qū)GaN基LED集成芯片，屬于LED芯片結(jié)構(gòu)的【技術(shù)領(lǐng)域】，包括襯底、n-GaN層、量子阱有源區(qū)、p-GaN層、電流擴展層、P電極和至少兩個發(fā)光子區(qū)，相鄰的發(fā)光子區(qū)之間設(shè)有相互隔離的溝槽，溝槽的底部位于襯底表面。本發(fā)明極大程度地減小互連線橫跨溝槽時斷路的概率，可以提高芯片內(nèi)全反射光出射的概率，減少內(nèi)反射損耗，從而提高光抽取效率。
【專利說明】—種多發(fā)光子區(qū)GaN基LED集成芯片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于LED芯片結(jié)構(gòu)的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及單片集成型LED芯片生產(chǎn)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，以GaN基LED為代表的新一代固態(tài)照明光源由于其節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、抗機械振動能力強、光譜純度佳等優(yōu)點已逐漸應(yīng)用于交通信號燈、液晶顯示器背光、路燈、汽車車燈、室內(nèi)照明等。
[0003]近年來，由于傳統(tǒng)低電壓、大電流驅(qū)動的直流LED芯片存在著驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、發(fā)熱量大、效率低、可靠性不高等不足之處，因此，根據(jù)發(fā)光子區(qū)電路連接方式的不同的分類方法，采用高電壓、小電流驅(qū)動的高壓LED (High Voltage LED，簡稱為HV-LED)芯片和交流LED (Alternating Current LED,,簡稱為AC-LED)芯片逐漸成為半導(dǎo)體照明領(lǐng)域研發(fā)的重要內(nèi)容。它們具有下列優(yōu)點:(1)由于焦耳熱與電流的2次方成正比，所以使用高電壓、小電流驅(qū)動的LED芯片可以顯著減小驅(qū)動電路及導(dǎo)線的功率損耗；(2)可以簡化驅(qū)動電路，去除變壓器、整流橋等元器件；(3)因驅(qū)動電路的發(fā)熱損耗減小、元器件數(shù)量減少，所以可靠性也相應(yīng)提高；(4)由于使用高電壓、小電流驅(qū)動，可以避免大電流注入引起LED芯片的Droop效應(yīng)；(5)與傳統(tǒng)封裝級LED模組相比，采用HV-LED芯片或AC-LED芯片可以大大簡化封裝階段電極引線鍵合工序，同時還可以減小燈具體積，降低封裝成本。
[0004]HV-LED或AC-LED芯片與傳統(tǒng)LED芯片結(jié)構(gòu)區(qū)別在于:HV-LED和AC-LED屬于多發(fā)光子區(qū)的單片集成型LED芯片，而傳統(tǒng)LED芯片為單一的發(fā)光區(qū)域。因此，多發(fā)光子區(qū)的LED芯片比傳統(tǒng)LED芯片多了隔離溝槽以及橫跨溝槽的互連線，這也正是多發(fā)光子區(qū)的LED芯片關(guān)鍵技術(shù)所在?？缭礁綦x溝槽的互連線容易斷路或在溝槽側(cè)壁使發(fā)光子區(qū)的PN結(jié)短路的問題是影響這類LED芯片產(chǎn)品良率的主要因素。
[0005]針對上述問題，已提出了一些解決方法。例如，臺灣晶元光電股份有限公司的一項題為《制造發(fā)光元件陣列的方法》的中國發(fā)明專利(申請?zhí)?200810169439.1)公開了一種解決方法，所采用的方法是利用絕緣材料封閉溝槽頂部，溝槽底部仍然是空洞，互連線位于較為平坦的絕緣材料上表面，不會接觸到發(fā)光子區(qū)側(cè)壁。韓國首爾半導(dǎo)體有限公司的一項題為《Light Emitting Device Having Light Emitting Elements》的美國專利(US20090237935)公開了另一種解決方法，通過兩次光刻結(jié)合金屬蒸發(fā)與離子鍍制備出跨越溝槽的懸空金屬連接橋(Air Bridge)，其原理類似于“拱橋”，利用了金屬互連線自身的強度。