CN101894851B - 一种可寻址氮化镓基led显示微阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种可寻址氮化镓基LED显示微阵列及其制备方法,所述微阵列包括蓝宝石LED外延片、GaN列矩阵隔离结构、InGaN/GaN量子阱薄膜层、有源区、N型欧姆接触、P型欧姆接触、光线反射金属层、金属互连引线、以及支撑硅电极。所述方法采用干法ICP刻蚀出Mesa隔离结构的列单元和能放置LED字线金属引线的台面结构,然后分别电子束蒸发不同金属形成N型和P型欧姆接触,形成光线反射金属层,并用PECVD淀积二氧化硅作为钝化层;在LED阵列引线外接区域电子束蒸发金属形成LED阵列的倒装焊压焊结构;随后在硅衬底裸片的隔离氧化层上完成金属铝线图形化Al并淀积二氧化硅钝化层,最后采用倒装焊技术实现对接。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明领域,具体涉及大功率LED显示微阵列及其制备方法。
背景技术
LED即发光二极管,是一种半导体固体发光器件,它是利用InGaN/GaN MQW量子阱作为发光源,在正向偏置电压下发生量子阱中的载流子复合,释放出能量并发射光子,直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫色的光。目前白光LED则主要是在蓝光LED上覆盖一层淡黄色萤光粉涂层制成的。由于半导体发光二极管LED具有发光效率高、长寿命、绿色环保、开关速度快等优点,作为新一代的绿色照明光源,被广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源和城市景观照明等领域。
为了配合白光LED在上述领域的应用,研究人员集中围绕基于蓝宝石衬底LED发光二极管开发电极立体引线的平面新工艺。因GaN材料所特有的自发极化、压电极化等物理效应,对LED器件界面特性非常敏感,限制了常规CMP等工艺在高密度LED阵列制备的应用,因此市面上的可寻址LED阵列多以10×10小规模阵列为主,并还需借助外接的金属引线实现LED阵列的电学连接。
倒装焊技术最先用于硅基功率型半导体器件产品中,利用凸点倒装焊金属接触将功率器件的热源区与高热导率硅衬底直接连接,降低芯片中心位置的工作结温,避免热斑过早出现,以提高功率电路乃至整机系统的可靠性。
针对氮化镓GaN材料的固有特性和高密度GaN-LED的大屏幕显示应用,本发明采用倒装焊电极引线分离技术将上述技术进行扩展,可实现高密度LED微阵列(128×96)的寻址小型化应用。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种可提高LED单元的光效和降低LED的导通压降Vf,减小LED阵列的总热阻,又能满足LED一致性、可靠性、使用寿命等指标要求的一种可寻址氮化镓基LED显示微阵列及其制备方法。
本发明为实现上述目的,采用如下技术方案:
本发明一种可寻址氮化镓基LED显示微阵列,其特征在于包括蓝宝石LED外延片、GaN列矩阵隔离结构、InGaN/GaN量子阱薄膜层、有源区、N型欧姆接触、P型欧姆接触、光线反射金属层、金属互连引线、以及支撑硅电极,其中支撑硅电极包括硅圆片、SiO2隔离层、金属引线、低温淀积氧化层、反溅射Ti/Au金属层和Au金属层;以蓝宝石LED外延片为衬底,GaN列矩阵层设置于衬底上,InGaN/GaN量子阱薄膜层设置于GaN列矩阵层上,有源区设置于InGaN/GaN薄膜层上,采用干法刻蚀GaN列矩阵层形成多个GaN列矩阵单元,采用干法刻蚀InGaN/GaN薄膜层得到N-GaN导电层,GaN列矩阵单元的N-GaN导电层上设置N型欧姆接触引线,在有源区上形成P型欧姆接触,在P型欧姆接触上设置光线反射层,在以上各部件上设置SiO2钝化层,在N型、P型欧姆接触的引线外接区域上设置反溅射Ti/Au层,反溅射Ti/Au层上设置Au层;SiO2隔离层设置于硅圆片上,SiO2隔离层上与GaN列矩阵单元对应设置金属位引线,金属引线外设置低温淀积氧化层,反溅射Ti/Au金属层设置于引线外接区域的金属引线上,Au金属层设置于反溅射Ti/Au金属层上。
优选地,所述Au金属层形状为球形。
一种可寻址氮化镓基LED显示微阵列的制备方法包括如下步骤:
1)清洗已激活Mg元素的蓝宝石LED外延片;
2)干法刻蚀完GaN层形成多个GaN列矩阵单元;
3)干法刻蚀完InGaN/GaN薄膜层,获得N-GaN导电层;
4)形成Ti/Al欧姆接触引线,设置在N-GaN导电层一侧形成的台阶上,作为阵列的字线;
5)在有源区上形成金属层Ag1的P型欧姆接触;
6)在P型欧姆接触上形成金属薄层Ag2的光线反射层;
7)设置SiO2钝化层;
8)在N型、P型欧姆接触的引线外接区域上设置反溅射Ti/Au层;
9)在反溅射Ti/Au层上设置Au层;
10)设置低温淀积SiO2隔离层,隔离金属引线与硅圆片;
11)设置溅射金属引线,作为可寻址LED微阵列的位线连接线;
12)将低温淀积氧化层设置于金属引线外;
13)反溅射Ti/Au金属层设置于金属引线的外接区域上,电镀Au金属层于反溅射
Ti/Au金属层上;
14)绑定Bonding工艺,实现LED显示阵列与支撑硅的压焊区对接。
优选地,所述LED显示微阵列中发光阵列之间为等比例变间距,相邻阵列之间的间距比例为1/2~2/3。
本发明具有如下优点:
1)本发明充分考虑氮化镓材料GaN的自发极化和压电极化效应对LED特性的影响,将LED阵列的字位连接线分离在不同的LED、Si支撑体,避免影响LED导通压降Vf的CMP平坦化工艺使用,保证了每个LED单元的特性一致性,可实现高密度LED阵列集成。
2)本发明的两次Ag层沉积技术,利用薄Ag技术解决了P型接触较差对LED正向压降Vf影响的问题,随后沉积的厚Ag层作为光线反射镜,大幅度提高LED阵列的出光效率。
3)本发明寻址LED阵列的倒装焊技术,保证LED有源区通过金属凸点焊球与支撑硅圆片连接,热量能迅速传递到热导率较高的硅衬底,LED温度可明显降低,这对提高高密度LED阵列的光效、延长其使用寿命是非常有益的。
4)本发明版图L2/L1采用了1/2~2/3等比例变间距的非均匀热设计新方法,与常规等间距热设计相比较,更能有效避免LED显示阵列中心处热源集中,保证有源区内结温分布呈平缓分布,提高了LED微阵列的光通量并延缓了LED光衰减。
附图说明
图1是可寻址LED微阵列三维结构示意图;
图2是可寻址LED微阵列5×5的非均匀热设计有源区版图;
图3是可寻址LED微阵列电极压焊点示意图;
图4是LED微阵列的支撑硅电极示意图;
图5是LED微阵列的支撑硅凸点回流示意图。
具体实施方式
下面将结合附图详细阐述本发明可寻址LED显示微阵列:
如图1至5所示,本发明一种可寻址氮化镓基LED显示微阵列,其特征在于包括蓝宝石LED外延片1、GaN列矩阵层2、N型欧姆接触引线4、InGaN/GaN量子阱薄膜层5、有源区6、P型欧姆接触7、光线反射层8以及支撑硅电极,其中支撑硅电极包括硅圆片12、SiO2隔离层13、金属引线14、低温淀积氧化层15、反溅射Ti/Au金属层16和Au金属层17和18;以蓝宝石LED外延片1为衬底,GaN列矩阵层2设置于衬底上,InGaN/GaN薄膜层5设置于GaN列矩阵层2上,有源区6设置于InGaN/GaN薄膜层5上,采用干法刻蚀GaN列矩阵层2形成多个GaN列矩阵单元,采用干法刻蚀InGaN/GaN薄膜层5得到N-GaN导电层3,GaN列矩阵单元的N-GaN导电层3上设置N型欧姆接触引线4,在有源区6上形成P型欧姆接触7,在P型欧姆接触7上设置光线反射层8,在以上各部件上设置SiO2钝化层9,在欧姆接触引线(4)和光线反射层(8)的引线外接区域上设置反溅射Ti/Au层10,反溅射Ti/Au层10上设置Au层11;SiO2隔离层13设置于硅圆片12上,SiO2隔离层13上与GaN列矩阵单元对应设置金属引线14,金属引线14外设置低温淀积氧化层15,反溅射Ti/Au金属层16设置于金属引线14的引线外接的压焊区域上,Au金属层设置于反溅射Ti/Au金属层16上。
所述Au金属层结构最终为球形。
本发明方法采用干法ICP刻蚀先后刻蚀出矩阵列的隔离单元和以列为单位的Mesa结构,电子束蒸发双层金属Ti/Al,并采用剥离及快速热退火工艺,形成N型欧姆接触,为矩阵各列提供低电阻率的N型欧姆接触字连接线。采用两次P型欧姆接触技术,即先电子束蒸发厚度较薄的金属Ag,采用剥离工艺形成P型接触图形化结构,利用快速热退化RTP工艺,获得正向导通压降Vf低的P型接触,随后溅射厚度较厚的金属层Ag并形成图形化结构,为LED提供有良好反光效果的光线反射层,并构成每行的位线连接接触点。在硅衬底裸片的隔离氧化层上形成金属铝线图形化Al,为阵列矩阵提供位线的行连接线,随后在行连接线压焊点上电镀厚金属和采用金属回流技术,并形成凸点压焊图形,最后采用倒装焊技术,实现硅衬底与LED阵列的倒装焊图形无隙对接,支撑硅为LED矩阵提供位线连接线,蓝宝石LED提供字线连接线,实现了矩阵控制字线和位线的分离,适合大功率LED高亮度显示技术的可寻址应用。版图采用了等比例变间距的非均匀热设计新方法,与常规等间距热设计相比较,更能有效避免LED显示阵列中心处热源集中,保证有源区内结温分布呈平缓分布,提高了LED阵列的光通量并延缓了LED光衰减。
下面结合附图详细阐述本发明可寻址LED显示微阵列的制备方法:
1.清洗已激活Mg元素的蓝宝石LED外延片1,如图1所示。
2.形成GaN列矩阵单元2,在Cl2和He混合气体环境下,使用SiO2层作为掩蔽层,干法刻蚀完GaN层2,并与蓝宝石衬底1形成陡直的台阶。
3.形成N-GaN导电层3,在Cl2和He混合气体环境下,使用SiO2层作为掩蔽层,干法刻蚀完InGaN/GaN薄膜层5,获得该N-GaN导电层3。LED版图L2/L1采用1/2~2/3等比例的非均匀热设计,以提高LED微阵列的光通量和延长其使用寿命,如图2所示。
4.形成Ti/Al欧姆接触引线4,采用电子束蒸发Ti/Al(60/14500)及剥离等工艺,在N-GaN导电层3上形成LED微阵列的字线4。尽管Ti/Al金属与N-GaN可形成良好的欧姆接触,但是520℃/40s快速热退火工艺被使用,避免被刻蚀的N型GaN界面态对电阻的影响。
9.电子束蒸发Au层11(12000),该厚层金属Au是覆盖Ti/Au金属层,实现与硅圆片12电镀金属的连接。
14.电镀厚度为2um的Au金属层17、18,该金属层位于支撑硅的压焊区,将于LED显示微阵列的压焊对接,采用了金属电镀及回流工艺实现的,以减少热应力、机械应力等,如图5所示。
