CN102244087A

CN102244087A - 可控功率倒装阵列led芯片及其制造方法

Info

Publication number: CN102244087A
Application number: CN2011102147401A
Authority: CN
Inventors: 邓朝勇; 杨利忠; 李绪诚; 张荣芬; 许铖
Original assignee: Guizhou University
Current assignee: Guizhou University
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2011-11-16

Abstract

本发明公开了一种可控功率倒装阵列LED芯片及其制造方法。可控功率倒装阵列LED芯片为：阵列LED芯片由多个阵列单元构成阵列，其中所有的阵列单元每一行的p电极层（10）连接，每一列的n电极层（5）连接；所述阵列单元是蓝宝石衬底（2）上方依次覆盖n型缓冲层（3）、n型半导体层（6）、有源层（7）、p型半导体层（8）、透明电极层（9）、p电极层（10）；所有的n电极层（5）和p电极层（10）由绝缘层（4）包覆；其中每一行的p电极层（10）通过p电极层（10）窗口上方的p电极连接金属层（11）连接；在p电极连接金属层（11）表面还有钝化层（12）。

Description

可控功率倒装阵列LED芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种倒装阵列LED芯片及其制造方法，尤其涉及一种包括多量子阱有源区的GaN基可控倒装阵列蓝光LED芯片结构及其制造方法。

背景技术

白光LED具有亮度高、节能环保等优点，已经成为最有潜力的照明光源之一。白光LED的能耗仅为白炽灯的1/8，荧光灯的1/2，其寿命可长达10万小时。这对普通家庭明来说可谓“一劳永逸”，同时还可实现无汞化，回收容易等优点，对环境保护和节约能源具有重要意义。

目前制备大功率白光LED的方法主要是在蓝色或近紫外LED芯片上涂覆黄色荧光粉，通过混色得到白光。这种通过蓝光LED的得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用广泛。大多数5W以上的大功率白光LED是由大功率的蓝光LED芯片制成的。所以制造大功率蓝光LED芯片是制作大功率白光LED的基础。

目前，调节发光亮度的LED主要是通过以下几种方式：第一、单个LED芯片主要是控通过LED芯片的电流来调节发光亮度；第二、多个LED芯片的组合通过控制多个LED芯片的开关来调节发光亮度。但是由于每个LED芯片可能不是同一批次生产的电学性能和光学性能会有不同，通过以上的控制方法连接设计和电源驱动，组合芯片发光的协调性、一致性较差。

目前单色显示屏在户外广告和小型移动数码设备上都有应用，所以发展LED单色显示屏也有很广的应用前景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种可控功率倒装阵列LED芯片，该芯片能有效调节大功率蓝光LED倒装芯片的发光亮度，还可作为单色显示屏使用，通过控制行列的扫描达到显示字符的目的；此外本发明还提供一种该芯片的制造方法，以克服现有技术存在的LED芯片发光亮度调节困难等不足。

本发明的可控功率倒装阵列LED芯片结构为：阵列LED芯片由多个阵列单元构成阵列，其中所有的阵列单元每一行的p电极层连接到一起，每一列的n电极层连接到一起，这样可以单独控制每个阵列单元发光；所述阵列单元是蓝宝石衬底上方依次覆盖n型缓冲层、n型半导体层、有源层、p型半导体层、透明电极层、p电极层；每一列阵列单元的n电极层连接在一起；并且全部n电极层和p电极层由绝缘层包覆；在绝缘层包覆的p电极层窗口上方的p电极连接金属层使每一行的p电极连接到一起。蓝宝石衬底的出光面为粗糙化表面，以提高出光率；在p电极连接金属层表面还有钝化层。芯片的p电极层采用光反射率较高的银或铝等金属来增加光反射，并且完全覆盖每一个阵列单元的透明电极层。

其中，LED芯片出光面为蓝宝石衬底，采用蓝宝石（Al₂O₃）；并对出光面进行有组织的表面粗糙化处理形成粗糙化表面，以减少出光表面对光的反射，提高出光率，改善LED的发光效率。

所述的n型半导体层和p型半导体层是由GaN、或GaAs、或AlGaN半导体材料构成；其中n型半导体层掺入的杂质是Si等材料，p型半导体层掺入的杂质是Mg等材料；有源层采用多层的InGaN层和GaN层，形成多量子阱层。

