CN103236475B - 深沟槽隔离的led发光单元的电极桥接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对具有深沟槽隔离的多个发光单元的大尺寸LED芯片，提出深沟槽隔离的LED发光单元的电极桥接方法，包括如下步骤：沉积第一层钝化层；旋涂液态绝缘材料，填满发光单元之间的隔离沟槽，并在芯片表面形成平整薄膜；液态绝缘材料高温固化；刻蚀绝缘材料薄膜，使得发光单元表面的钝化层暴露，而隔离沟槽处绝缘材料的表面与钝化层的表面齐平；沉积第二层钝化层，将隔离沟槽处的绝缘材料封闭在钝化层内部；刻蚀钝化层，制备电极槽；沉积金属，并采用剥离技术，制备电极，同时在钝化层上表面制备电极连接桥。本发明提高了电极桥接的良率，适用于横截面为矩形、正梯形或倒梯形的发光单元结构，特别适用于高深宽比的隔离沟槽。
Description
技术领域
本发明涉及具有深沟槽隔离的多个发光单元的大尺寸LED芯片领域，具体涉及深沟槽隔离的LED发光单元的电极桥接方法。
背景技术
随着半导体照明产业的发展，大功率LED芯片成为技术研发的主流。为了避免大功率LED芯片发光层的电流密度过大，可采用增加芯片发光层面积的办法，亦即使用大尺寸LED芯片。但是，单个LED芯片的尺寸越大，发光层电流密度就越难以均匀分布，这使得未优化设计的大尺寸LED芯片的有效发光面积变小，降低了芯片的电流注入效率。此外，单个LED芯片的尺寸越大，光线从芯片内部出射时的逃逸路径越长，由于半导体材料的吸收，损耗也就越大，降低了芯片的出光效率。为提高大尺寸LED芯片的发光效率，包括电流注入效率和出光效率，一个有效的办法就是将大尺寸的LED芯片划分为多个小尺寸的发光单元。
对于具备多个发光单元的大尺寸LED芯片，发光单元与发光单元之间是刻蚀至衬底的深沟槽，以实现电学上的绝缘。沟槽的深度是整个外延层的厚度，一般是5μm~8μm。各发光单元之间通过电极桥接以串联或者并联的形式组成单个的大功率LED芯片。如图1和图3所示是大尺寸LED芯片的发光单元串联或者并联的一种传统型电极桥接结构，电极连接桥要跨越较深的隔离沟槽。因为LED芯片工艺中的金属电极通常采用电子束蒸发技术来沉积，台阶侧壁的覆盖能力较差，所以深隔离沟槽侧壁的金属电极容易断裂，使得串联或者并联的发光单元断路，导致产品良率较低。
为提高电极连接桥跨越深隔离沟槽的良率，已有文献报道的解决方案主要有两种。一种方案是制备横截面为正梯形的发光单元结构，隔离沟槽侧壁的坡度较为平缓，金属薄膜可实现良好的覆盖，从而提高电极连接桥的稳定性与可靠性。这种方案将降低大尺寸LED芯片的发光层面积。另一种方案是采用化学机械抛光（CMP）技术。首先采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积SiO2，较厚的SiO2层覆盖整个芯片表面将隔离沟槽填满，但在隔离沟槽上面出现凹陷。然后采用CMP技术对凹凸不平的SiO2表面进行抛光，使得发光单元表面的半导体材料暴露，而隔离沟槽处的SiO2的表面与发光单元的表面齐平。由于CMP不可避免地对发光单元表面的半导体材料造成物理损伤，LED芯片的电学性能和光学性能都有一定程度的下降。
发明内容
本发明针对具有深沟槽隔离的多个发光单元的大尺寸LED芯片，公开深沟槽隔离的LED发光单元的电极桥接方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
深沟槽隔离的LED发光单元的电极桥接方法，适用于具有深沟槽隔离的多个发光单元的大尺寸LED芯片，其包括如下步骤：
（A）在发光单元的上表面、隔离沟槽的侧壁和底部沉积第一层钝化层；
（B）旋涂液态绝缘材料，发光单元之间的隔离沟槽被液态绝缘材料填满，并在整个芯片表面形成平整的绝缘材料薄膜；
（C）在高温下，液态绝缘材料转变为固态；
（D）干法刻蚀或湿法腐蚀绝缘材料薄膜，使得发光单元表面上方的第一层钝化层暴露，而隔离沟槽处绝缘材料的表面与发光单元表面上方的第一层钝化层的表面齐平；
（E）沉积第二层钝化层，将隔离沟槽处的绝缘材料封闭在第一层钝化层和第二层钝化层之间；
