CN102270633B

CN102270633B - 大功率倒装阵列led芯片及其制造方法

Info

Publication number: CN102270633B
Application number: CN2011102146273A
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: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: CN102270633A

Abstract

本发明公开了一种大功率倒装阵列LED芯片及其制造方法。其大功率倒装阵列LED芯片结构为：阵列LED芯片是由多个阵列单元构成阵列，其中相邻阵列单元都共用一个n型缓冲层（3）；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）；相邻两个阵列单元之间是n电极（5）；并且n电极（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）窗口上方覆盖外接金属散热层（11）。蓝宝石衬底（2）的出光面处理为粗糙化表面（1）。芯片的p电极采用光反射率较高的银或铝等金属。

Description

大功率倒装阵列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。

但是，目前光取出效率低和散热能力差是大功率LED面临的主要技术瓶颈。传统结构的LED芯片光取出效率低主要受以下几个因素的影响：1）材料本身对光的吸收；2）p电极上键合焊点和引线对光的遮挡；3）材料的折射率不同，在界面上发生反射，而导致光不易从高折射率的GaN材料传至低折射率的外围空气。4）电流分布不均匀。在p电极下的部分电流密度大，发光强，老化快。而在p电极以外的区域电流密度小，发光弱，老化慢。

大功率LED一般工作在350mA电流下，散热对LED器件的性能和寿命至关重要。pn结的工作温度一般在110-120℃之间，但在设计中，应当考虑长期工作的情况下，pn结尽量保持在100℃左右，温度每升高10℃，光通量就会衰减1%，LED的发光波长就会漂移1-2nm。如果不能将芯片产生的热量及时的散出，将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。对于GaN基的LED，其有源层在中心位置，远离散热体，蓝宝石衬底也是热的不良导体，散热的问题将更为严重。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种大功率倒装阵列LED芯片及其制造方法，能够有效提高大功率蓝光LED倒装芯片的发光效率和散热能力，以克服现有技术存在的发光效率低、散热差等不足。

本发明的大功率倒装阵列LED芯片包括衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层、电极层、绝缘层、外接金属层和钝化层，阵列LED芯片是由多个阵列单元构成阵列，其中相邻阵列单元都共用一个n型半导体层；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；相邻两个阵列单元之间是n电极；并且n电极和p电极层由绝缘层包覆；在绝缘层包覆的p电极层窗口上方覆盖外接金属散热层；且在外接金属散热层表面还有钝化层。

蓝宝石衬底的出光面处理为粗糙化表面。

倒装LED芯片的n型半导体层和p型半导体层是由GaN、GaAs或AlGaN等半导体材料构成；其中n型层掺入的杂质是Si等材料，p型层掺入的杂质是Mg等材料。

倒装阵列LED芯片的有源层是单层的InGaN，或者是多层的InGaN层和GaN层，形成多量子阱层。

所有芯片阵列单元的n型半导体层是连通的，并且相邻两个阵列单元共用位于其间的n电极；n电极的材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中单一金属或组合金属。

p电极层采用金属Ag或Al，并且完全覆盖每一个阵列单元的透明电极层；

外接金属散热层的材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中单一金属或组合金属。

绝缘层和钝化层是由SiOx、SiNx或SiOxNy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。

本发明的大功率倒装阵列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，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、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型层缓冲层，为n电极层的沉积做准备；

步骤六、沉积Cu、Ti、Al、Ni或Au，采用其中单一金属或组合金属，并进行光刻和刻蚀，形成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，为进一步沉积p电极层的外接金属散热层准备；同时在芯片边沿露出n电极焊垫（pad）；

步骤八、沉积Cu、Ti、Al、Ni或Au，采用其中单一金属或组合金属，并进行光刻和刻蚀，形成外接金属散热层和n电极外接焊垫（pad）；

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

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。

上述制造步骤中，步骤一和步骤三可以交换沉积顺序，即先在衬底上生长p型半导体层和有源层，后在有源层顶部生长n型半导体层。

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，采用增强等离子刻蚀（ICP）方法、或者反应离子刻蚀（RIE）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；步骤十采用化学机械抛光（CMP）工艺设备将蓝宝石衬底减薄。

基于上述步骤的制造方法可以得到一种倒装阵列式LED芯片，该芯片与传统LED芯片相比，既可以增大发光面积，改善发光效率，又能够很好的改善芯片的散热。

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为本发明的制造工艺流程图；

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为 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、光刻和刻蚀后金属电极散热层的平面图；

图10为图9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；

图中标记：

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—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—外接金属散热层；