本发明的LED芯片由彼此相互独立的阵列单元构成阵列。但是每一列阵列单元n电极层是连接在一起的；n电极层的材料材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中的单一金属或组合金属；p电极层采用对可见光反射率很高的金属Ag或Al，并且完全覆盖每一个阵列单元的透明电极层；

在绝缘层包覆的p电极层窗口上方的p电极连接金属层使每一行的p电极连接到一起；p电极连接金属层的材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中的单一金属或组合金属。

绝缘层和钝化层是由SiO_x、SiN_x或SiO_xN_y等绝缘材料构成；透明电极层采用金属薄膜Ni/Au或氧化铟锡（ITO）制作。

本发明的可控功率倒装阵列LED芯片的制造方法，包括以下制造步骤：

步骤一，在蓝宝石衬底生长低掺杂的n型缓冲层，再生长高掺杂的n型半导体层；

步骤二，生长有源层，生长为单层的InGaN，或者交替生长为多个周期的InGaN层和GaN层，形成多量子阱层；

步骤三，在步骤二的基础上生长p型半导体层；

步骤四，沉积透明电极层和p电极层；

步骤五，在步骤四的基础上进行光刻和刻蚀，露出n型缓冲层和芯片的隔离槽，为n电极的沉积做准备；

步骤六，沉积金属层，并进行光刻和刻蚀，形成每一行都连接到一起的n电极层；

步骤七，沉积绝缘层，并进行光刻和刻蚀，露出p电极层窗口，为沉积p电极层窗口上方的p电极连接金属层做准备；同时在芯片边沿露出n电极pad，以供外电路连接；

步骤八，沉积Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中的单一金属或组合金属，并进行光刻和刻蚀，形成每一列阵列单元都连接在一起的p电极连接金属层和n电极外接pad，以供外电路连接；

步骤九，沉积钝化层，并进行光刻和刻蚀，露出p电极pad和n电极pad，以供外电路连接；

步骤十，对蓝宝石衬底进行减薄，并对蓝宝石的出光面进行有组织的粗糙化处理，形成粗糙化表面。

步骤一到步骤三采用MOCVD（金属有机化合物汽相沉积）工艺制备，或者采用MBE（分子束外延）方法制备。

步骤五采用湿刻工艺，采用ICP（增强等离子刻蚀）方法、或者RIE（反应离子刻蚀）方法，或者采用该两种方法的组合。

步骤四、步骤六和步骤七采用磁控溅射或电子束蒸发的方法生长透明电极层和p电极层步骤七采用PECVD（等离子增强化学汽相沉积）工艺生长绝缘层和钝化层；步骤十采用CMP（化学机械抛光）工艺设备将蓝宝石衬底减薄。

步骤一、在蓝宝石衬底上采用MOCVD方法先生长低掺杂Si的n型GaN缓冲层，再生长高掺杂Si的n型GaN接触层；即用TMGa（三甲基镓）、NH₃（氨）和硅源SiH₄（硅烷）在570℃下生长2μm厚的低掺杂Si的n-GaN缓冲层；再生长20nm的高掺杂Si的n型GaN接触层；

步骤二、采用MOCVD方法生长有源层。交替生长多个周期的InGaN层和GaN层，形成多量子阱—MQW层。具体过程为：

1、通入铟源TMIn（三甲基铟）生长3nm厚的InGaN；

2、去掉铟源，通入硅烷（SiH₄）生长20nm厚的n-GaN；

3、重复过程1、2多次，就生长出InGaN/GaN多量子阱；

步骤三、在MQW有源层顶部，采用MOCVD方法生长p型半导体层，即通入TMGa（三甲基镓）、NH₃（氨）和Cp₂Mg（二茂镁），生长100nm厚的p型半导体层；

步骤四、经过清洗之后用磁控溅射的方法在p型半导体层上沉积一层ITO透明导电薄膜作为透明电极层，在透明电极层上溅镀沉积Ag或Al金属形成p电极层；透明电极层的厚度为500nm，p电极层的厚度为120nm；

步骤五、在步骤四的基础上涂光刻胶，掩膜，光刻，进行刻蚀，露出n型缓冲层和芯片的隔离槽，为n电极的沉积做好准备；

步骤六、用磁控溅射沉积Cu/Au（铜/金），沉积金属的厚度为120nm；形成n电极层，并进行光刻和刻蚀，形成每一行都连接到一起的n电极；

步骤七、采用PECVD（等离子增强化学汽相沉积）生长SiO₂绝缘层，并进行光刻和刻蚀，露出p电极窗口，为进一步沉积p电极层窗口上方的p电极连接金属层做准备；同时在芯片边沿露出n电极pad，以供外电路连接；