晶科電子(廣州)有限公司的一項題為《一種由倒裝發(fā)光單元陣列組成的發(fā)光器件及其制造方法》的中國發(fā)明專利(申請?zhí)?201010274676.1)公開了一種解決方法，將金屬互連線制備在平坦的襯底上，再將多發(fā)光子區(qū)的LED芯片倒裝焊在襯底上，從而避開在溝槽上布線的問題。盡管上述三種方法均能解決互連線容易斷路或使發(fā)光子區(qū)側(cè)壁的PN結(jié)短路的問題，但都存在工藝復(fù)雜的缺點。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)狀況，本發(fā)明提出了一種簡單可靠、低成本的溝槽側(cè)壁大角度傾斜的多發(fā)光子區(qū)GaN基LED集成芯片。
[0007]本發(fā)明包括襯底、η-GaN層、量子阱有源區(qū)、p-GaN層、電流擴展層和P電極，所述芯片包括至少兩個發(fā)光子區(qū)，相鄰的發(fā)光子區(qū)之間設(shè)有相互隔離的溝槽，所述溝槽的底部位于襯底表面。
[0008]本發(fā)明將原來一整個發(fā)光區(qū)通過相互隔離的溝槽分隔成若干個發(fā)光子區(qū)，各發(fā)光子區(qū)的大小、形狀以及電極的大小、形狀可以相同也可以不同。各發(fā)光子區(qū)位于同一襯底上，屬于單片集成型LED芯片。發(fā)光子區(qū)之間通過金屬互連線連接起來，電路連接方式可以是串聯(lián)、并聯(lián)、串并混聯(lián)等多種方式，每條支路上串聯(lián)發(fā)光子區(qū)的數(shù)目最多為110個，可直接工作在220V電壓下，單顆芯片最多可有8條支路。
[0009]本發(fā)明的突出優(yōu)點是:
1、可以極大程度地減小互連線橫跨溝槽時斷路的概率；
2、傾斜側(cè)壁比垂直側(cè)壁更有利于制備出高可靠性的絕緣保護層，因此，發(fā)光子區(qū)的PN結(jié)被側(cè)壁的互連線短接的概率也顯著減小了；
3、GaN基LED芯片形成傾斜側(cè)壁可以提高芯片內(nèi)全反射光出射的概率，減少內(nèi)反射損耗，從而提聞光抽取效率；
4、對于從襯底出光的倒裝LED芯片，通過在大角度傾斜的側(cè)壁上制備金屬反射鏡，可以進一步增強側(cè)壁反射，把射向側(cè)壁的光反射出芯片底面，可以顯著提高光抽取效率。
[0010]另外，本發(fā)明所述溝槽的側(cè)壁為傾斜面，各傾斜面與襯底上表面的夾角為30?80。。
[0011]本發(fā)明采用30?80°的大傾角傾斜面，利于在發(fā)光子區(qū)和溝槽之間布金屬互連線，可避免金屬互連線發(fā)生小圓角折彎，可防止金屬互連線折斷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2為一種由9個發(fā)光子區(qū)串聯(lián)而成的HV-LED芯片平面圖。
[0014]圖3為一種由9個發(fā)光子區(qū)串聯(lián)而成的HV-LED電路原理圖。
[0015]圖4為一種由12個發(fā)光子區(qū)構(gòu)成的整流橋式AC-LED芯片電路原理圖。
[0016]圖5為一種由8個發(fā)光子區(qū)構(gòu)成的串并混聯(lián)式AC-LED芯片電路原理圖。
【具體實施方式】
[0017]一、實施例 1:
對于從P-GaN層出光的正裝LED芯片，實施步驟如下:
步驟1，取一 LED外延片，具體結(jié)構(gòu)包含襯底101以及外延生長的η-GaN層102、量子阱有源區(qū)104、p-GaN層105，通過光刻及干法刻蝕，形成側(cè)壁大角度傾斜的隔離溝槽，溝槽深度達到絕緣襯底，溝槽側(cè)壁與襯底所在平面的夾角α為30?80°。具體方法可參照申請?zhí)枮?01210492636.3的中國專利申請所公開的內(nèi)容。
[0018]步驟2，采用光刻及干法刻蝕方法，在各發(fā)光子區(qū)一并刻蝕出η-GaN臺階。[0019]步驟3，整片蒸鍍一層ΙΤ0作為電流擴展層106，再通過光刻、濕法腐蝕ΙΤ0獲得相應(yīng)圖形。
[0020]步驟4，整片淀積一層Si02作為絕緣保護層108，再通過光刻、濕法腐蝕部分Si02露出各發(fā)光子區(qū)的P電極和N電極窗口。
[0021]絕緣保護層108 可以采用 Si02、Si3N4、SiOxNy、旋涂玻璃(Spin On Glass, SOG)、聚酰亞胺(Polyimide, PI)、苯并環(huán)丁烯(Benzocyclobutene, BCB)中的一種或任意組合。
