CN101286539A - 一种氮化镓基小芯片led阵列结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，包括：一蓝宝石衬底；一N－GaN层制作在蓝宝石衬底上，该N－GaN层上面的一侧形成有一台阶；一有源层制作在N－GaN层上的最上面；一P－GaN层制作在有源层上；一Ru/Ni层制作在P－GaN层的中间部位；一Ag/Pt/Au层制作在Ru/Ni层上；一N－GaN金属电极制作在N－GaN层一侧形成的台阶上；一SiO2钝化层制作在P－GaN层上面暴露的部分，及P－GaN层、有源层的侧面和N－GaN层一侧的台阶部分的表面，以上结构形成基片；一硅层，在硅层上面的两侧制作有Ni/Ag层，形成硅支撑体；该基片倒置与上述硅支撑体压焊，形成氮化镓基小芯片LED阵列结构。
Description
技术领域
本发明用于光电子器件制造技术领域，具体涉及到GaN基发光二极管(LED)中P、N-GaN的电极体系设计及制备方法，以及硅支撑体的电极引线设计及制备方法。
背景技术
以InGaN/GaNMQW蓝光芯片激发黄光荧光粉(YAG:Ce3+)是最常用的制备白光LED的方法，白光LED具有节能、环保、冷光源、显色指数高、响应速度快、体积小和工作寿命长等突出优点。随着InGaN/GaN MQW蓝光材料的研究深入和功率型白光LED器件制备性能的稳步提高，LED广泛应用于电子产品的背光源、交通灯、显示标志、景观照明走向白光照明等领域，并且半导体固体照明光源作为新一代照明革命的绿色固体光源显示出巨大的应用潜力。
为适应白光LED在不同领域的应用，将多个尺寸为300μm×300μm的GaN基发光二极管倒装在同一个硅支撑体上，其数量可根据具体的亮度、电压要求加以确定，形成了LED芯片阵列，具有高光效，低热阻的特性。
发明内容
本发明目的在于，提供氮化镓基小芯片LED阵列结构及制备方法，其可提高LED的光效，降低了热组，能够满足各种电压、亮度要求，适应各种领域的使用要求。
本发明的技术方案如下：
本发明一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，其特征在于，包括：
一蓝宝石衬底；
一N-GaN层，该N-GaN层制作在蓝宝石衬底上，该N-GaN层上面的一侧形成有一台阶；
一有源层，该有源层制作在N-GaN层上的最上面；
一P-GaN层，该P-GaN层制作在有源层上；
一Ru/Ni层，该Ru/Ni层制作在P-GaN层的中间部位；
一Ag/Pt/Au层，该Ag/Pt/Au层制作在Ru/Ni层上；
一N-GaN金属电极，该N-GaN金属电极制作在N-GaN层一侧形成的台阶上；
一SiO2钝化层，该SiO2钝化层制作在P-GaN层上面暴露的部分，及P-GaN层、有源层的侧面和N-GaN层一侧的台阶部分的表面，以上结构形成基片；以及
一硅层，在硅层上面的两侧制作有Ni/Ag层，形成硅支撑体；
该基片倒置与上述硅支撑体压焊，形成氮化镓基小芯片LED阵列结构。
其中所述的Ni/Ag电极层的反射率为93％。
其中Ru/Ni层为半透明的欧姆接触层，可以与P-GaN层形成良好的欧姆接触，Ru/Ni层的厚度比为1∶1。
其中Ru/Ni层和Ag/Pt/Au层形成P-GaN电极金属体系，该电极金属体系的反射率74％，其中Pt能够阻止Au的内扩散。
其中所述的N-GaN金属电极为Cr/Ag/Au电极金属体系。
其中Cr/Ag/Au电极金属体系的反射率为62％。
本发明一种氮化镓基小芯片LED阵列结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上依序制作生长N-GaN层、有源层和P-GaN层；
步骤2：在P-GaN层上，采用PECVD的方法沉积一层SiO2掩蔽层；