步骤八、用磁控溅射沉积Cu/Au（铜/金）等金属组成的p电极的连接金属电极层，该层厚90-150μm，并进行光刻和刻蚀，形成每一列阵列单元都连接在一起的p电极连接金属和n电极外接pad；以供外电路连接；

步骤九、除去光刻胶，采用PECVD生长SiOx或SiNx钝化层，即形成80nm厚的SiO₂钝化层；并进行光刻和刻蚀，露出p电极pad和n电极pad，以供外电路连接；

步骤十、用化学机械抛光（CMP）设备将蓝宝石减薄，即将蓝宝石衬底由350μm～450μm减薄至90μm～150μm，并用光刻加离子刻蚀的方法对蓝宝石的出光面进行有组织的粗糙化处理，形成粗糙化表面。

基于上述步骤的制造方法可以得到一种可控功率的倒装阵列式LED芯片，该芯片与传统LED芯片相比，既可以增大发光面积，又能够通过控制芯片的阵列的行和列的通电与否控制阵列单元的发光，从而可以控制芯片的功率，达到控制芯片发光亮度的目的；也可以通过外部的驱动扫描电路控制芯片行和列通电与否，用来显示字符。

调整有源层结构（如多个材料的量子阱形成复合量子阱）及材料组分（调整掺杂浓度改变发光波长）可以发多种颜色光，本发明也涵盖了这一LED芯片范畴。

本发明以上所述内容，仅给出了实现本发明的一种实施方案，但此方案和方案中的芯片结构以及工艺条件可以改变的，这种改变不脱离本发明的思想及范围，对本领域人员自己明了的所有变更应当包含在所述权利要求范围内。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为蓝宝石Al₂O₃(0001)面衬底上外延生长n-GaN层、n⁺-GaN层、有源层、p-GaN层、透明电极和Ag/Al金属电极后的截面的图；

图3 n区电极光刻和刻蚀后得到的平面图；

图4为图3的A-A截面图；

图5为n区电极刻蚀后得到的平面图；

图6为图5的A-A截面图

图7为SiO_x或SiNx绝缘层刻蚀后的平面图形；

图8为图7的A-A截面图；

图9为p电极区上方沉积、光刻和刻蚀后p电极连接金属线的平面图；

图10为图8的A-A截面图；

图11 SiO_x或SiNx钝化层刻蚀后的平面图形

图12为对蓝宝石出光面进行有组织的粗糙化处理后的得到的截面图形；

附图标记：

1—蓝宝石衬底的粗糙化表面；

2—蓝宝石衬底；

3—n型缓冲层，即n-GaN缓冲层；

4—（SiO_x或SiNx）绝缘层；

5—n电极层；

6—n半导体层，即n⁺-GaN层；

7—有源层；

8—p半导体层，即p-GaN层；

9—透明电极层；

10—p电极层；

11—p电极连接金属层；

12—（SiO_x或SiNx）钝化层。

具体实施方式

本发明的实施例：在此，以“从蓝宝石表面发光的GaN基可控功率蓝光倒装阵列式LED芯片”为例来说明本发明的芯片结构及其制造方法。

本发明的芯片结构为：阵列LED芯片是由多个阵列单元构成阵列，其中所有的阵列单元每一行的p电极层10连接到一起，每一列的n电极层5连接到一起，这样可以单独控制每个阵列单元发光；所述阵列单元是蓝宝石衬底2上方依次覆盖n型缓冲层3、n型半导体层6、有源层7、p型半导体层8、透明电极层9、p电极层10；每一列阵列单元的n电极层5连接在一起；并且全部n电极层5和p电极层10由绝缘层4包覆；在绝缘层4包覆的p电极层10窗口上方的p电极连接金属层11使每一行的p电极层10连接到一起。蓝宝石衬底2的出光面为粗糙化表面1，以提高出光率；在p电极连接金属层11表面还有钝化层12。芯片的p电极层采用光反射率较高的银或铝等金属来增加光反射。