（F）对于多个发光单元串联或并联的绝缘型衬底大尺寸LED芯片，在p型电极和n型电极所在的位置上方，采用光刻工艺并干法刻蚀或湿法腐蚀第一层钝化层和第二层钝化层，制备容纳p型电极和n型电极的电极槽；对于多个发光单元并联的导电型衬底大尺寸LED芯片，在p型电极所在的位置上方，采用光刻工艺并干法刻蚀或湿法腐蚀第一层钝化层和第二层钝化层，制备容纳p型电极的电极槽；
（G）沉积金属，并采用剥离技术，在电极槽内制备电极，同时在第二层钝化层上表面制备电极连接桥。
进一步优化的，所述制备步骤（A）和（E）中的第一层钝化层和第二层钝化层的薄膜材料是SiO2、SiN、SiON中的一种，制备方法是等离子体增强化学气相淀积（PECVD）、高密度等离子体化学气相淀积（HP-PECVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）和原子层沉积（ALD）中的一种，制备原材料包括SiH4、N2O、Si(OC2H5)4、O2、O3、SiH2Cl2、NH3、N2、Ar的一种以上。
进一步优化的，第一层钝化层的厚度为200nm-700nm，第二层钝化层的厚度为500nm-1000nm。
进一步优化的，所述制备步骤（B）中的液态绝缘材料，满足以下特征：具有粘滞性，在非平坦表面旋涂后薄膜表面平整；固化前后的体积变化小于30%；固化后对LED芯片的发光波长的透过率高于70%。这类液态绝缘材料包括但不限于聚酰亚胺、BCB（苯并环丁烯）、SOG（旋涂玻璃）。
进一步优化的，所述制备步骤（C）具体包括：将已旋涂液态绝缘材料薄膜的芯片置于空气、氧气、惰性气体或真空环境烘烤，烘烤温度是室温至1000℃，时间是1分钟至3小时；烘烤一次或多次，每次烘烤的温度和时间相同或不相同。
进一步优化的，所述制备步骤（D）的干法刻蚀或湿法腐蚀过程中，绝缘材料薄膜的厚度均匀地减小。
进一步优化的，所述制备步骤（G）中所沉积的金属材料是Cr、Pt、Ni、Ti、Al、Au、Ag中的一种以上，制备方法是电子束蒸发沉积、磁控溅射、化镀、电镀中的一种以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明使用绝缘材料填充发光单元之间的深隔离沟槽，将电极连接桥跨越的深沟槽（整个外延层的厚度，约5μm~8μm）转化为浅沟槽（平台结构的深度，亦即n型电极台面距离p型电极台面的深度，约1μm~1.5μm），或者平整的表面，提高了电极桥接的良率。
2、本发明旋涂液态绝缘材料填充发光单元之间的隔离沟槽，适用于横截面为矩形、正梯形或倒梯形的发光单元结构，特别适用于高深宽比的隔离沟槽。
3、本发明中高温固化后的绝缘材料被第一层钝化层和第二层钝化层封闭，降低了绝缘材料对吸湿性能、绝缘性能的要求。
4、与传统电极连接桥的制备工艺相比，本发明只需增加绝缘材料的旋涂、固化和刻蚀工艺，步骤简单，且与现有LED芯片制备工艺兼容。
附图说明
图1具有深沟槽隔离的多个发光单元串联的绝缘型衬底大尺寸LED芯片中，传统型电极桥接结构的横截面示意图。
图2a~图2g是具有深沟槽隔离的多个发光单元串联的绝缘型衬底大尺寸LED芯片的电极桥接过程中，各步骤对应的芯片横截面示意图，其中：
图2a是沉积第一层钝化层的横截面示意图；
图2b是旋涂液态绝缘材料的横截面示意图；
图2c是绝缘材料固化的横截面示意图；
图2d是刻蚀绝缘材料薄膜的横截面示意图；
图2e是沉积第二层钝化层的横截面示意图；
图2f是制备电极槽的的横截面示意图；
图2g是制备电极和电极连接桥的横截面示意图。
图3具有深沟槽隔离的多个发光单元并联的导电型衬底大尺寸LED芯片中，传统型电极桥接结构的横截面示意图。
图4a~图4g具有深沟槽隔离的多个发光单元并联的导电型衬底大尺寸LED芯片的电极桥接过程中，各步骤对应的芯片横截面示意图，其中：
图4a为沉积第一层钝化层的横截面示意图；
图4b为旋涂液态绝缘材料的横截面示意图；
图4c为绝缘材料固化的横截面示意图；
图4d为刻蚀绝缘材料薄膜的横截面示意图；
图4e为沉积第二层钝化层的的横截面示意图；
图4f为制备电极槽的横截面示意图；
图4g为制备电极和电极连接桥的的横截面示意图。