步骤3：用光刻和湿法腐蚀掉部分SiO2掩蔽层，形成N-GaN电极区域；
步骤4：采用ICP干法刻蚀的方法，在N-GaN电极区域处刻蚀掉P-GaN层、有源层和部分N-GaN层，构成一N-GaN电极区域，形成P台面；
步骤5：清洗，用湿法去除剩余SiO2掩蔽层；
步骤6：在基片的表面采用PECVD法沉积一层SiO2钝化层，该SiO2钝化层具有高的致密性和绝缘性，能够阻止在暴露的有源区断面形成漏电通道；
步骤7：在基片上表面用光刻和湿法腐蚀出一P-GaN电极区域；
步骤8：在P-GaN电极区域上用电子束分步蒸发Ru/Ni层，进行合金化处理；
步骤9：在Ru/Ni层上采用电子束分步蒸发Ag/Pt/Au层；
步骤10：在N-GaN电极区域的上面，用光刻和湿法腐蚀出N-GaN电极区域，并在其上用电子束分步蒸发Cr/Ag/Au，即N-GaN金属电极；
步骤11：在温度为450℃真空中进行合金化处理3min，完成基片结构的制作；
步骤12：在一硅层上采用电子束分步蒸发的方法制作一层Ni/Ag电极层，将Ni/Ag电极层的中间剥离，形成一电极隔离区域，完成硅支撑体的制作；
步骤13：采用超生压焊的方法将多个基片倒装焊接在硅支撑体上。
其中硅支撑体的反射率为93％。
其中Ru/Ni层为半透明的欧姆接触层，可以与P-GaN层形成良好的欧姆接触，Ru/Ni层的厚度比为1∶1。
其中Ru/Ni层和Ag/Pt/Au层形成P-GaN电极金属体系，该电极金属体系的反射率74％，其中Pt能够阻止Au的内扩散。
其中所述的N-GaN金属电极为Cr/Ag/Au电极金属体系。
其中Cr/Ag/Au电极金属体系的反射率为62％。
附图说明
为了进一步的说明本发明的内容，以下结合具体的实施例及附图对本发明作详细的描述，其中：
图1是GaN基LED外延材料结构剖面示意图；
图2是在图1上PECVD沉积一层厚度5000
的SiO2掩蔽层5的示意图；
图3是在图2上采用光刻和湿法腐蚀方法，形成一N-GaN电极的形状的示意图；
图4是图3经ICP干法刻蚀之后，形成的P-GaN台面的示意图；
图5是图4湿法去除剩余SiO2掩蔽层5后，经ICP干法刻蚀的N-GaN电极台面7的示意图；
图6是在图5上PECVD沉积一层SiO2钝化层8示意图；
图7是在图6上光刻和湿法腐蚀出P-GaN电极的形状，腐蚀掉SiO2钝化层8，暴露要刻蚀的P-GaN电极区域9的上表面的示意图；
图8是在图7上电子束蒸发Ru/Ni，然后电极剥离后剩下的Ru/Ni层10的示意图；
图9是在图8上光刻和湿法腐蚀出P-GaN电极的形状，然后电子束蒸发Ag/Pt/Au层11后剥离的示意图；
图10是在图9上光刻和湿法腐蚀出N-GaN电极的形状，然后电子束蒸发Cr/Ag/Au，剥离，即得N-GaN金属电极12的示意图；
图11是在硅层13上光刻和湿法腐蚀出电极引线的形状，然后电子束蒸发Ni/Ag层14后剥离的示意图；
图12是以3×3为例的电路的示意图。
具体实施方式
请参阅10及图11，本发明一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，包括：
一蓝宝石衬底1；
一N-GaN层2，该N-GaN层2制作在蓝宝石衬底1上，该N-GaN层2上面的一侧形成有一台阶；
一有源层3，该有源层3制作在N-GaN层2上的最上面；
一P-GaN层4，该P-GaN层4制作在有源层3上；
一Ru/Ni层10，该Ru/Ni层10制作在P-GaN层4的中间部位；其中Ru/Ni层10为半透明的欧姆接触层，可以与P-GaN层4形成良好的欧姆接触，Ru/Ni层10的厚度比为1∶1；
一Ag/Pt/Au层11，该Ag/Pt/Au层11制作在Ru/Ni层10上；