12—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基蓝光倒装阵列式LED芯片”为例，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：包括衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层、电极层、绝缘层、外接金属层和钝化层，阵列LED芯片是由多个阵列单元构成阵列，其中相邻阵列单元都共用一个n型半导体层6；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；相邻两个阵列单元之间是n电极5；并且n电极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窗口上方覆盖外接金属散热层11。蓝宝石衬底2的出光面设置为粗糙化表面1。外接金属散热层11的材料包括Cu/Ti/Al/Ni/Au金属，采用其中两种及以上的金属组合；且在外接金属散热层11表面还有钝化层12。

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）。

以下是该实施例蓝光倒装阵列式LED芯片结构的制造方法，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-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9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-GaN层，为沉积n电极层5做准备；如图3、图4所示；

步骤六、用磁控溅射沉积Cu/Au（铜/金），形成n电极层，并对其进行光刻和刻蚀，形成n电极层5，即采用磁控溅射沉积Cu/Au（铜/金）金属，沉积金属的厚度为800nm，并对其进行光刻和刻蚀，形成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SiOx或SiNx绝缘层4；并进行光刻和刻蚀，露出p电极层10的窗口，为进一步沉积p电极层10的外接金属散热层11做准备；同时在芯片边沿露出n电极焊垫（pad），以供外电路连接；如图7、图8所示。

步骤八、在p电极层10上用磁控溅射或电子束蒸发沉积Cu/Au（铜/金）金属，组成外接金属散热层11，该层厚90-150μm，并进行光刻和刻蚀，形成金属散热层和n电极层5外接焊垫（pad）；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12，即形成80nm厚的SiO₂钝化层；并进行光刻和刻蚀，露出p电极焊垫（pad）和n电极焊垫（pad），以供外电路连接；如图11所示。

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2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，如图12所示。

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

1.一种大功率倒装阵列LED芯片，包括衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层、电极层、绝缘层、外接金属层和钝化层，其特征在于：阵列LED芯片是由多个阵列单元构成阵列，其中相邻阵列单元都共用一个n型半导体层（6）；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）；相邻两个阵列单元之间是n电极（5）；并且n电极（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）窗口上方覆盖外接金属散热层（11），并且完全覆盖整个阵列LED芯片，在外接金属散热层（11）表面还有钝化层（12）。

2.根据权利要求1所述的大功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：蓝宝石衬底（2）的出光面处理为粗糙化表面（1）。

3.根据权利要求1所述的大功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：倒装LED芯片的n型半导体层（6）和p型半导体层（8）是由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.根据权利要求1所述的大功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：倒装阵列LED芯片的有源层（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所述的大功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：所有芯片阵列单元的n型半导体层（6）是连通的，并且相邻两个阵列单元共用位于其间的n电极（5）；n电极（5）的材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中单一金属或组合金属。

6.根据权利要求1、2或3所述的大功率倒装阵列LED芯片，其特征在于： p电极层（10）采用金属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所述的大功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：外接金属散热层（11）的材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中单一金属或组合金属。

8.根据权利要求1所述的大功率倒装阵列LED芯片，其特征在于：绝缘层（4）和钝化层（12）由SiOx、SiNx或SiOxNy绝缘材料构成。

9.根据权利要求1所述的大功率倒装阵列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。

10.一种大功率倒装阵列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），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）、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型层缓冲层（3），为n电极层（5）的沉积做准备；

步骤六、沉积金属材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中单一金属或组合金属，并进行光刻和刻蚀，形成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）的外接金属散热层（11）做准备；同时在芯片边沿露出n电极焊垫；

步骤八、沉积金属材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金属，采用其中单一金属或组合金属，并进行光刻和刻蚀，形成外接金属散热层（11）和n电极外接焊垫；

步骤九、沉积钝化层（12），并进行光刻和刻蚀，露出p电极焊垫和n电极焊垫；

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所述的大功率倒装阵列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），后在有源层（7）顶部生长n型半导体层（6）。

12.根据权利要求10或11所述的大功率倒装阵列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10所述的大功率倒装阵列LED芯片的制造方法，其特征在于：步骤五采用湿刻工艺，采用增强等离子刻蚀方法、或者反应离子刻蚀方法，或者采用该两种方法的组合。

14.根据权利要求10所述的大功率倒装阵列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）和p电极层（10）；步骤七采用“PECVD”等离子增强化学汽相沉积工艺生长绝缘层（4）和钝化层（12）；步骤十采用化学机械抛光“CMP”工艺设备将蓝宝石衬底（2）减薄。