图中，1、衬底，2、缓冲层，3、n型半导体材料，4、多量子阱发光层，5、p型半导体材料，6、电流扩展层，7、钝化层，8、p型电极，9、n型电极，10、电极连接桥，11、发光单元，12、隔离沟槽，13、第一层钝化层，14、绝缘材料，15、第二层钝化层，16、电极槽。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。
对于具有深沟槽隔离的多个发光单元串联的绝缘型衬底大尺寸LED芯片，传统型电极桥接结构如图1所示。衬底1是蓝宝石等绝缘型材料，外延层由缓冲层2、n型半导体材料3、多量子阱发光层4、p型半导体材料5、电流扩展层6组成，外延层的表面覆盖有钝化层7。多个发光单元相互串联时，前一个发光单元的n型电极9与后一个单元的p型电极8通过电极连接桥10串联。为实现电学上的绝缘，发光单元11之间的隔离沟槽12需刻蚀直至衬底。隔离沟槽12的深度是整个外延层的厚度，一般是5μm~8μm。因为金属电极通常采用电子束蒸发技术来沉积，台阶侧壁的覆盖能力较差，所以隔离沟槽12侧壁的金属电极容易断裂，使得串联的发光单元断路。
应用本发明公开的电极桥接方法，可将电极连接桥跨越的沟槽深度从外延层的厚度（约5μm~8μm）降低至平台结构的深度（亦即n型电极台面距离p型电极台面的深度，约1μm~1.5μm）。实例如图2a至图2g所示，发光单元之间的隔离沟槽的侧壁倾角小于90o。这种结构可由热酸腐蚀隔离沟槽得到，其中热酸是温度为100℃~400℃的浓H2SO4和浓H3PO4的混合溶液。在平台结构和隔离沟槽制备完成后，电极及电极连接桥的制备步骤如下。（A）在外延层的表面采用PECVD沉积400nm的SiO2第一层钝化层13，如图2a所示。（B）使用旋转涂敷设备将液态绝缘材料14BCB（Benzocyclobutene，苯并环丁烯）涂敷在芯片表面，并在60℃~100℃的热板上软烤（温度和时间依赖于薄膜厚度），如图2b所示，发光单元之间的隔离沟槽被BCB填满，并在整个芯片表面形成平整薄膜。（C）将芯片放入250℃的充氮合金炉烘烤1小时，如图2c所示，BCB固化后的厚度略有减少。（D）使用等离子体清洗机刻蚀BCB，工艺气体O2/CF4的流量比为4:1~10:1，如图2d所示，发光单元上表面的SiO2钝化层暴露，并因受到刻蚀导致厚度减少；而O2/CF4等离子体对BCB的刻蚀速率远大于对SiO2的刻蚀速率，因此隔离沟槽处BCB的表面与n型电极所在台面的SiO2钝化层的表面齐平。（E）采用PECVD沉积600nm的SiO2第二层钝化层15，如图2e所示，BCB完全被封闭在SiO2钝化层内部。（F）采用光刻工艺，在芯片表面制备光刻胶掩膜，并使用BOE（HF/NH4F混合溶液）腐蚀SiO2层，制备容纳p型电极和n型电极的电极槽16，如图2f所示；（G）采用电子束蒸发沉积Cr/Pt/Au金属电极，并采用剥离技术，同时制备p型电极8、n型电极9以及电极连接桥10，如图2g所示，电极连接桥只需跨越约1μm~1.5μm的平台结构，提高了电极桥接的良率。
对于具有深沟槽隔离的多个发光单元并联的导电型衬底大尺寸LED芯片，传统型电极桥接结构如图3所示。衬底1是碳化硅、氮化镓等导电型材料，外延层由缓冲层2、n型半导体材料3、多量子阱发光层4、p型半导体材料5、电流扩展层6组成，外延层的表面覆盖有钝化层7。p型电极8制备在电流扩展层6的上表面，而n型电极9制备在衬底1的下表面。发光单元11的p型电极8通过电极连接桥10并联，隔离沟槽12的深度是整个外延层的厚度，一般是5μm~8μm。隔离沟槽12侧壁的金属电极容易断裂，使得并联的发光单元断路。整个芯片只有一个n型电极，不存在电极连接桥跨越隔离沟槽的问题。