其中Ru/Ni层10和Ag/Pt/Au层11形成P-GaN电极金属体系，该电极金属体系的反射率74％，其中Pt能够阻止Au的内扩散；
一N-GaN金属电极12，该N-GaN金属电极12制作在N-GaN层2一侧形成的一台阶上；其中所述的N-GaN金属电极12为Cr/Ag/Au电极金属体系，该Cr/Ag/Au电极金属体系的反射率为62％；
一SiO2钝化层8，该SiO2钝化层8制作在P-GaN层4上面暴露的部分，及P-GaN层4、有源层3的侧面和N-GaN层2一侧的台阶部分的表面，以上结构形成基片；以及
一硅层13(采用图11)，在硅层13上面的两侧制作有Ni/Ag层14，形成硅支撑体；所述的Ni/Ag电极层14的反射率为93％；
该基片倒置与上述硅支撑体压焊，形成氮化镓基小芯片LED阵列结构。
请结合参阅图1-图11，本发明氮化镓基小芯片LED阵列结构及制备方法，其制作的过程包括氮化镓基小芯片LED即基片的制作与硅支撑体的制作。
基片一般是在蓝宝石衬底1上采用外延的方法形成N-GaN层2、有源层3和P-GaN层4，如图1所示。
样品用丙酮、乙醇和盐酸清洗，清洗后用干N2吹干，达到除去材料生长以及储运过程中表面的氧化物、有机离子、金属微颗粒和水汽的目的。
在蓝宝石衬底1外延GaN基功率型LED的材料结构上表面P-GaN 4上PECVD沉积一层厚度5000的SiO2掩蔽层5，如图2所示；按照N-GaN电极形状，采用光刻胶掩蔽的方法，腐蚀掉SiO2掩蔽层5，暴露需要刻蚀的N-GaN电极台面区域6，如图3所示；采用ICP干法刻蚀的方法刻蚀出N-GaN电极的台面7，如图4所示；用氢氟酸溶液腐蚀掉剩余SiO2掩蔽层5，刻蚀后的GaN基片结构如图5所示。在经过ICP刻蚀并用热王水清洗的GaN基片表面PECVD沉积一层SiO2钝化层8，如图6所示，该钝化层可有效防止芯片P，N电极间的漏电。
光刻和湿法腐蚀出P-GaN区域9如图7，电子束依次蒸发电子束蒸发Ru/Ni，然后电极剥离后剩下的Ru/Ni层10，如图8；再次光刻和湿法腐蚀出P-GaN电极的形状，然后电子束蒸发Ag/Pt/Au层11后剥离，如图9。
光刻和湿法腐蚀出N-GaN电极的形状，然后电子束依次蒸发Cr/Ag/Au 12后剥离，如图10。
硅支撑体的制作是在硅层13上光刻和湿法腐蚀出电极的形状，然后电子束蒸发Ni/Ag 14后剥离，如图11。
最后采用超生压焊的方法将多个小芯片LED集成在一个硅支撑体上，形成氮化镓基小芯片LED阵列，以3×3为例的电路图如图12。
Claims (12)
1. 一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，其特征在于，包括：
一蓝宝石衬底；
一N-GaN层，该N-GaN层制作在蓝宝石衬底上，该N-GaN层上面的一侧形成有一台阶；
一有源层，该有源层制作在N-GaN层上的最上面；
一P-GaN层，该P-GaN层制作在有源层上；
一Ru/Ni层，该Ru/Ni层制作在P-GaN层的中间部位；
一Ag/Pt/Au层，该Ag/Pt/Au层制作在Ru/Ni层上；
一N-GaN金属电极，该N-GaN金属电极制作在N-GaN层一侧形成的台阶上；
一SiO2钝化层，该SiO2钝化层制作在P-GaN层上面暴露的部分，及P-GaN层、有源层的侧面和N-GaN层一侧的台阶部分的表面，以上结构形成基片；以及
一硅层，在硅层上面的两侧制作有Ni/Ag层，形成硅支撑体；
该基片倒置与上述硅支撑体压焊，形成氮化镓基小芯片LED阵列结构。
2. 根据权利要求1所述的一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，其特征在于，其中所述的Ni/Ag电极层的反射率为93％。