15.绑定Bonding工艺,该工艺实现LED显示微阵列与硅衬底的压焊区对接,微阵列字线位于LED芯片,微阵列位线位于支撑硅。
上述本发明一种可寻址氮化镓基LED显示微阵列及其制备方法中,未提及的技术方案,均为本领域技术人员的公知技术,在此不做详述。
Claims (4)
1.一种可寻址氮化镓基LED显示微阵列的制备方法,其中所述显示微阵列包括LED蓝宝石外延片(1)、GaN列矩阵单元(2)、N型欧姆接触引线(4)、InGaN/GaN量子阱薄膜层(5)、有源区(6)、P型欧姆接触(7)、光线反射层(8)以及支撑硅电极,其中支撑硅电极包括硅圆片(12)、SiO2隔离层(13)、金属引线(14)、低温淀积氧化层(15)、反溅射Ti/Au金属层(16)和电镀Au金属层(17、18);以LED蓝宝石外延片(1)为衬底,GaN列矩阵层设置于衬底上,InGaN/GaN薄膜层(5)设置于GaN列矩阵层上,有源区(6)设置于InGaN/GaN薄膜层(5)上,采用干法刻蚀GaN列矩阵层形成多个GaN列矩阵单元(2),采用干法刻蚀InGaN/GaN薄膜层(5)得到N-GaN导电层(3),GaN列矩阵单元(2)的N-GaN导电层(3)上设置欧姆接触引线(4),在有源区(6)上形成P型欧姆接触(7),在P型欧姆接触(7)上设置光线反射层(8),在以上各部件上设置SiO2钝化层(9),欧姆接触引线(4)和光线反射层(8)的引线外接区域设置反溅射Ti/Au层(10),反溅射Ti/Au层(10)上设置Au层(11);SiO2隔离层(13)设置于硅圆片(12)上,SiO2隔离层(13)上与GaN列矩阵单元(2)对应设置金属位引线(14),金属引线(14)上设置低温淀积氧化层(15),反溅射Ti/Au金属层(16)设置于引线外接的压焊区域(14)上,Au金属层设置于反溅射Ti/Au金属层(16)上,所述Au金属层形状为球形;
其特征在于所述制备方法包括如下步骤:
1)清洗已激活Mg元素的蓝宝石LED外延片(1);
2)干法刻蚀完GaN列矩阵层形成多个GaN列矩阵单元(2);
3)干法刻蚀完InGaN/GaN膜层(5),获得N-GaN导电层(3);
4)形成Ti/Al欧姆接触引线(4),设置在N-GaN导电层(3)一侧形成的台阶上,作为阵列的字线;
5)在有源区(6)上形成第一Ag金属层的P型欧姆接触(7);
6)在P型欧姆接触(7)上形成第二Ag金属层的光线反射层(8);
7)设置SiO2钝化层;
8)在Ti/Al欧姆接触引线(4)和光线反射层(8)的引线外接区域上设置反溅射Ti/Au层(10);
9)在反溅射Ti/Au层(10)上设置Au层(11);
11)设置溅射金属引线(14),作为可寻址LED微阵列的位线连接线;
12)将低温淀积氧化层(15)设置于金属引线(14)外;
13)反溅射Ti/Au金属层(16)设置于金属引线(14)的外接的压焊区域上,在反溅射Ti/Au金属层(16)上形成作为字线连接点的电镀Au金属层(17)和作为位线连接点的电镀Au金属层(18);
14)绑定Bonding工艺,实现LED显示阵列与支撑硅的压焊区对接。
4.一种基于权利要求1所述的一种可寻址氮化镓基LED显示微阵列的制备方法,其特征在于所述LED显示微阵列中发光阵列之间为等比例变间距,相邻阵列之间的间距比例为1/2~2/3。
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