[0022]步驟5，通過光刻、金屬蒸發(fā)及Lift-off工藝制備發(fā)光子區(qū)的P電極107和N電極103。
[0023]步驟6,通過光刻、金屬蒸發(fā)及Lift-off工藝，制備跨越隔離溝槽的金屬互連線109?；ミB線布線方式可參閱圖1剖面結(jié)構(gòu)示意圖及圖2芯片平面圖。金屬互連線109材料可以是Al、Ag、Au、Pt、Cu、Cr、N1、T1、Sn、In中的一種或任意組合。
[0024]步驟7，合金化，優(yōu)化金屬電極與GaN基半導(dǎo)體材料之間以及互連線與金屬電極之間的歐姆接觸特性。
[0025]制成的產(chǎn)品如圖1所示，包含襯底101，以及在依次外延生長的η-GaN層102、量子阱有源區(qū)104、p-GaN層105和電流擴展層106的LED外延片，在隔離溝槽D、E的分隔下，形成獨立的發(fā)光子區(qū)A、B、C，在隔離溝槽D、E和發(fā)光子區(qū)A、B、C上分別設(shè)置絕緣保護層108，在發(fā)光子區(qū)A的N電極103和發(fā)光子區(qū)B的P電極107之間、在發(fā)光子區(qū)B的N電極103和發(fā)光子區(qū)C的P電極107之間分別設(shè)置有金屬互連線109。
[0026]圖1中各隔離溝槽D、E的側(cè)壁的傾斜面與襯底101上表面的夾角α為50°。
[0027]實施例2:
對于從襯底出光的倒裝LED芯片，實施步驟如下:
步驟1，取一 LED外延片，具體結(jié)構(gòu)包含襯底101以及外延生長的η-GaN層102、量子阱有源區(qū)104、p-GaN層105，通過光刻及干法刻蝕，形成側(cè)壁大角度傾斜的隔離溝槽，溝槽深度達到絕緣襯底。具體方法與實施例1相同。
[0028]步驟2，采用光刻及干法刻蝕方法，在各發(fā)光子區(qū)一并刻蝕出η-GaN臺階。
[0029]步驟3,采用光刻、金屬蒸發(fā)及Lift-off工藝，在p-GaN層表面制備反射型電流擴展層106，該電流擴展層同時又是反射鏡。
[0030]步驟4，整片淀積一層Si02作為絕緣保護層108，再通過光刻、濕法腐蝕部分Si02露出各發(fā)光子區(qū)的P電極和N電極窗口。
[0031]步驟5，通過光刻、金屬蒸發(fā)及Lift-off工藝制備發(fā)光子區(qū)的P電極107和N電極103。
[0032]步驟6,通過光刻、金屬蒸發(fā)及Lift-off工藝，制備跨越隔離溝槽的金屬互連線109。
[0033]步驟7，合金化，優(yōu)化金屬電極與GaN基半導(dǎo)體材料之間以及互連線與金屬電極之間的歐姆接觸特性。
[0034]實施例2為從襯底出光的倒裝LED芯片，可在側(cè)壁制備大面積金屬反射鏡取代金屬互連線，即大面積金屬反射鏡既反射光又起到互連線的作用。或者也可采用金屬反射鏡與金屬互連線共存的情形。
[0035]如圖2所示，通過金屬互連線109，通過金屬互連線109，將9個發(fā)光子區(qū)串聯(lián)構(gòu)成HV-LED芯片，電路原理圖見圖3。
[0036]如圖4所示，通過金屬互連線109，將12個發(fā)光子區(qū)構(gòu)成整流橋式AC-LED芯片。
[0037]如圖5所示，通過金屬互連線109，通過金屬互連線109，將8個發(fā)光子區(qū)構(gòu)成串并混聯(lián)式AC-LED芯片。
【權(quán)利要求】
1.一種多發(fā)光子區(qū)GaN基LED集成芯片，包括襯底、n-GaN層、量子阱有源區(qū)、p-GaN層、電流擴展層和P電極，其特征在于:所述芯片包括至少兩個發(fā)光子區(qū)，相鄰的發(fā)光子區(qū)之間設(shè)有相互隔離的溝槽，所述溝槽的底部位于襯底表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述芯片，其特征在于所述溝槽的側(cè)壁為傾斜面，各傾斜面與襯底上表面的夾角為30?80°。
【文檔編號】H01L33/48GK103730479SQ201310617852
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】徐洲, 陳鵬, 譚崇斌, 徐兆青, 張琳, 吳真龍, 徐峰, 高峰, 邵勇, 王欒井, 宋雪云 申請人:南京大學(xué)揚州光電研究院