3. 根据权利要求1所述的一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，其特征在于，其中Ru/Ni层为半透明的欧姆接触层，可以与P-GaN层形成良好的欧姆接触，Ru/Ni层的厚度比为1∶1。
4. 根据权利要求1所述的一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，其特征在于，其中Ru/Ni层和Ag/Pt/Au层形成P-GaN电极金属体系，该电极金属体系的反射率74％，其中Pt能够阻Au的内扩散。
5. 根据权利要求1所述的一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，其特征在于，其中所述的N-GaN金属电极为Cr/Ag/Au电极金属体系。
6. 根据权利要求5所述的一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，其特征在于，其中Cr/Ag/Au电极金属体系的反射率为62％。
7. 一种氮化镓基小芯片LED阵列结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上依序制作生长N-GaN层、有源层和P-GaN层；
步骤2：在P-GaN层上，采用PECVD的方法沉积一层SiO2掩蔽层；
步骤3：用光刻和湿法腐蚀掉部分SiO2掩蔽层，形成N-GaN电极区域；
步骤4：采用ICP干法刻蚀的方法，在N-GaN电极区域处刻蚀掉P-GaN层、有源层和部分N-GaN层，构成一N-GaN电极区域，形成P台面；
步骤5：清洗，用湿法去除剩余SiO2掩蔽层；
步骤6：在基片的表面采用PECVD法沉积一层SiO2钝化层，该SiO2钝化层具有高的致密性和绝缘性，能够阻止在暴露的有源区断面形成漏电通道；
步骤7：在基片上表面用光刻和湿法腐蚀出一P-GaN电极区域；
步骤8：在P-GaN电极区域上用电子束分步蒸发Ru/Ni层，进行合金化处理；
步骤9：在Ru/Ni层上采用电子束分步蒸发Ag/Pt/Au层；
步骤10：在N-GaN电极区域的上面，用光刻和湿法腐蚀出N-GaN电极区域，并在其上用电子束分步蒸发Cr/Ag/Au，即N-GaN金属电极；
步骤11：在温度为450℃真空中进行合金化处理3min，完成基片结构的制作；
步骤12：在一硅层上采用电子束分步蒸发的方法制作一层Ni/Ag电极层，将Ni/Ag电极层的中间剥离，形成一电极隔离区域，完成硅支撑体的制作；
步骤13：采用超生压焊的方法将多个基片倒装焊接在硅支撑体上。
8. 根据权利要求7所述的一种氮化镓基小芯片LED阵列结构的制备方法，其特征在于，其中硅支撑体的反射率为93％。
9. 根据权利要求7所述的一种氮化镓基小芯片LED阵列结构的制备方法，其特征在于，其中Ru/Ni层为半透明的欧姆接触层，可以与P-GaN层形成良好的欧姆接触，Ru/Ni层的厚度比为1∶1。
10. 根据权利要求7所述的一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，其特征在于，其中Ru/Ni层和Ag/Pt/Au层形成P-GaN电极金属体系，该电极金属体系的反射率74％，其中Pt能够阻止Au的内扩散。
11. 根据权利要求7所述的一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，其特征在于，其中所述的N-GaN金属电极为Cr/Ag/Au电极金属体系。
12. 根据权利要求11所述的一种氮化镓基小芯片LED阵列结构，其特征在于，其中Cr/Ag/Au电极金属体系的反射率为62％。
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