本发明中镓源为TMGa（三甲基镓），氮源为NH₃（氨），铟源为TMIn（三甲基铟），硅源为SiH₄（硅烷），镁源为Cp₂Mg（二茂镁）。

以下是该实施例可控功率蓝光倒装阵列式LED芯片结构的详细制造方法，其流程如图1所示意，它包括以下步骤：

步骤一、在蓝宝石衬底2上采用MOCVD方法先生长低掺杂Si的n型GaN缓冲层3，再生长高掺杂Si的n型GaN半导体层6；即用TMGa（三甲基镓）、NH₃（氨）和硅源SiH₄（硅烷）在570℃下生长2μm厚的低掺杂Si的n-GaN缓冲层3；再生长20nm的高掺杂Si的n型GaN半导体层6；如图2所示意。

步骤二、采用MOCVD方法生长有源层7。交替生长多个周期的InGaN层和GaN层，形成多量子阱—MQW层。具体过程为：第一，通入铟源TMIn（三甲基铟）生长3nm厚的InGaN；第二，去掉铟源，通入硅烷（SiH₄）生长20nm厚的n-GaN；第三，重复过程第一、第二多次，就生长出InGaN/GaN多量子阱；如图2所示意

步骤三、在MQW有源层7顶部，采用MOCVD方法生长p型半导体层8，即通入TMGa（三甲基镓）、NH₃（氨）和Cp₂Mg（二茂镁），生长100nm厚的p型半导体层8；

步骤四、经过清洗之后用磁控溅射的方法在p型半导体层8上沉积一层ITO透明导电薄膜作为透明电极层9，在透明电极层上溅镀沉积Ag或Al金属形成p电极层10；透明电极层9的厚度为500nm，p电极层10的厚度为120nm；

步骤五、在步骤四的基础上涂光刻胶，掩膜，光刻，进行刻蚀，露出n型缓冲层和芯片的隔离槽，为n电极层5的沉积做准备；如图3、图4所示；

步骤六、用磁控溅射沉积Cu/Au（铜/金），沉积金属的厚度为120nm；形成n电极层5，并进行光刻和刻蚀，形成每一行都连接到一起的n电极层5；如图5和图6所示。

步骤七、采用PECVD（等离子增强化学汽相沉积）生长SiO₂绝缘层4，并进行光刻和刻蚀，露出p电极层10窗口，为进一步沉积p电极层10窗口上方的p电极连接金属层做准备；同时在芯片边沿露出n电极pad，以供外电路连接；如图7、图8所示。

步骤八、在p电极层10上用磁控溅射沉积Cu/Au（铜/金）等金属组成的p电极的连接金属电极层11，该层厚90-150μm，并进行光刻和刻蚀，形成每一列阵列单元都连接在一起的p电极连接金属和n电极外接pad；以供外电路连接；如图9、图10所示

步骤九、除去光刻胶，采用PECVD生长SiOx或SiNx钝化层，即形成80nm厚的SiO₂钝化层12；并进行光刻和刻蚀，露出p电极pad和n电极pad，以供外电路连接；

步骤十、用化学机械抛光（CMP）设备将蓝宝石衬底2减薄，即将蓝宝石衬底由350μm～450μm减薄至90μm～150μm，并用光刻加离子刻蚀的方法对蓝宝石的出光面进行有组织的粗糙化处理，形成粗糙化表面1。

按照上述步骤和工艺制造的LED芯片，得到较好质量的倒装阵列式LED芯片。

基于上述实例结构及其制造方法，调整有源层结构（如多个材料的量子阱形成复合量子阱）及材料组分（调整掺杂浓度改变发光波长）可以发多种颜色光，本发明也涵盖了这一LED芯片范畴。

本发明以上所述内容，仅给出了实现本发明的一种实施方案，但此方案和方案中的芯片结构以及工艺条件可以改变，这种改变不脱离本发明的思想及范围，对本领域人员自己明了的所有变更应当包含在所述的权利要求范围内。

Claims

1.一种可控功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：阵列LED芯片由多个阵列单元构成阵列，其中所有的阵列单元每一行的p电极层（10）连接，每一列的n电极层（5）连接；所述每个阵列单元的结构是蓝宝石衬底（2）上方依次覆盖n型缓冲层（3）、n型半导体层（6）、有源层（7）、p型半导体层（8）、透明电极层（9）、p电极层（10）；所有的n电极层（5）和p电极层（10）由绝缘层（4）包覆；其中每一行的p电极层（10）通过p电极层（10）窗口上方的p电极连接金属层（11）连接；在p电极连接金属层（11）表面还有钝化层（12）。