应用本发明公开的电极桥接方法，可将电极连接桥跨越的沟槽深度从外延层的厚度（约5μm~8μm）降至平整表面。实例如图4a至图4g所示，发光单元之间的隔离沟槽采用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀，沟槽侧壁的倾角约为90o。在隔离沟槽制备完成后，p型电极及电极连接桥的制备步骤如下。（A）在外延层的表面采用PECVD沉积400nm的SiO2第一层钝化层13，如图4a所示。（B）使用旋转涂敷设备将液态绝缘材料14SOG（Spin-On-Glass，旋涂玻璃）涂敷在芯片表面，如图4b所示，发光单元之间的隔离沟槽被SOG填满，并在整个芯片表面形成平整薄膜。（C）将芯片依次放在80℃、150℃和250℃的热板烘烤1分钟，再放入425℃的充氧合金炉退火2小时，液态的SOG转化为固态的SiO2，薄膜厚度减少约10%，如图4c所示。（D）使用BOE（HF/NH4F混合溶液）腐蚀SiO2薄膜，如图4d所示，发光单元上表面的SiO2第一层钝化层13暴露，并因受到腐蚀导致厚度略有减少；隔离沟槽处SOG的表面与发光单元上SiO2第一层钝化层13的表面齐平。（E）采用PECVD沉积600nm的SiO2第二层钝化层15，如图4e所示，SOG完全被封闭在SiO2钝化层内部。（F）采用光刻工艺，在芯片表面制备光刻胶掩膜，并使用BOE（HF/NH4F混合溶液）腐蚀SiO2层，制备容纳p型电极的电极槽16，如图4f所示；（G）采用电子束蒸发沉积Cr/Pt/Au金属电极，并采用剥离技术，同时制备p型电极8以及电极连接桥10，如图4g所示，电极连接桥制备在平整的SiO2钝化层的上表面，提高了电极桥接的良率。
Claims (5)
1.深沟槽隔离的LED发光单元的电极桥接方法，适用于具有深沟槽隔离的多个发光单元的大尺寸LED芯片，其特征在于包括如下步骤：
（A）在发光单元的上表面、隔离沟槽的侧壁和底部沉积第一层钝化层；第一层钝化层的厚度为200nm-700nm；
（B）旋涂液态绝缘材料，发光单元之间的隔离沟槽被液态绝缘材料填满，并在整个芯片表面形成平整的绝缘材料薄膜；
（C）在高温下，液态绝缘材料转变为固态；
（D）干法刻蚀或湿法腐蚀绝缘材料薄膜，使得发光单元表面上方的第一层钝化层暴露，而隔离沟槽处绝缘材料的表面与发光单元表面上方的第一层钝化层的表面齐平；
（E）沉积第二层钝化层，将隔离沟槽处的绝缘材料封闭在第一层钝化层和第二层钝化层之间，第二层钝化层的厚度为500nm-1000nm；
（F）对于多个发光单元串联或并联的绝缘型衬底大尺寸LED芯片，在p型电极和n型电极所在的位置上方，采用光刻工艺并干法刻蚀或湿法腐蚀第一层钝化层和第二层钝化层，制备容纳p型电极和n型电极的电极槽；对于多个发光单元并联的导电型衬底大尺寸LED芯片，在p型电极所在的位置上方，采用光刻工艺并干法刻蚀或湿法腐蚀第一层钝化层和第二层钝化层，制备容纳p型电极的电极槽；
（G）沉积金属，并采用剥离技术，在电极槽内制备电极，同时在第二层钝化层上表面制备电极连接桥；所沉积的金属材料是Cr、Pt、Ni、Ti、Al、Au、Ag中的一种以上，制备方法是电子束蒸发沉积、磁控溅射、化镀、电镀中的一种以上。
2.如权利要求1所述的电极桥接方法，其特征在于所述制备步骤（A）和（E）中的第一层钝化层和第二层钝化层的薄膜材料是SiO2、SiN、SiON中的一种，制备方法是等离子体增强化学气相淀积（PECVD）、高密度等离子体化学气相淀积（HP-PECVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）和原子层沉积（ALD）中的一种，制备原材料包括SiH4、N2O、Si(OC2H5)4、O2、O3、SiH2Cl2、NH3、N2、Ar的一种以上。
3.如权利要求1所述的电极桥接方法，其特征在于所述制备步骤（B）中的液态绝缘材料，满足以下特征：具有粘滞性，在非平坦表面旋涂后薄膜表面平整；固化前后的体积变化小于30%；固化后对LED芯片的发光波长的透过率高于70%。
4.如权利要求1所述的电极桥接方法，其特征在于所述制备步骤（C）具体包括：将已旋涂液态绝缘材料薄膜的芯片置于空气、氧气、惰性气体或真空环境烘烤，烘烤温度是室温至1000℃，时间是1分钟至3小时；烘烤一次或多次，每次烘烤的温度和时间相同或不相同。
5.如权利要求1所述的电极桥接方法，其特征在于所述制备步骤（D）的干法刻蚀或湿法腐蚀过程中，绝缘材料薄膜的厚度均匀地减小。
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