2.根据权利要求1所述的可控功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：粗糙化表面（1）为蓝宝石衬底（2）通过表面粗糙化处理形成的LED芯片出光面。

3.根据权利要求1所述的可控功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：n型缓冲层（3）、n型半导体层（6）和p型半导体层（８）由GaN、GaAs或AlGaN半导体材料构成；其中n型层掺入的杂质是Si材料，p型层掺入的杂质是Mg材料。

4.根根据权利要求1所述的可控功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：有源层（7）是单层的InGaN，或者是多层的InGaN层和GaN层，形成多量子阱层。

5.根据权利要求1、2或3所述的可控功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：LED芯片由彼此相互独立的阵列单元构成阵列，每一列阵列单元的n电极层（5）连接；n电极层（5）的材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中的单一金属或组合金属。

6.根据权利要求1、2或3所述的可控功率倒装阵列LED芯片，其特征在于： p电极层（10）采用Ag或Al，并且完全覆盖每一个阵列单元的透明电极层（9）。

7.根据权利要求1、2或3所述的可控功率倒装阵列LED芯片，其特征在于： p电极连接金属层（11）的材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中的单一金属或组合金属。

8.根据权利要求1所述的可控功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：绝缘层（4）和钝化层（9）由SiO_x、SiN_x或SiO_xN_y绝缘材料构成。

9.根据权利要求1所述的可控功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：透明电极层（9）采用金属薄膜Ni/Au或氧化铟锡制作。

10.一种可控功率倒装阵列LED芯片的制造方法，其特征在于，它包括以下制造步骤：

步骤一，在蓝宝石衬底生长低掺杂的n型缓冲层（3），再生长高掺杂的n型半导体层（6）；

步骤二，生长有源层（7），生长为单层的InGaN，或者交替生长为多个周期的InGaN层和GaN层，形成多量子阱层；

步骤三，在步骤二的基础上生长p型半导体层（8）；

步骤四，沉积透明电极层（9）和p电极层（10）；

步骤五，在步骤四的基础上进行光刻和刻蚀，露出n型缓冲层（3）和芯片的隔离槽，为n电极的沉积做准备；

步骤六，沉积金属层，并进行光刻和刻蚀，形成每一行都连接到一起的n电极层（5）；

步骤七，沉积绝缘层（4），并进行光刻和刻蚀，露出p电极层（１０）窗口，为沉积p电极层（10）窗口上方的p电极连接金属层（11）做准备；同时在芯片边沿露出n电极pad；

步骤八，沉积金属包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中的单一金属或组合金属，并进行光刻和刻蚀，形成每一列阵列单元都连接在一起的p电极连接金属层（11）和n电极外接pad；

步骤九，沉积钝化层（12），并进行光刻和刻蚀，露出p电极pad和n电极pad；

步骤十，对蓝宝石衬底（2）进行减薄，并对蓝宝石的出光面进行有组织的粗糙化处理，形成粗糙化表面（1）。

11.根据权利要求10所述的可控功率倒装阵列LED芯片的制造方法，其特征在于：上述制造步骤中，步骤一到步骤三可以交换沉积顺序，即先在衬底上生长p型半导体层（8）和有源层（7），最后在有源层顶部生长n型半导体层（6）。

12.根据权利要求10或11所述的可控功率倒装阵列LED芯片的制造方法，其特征在于：步骤一到步骤三采用“MOCVD”金属有机化合物汽相沉积工艺制备，或者采用“MBE”分子束外延方法制备。

13.根据权利要求9所述的可控功率倒装阵列LED芯片的制造方法，其特征在于：步骤五采用湿刻工艺，采用“ICP”增强等离子刻蚀方法或者“RIE”反应离子刻蚀方法，或者采用该两种方法的组合。

14.根据权利要求9所述的可控功率倒装阵列LED芯片的制造方法，其特征在于：步骤四、步骤六和步骤七采用磁控溅射或电子束蒸发的方法生长透明电极层（9）、p电极层（10）、n电极（5）和p电极连接金属层（11）；步骤七采用“PECVD”等离子增强化学汽相沉积生长绝缘层（4）和钝化层（12）；步骤十采用化学机械抛光“CMP”设备将蓝宝石衬底（2）减薄。