CN102468318B - 一种高压直流发光二极管芯片结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压直流发光二极管芯片的制造方法及其结构。在外延生长前先将生长衬底定义为多个单元区间，清洗生长衬底；利用外延横向生长技术进行外延生长，使每个单元区间上生长的外延层相互电隔离，每个单元区间的外延层之间形成沟道；在外延层表面涂敷一层有机薄膜作为阻挡层；在所述沟道内填充介质材料；进行CMP平坦化处理，CMP抛光至阻挡层；清洗表面，去除阻挡层，最终平坦化外延表面；最后制作P、N电极将多个芯片单元串联在一起，形成由多个芯片单元串联而成的器件。本发明可以以增加串联芯片个数的方式增加芯片的输入功率，从而减小了pn结在大电流工作状态下的热损伤，防止了当流过pn结的电流密度过大时光效下降。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管芯片结构及其制造方法，尤其是指一种用于半导体照明领域的高压直流发光二极管芯片结构及其制造方法。
背景技术
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。
传统的芯片制造工艺是在一片衬底上同时制备数百个甚至数千个芯片，每个芯片之间有一定的距离，在制备好这些芯片之后，进行划片、切割将他们分离，最后经后续的封装等工艺得到单个发光二极管。通常单个发光二极管管芯的结构为在蓝宝石等衬底上外延了N型半导体层、有源层、P型半导体层的单PN结结构。另外，在P型半导体层上配置有P电极，在N型半导体层上配置有N电极。中国专利申请号为201010107911.6，名称为《一种发光二极管芯片的制造方法》的专利就公开了一种发光二极管芯片的制造方法，首先在生长衬底表面形成走道，把生长衬底表面划分成和最终芯片尺寸相同的小区间，定义芯片大小；经过一些工艺步骤之后依次生长外延材料，以形成多个相互分隔的由N型半导体层、有源层、及P型半导体层构成的单个发光二极管的初始结构，最后经过裂片工艺分离各个芯片形成单个(单结)发光二极管。该工艺方法在生长外延之前对生长衬底进行刻蚀，有助于释放应力，保护芯片。
目前，不管是大功率的还是小功率的LED照明应用，一般都由电源、LED驱动器、LED芯片、透镜和基板几部分构成，其中关键的元件是LED驱动器，它必须提供一个恒流输出才能保证LED发出的光不会忽明忽暗、以及不会发生LED色偏现象，而驱动电路的成本、能耗和稳定性是制约LED广泛应用的一个重要瓶颈，由于高压驱动电路技术相对更加成熟、应用更加广泛，因此，开发利用高压直流驱动电路的LED芯片对进一步发挥LED光源及相对传统光源优势及进一步普及LED光源的应用都有重要意义。对于半导体照明用的大功率发光二极管，40瓦的半导体灯可以通过串联40只1瓦的单个大功率发光二极管来实现。然而，对于半导体照明用的小功率发光二极管，若要制成40瓦的半导体灯则需要串联更多的单个独立管芯；由于使用的管数很多，因此需要增加更加复杂的外围电路及驱动器。这样不但给外围电路的设计带来难度，而且复杂的电路结构也会对器件的可靠性、使用寿命以及发光性能等带来负面的影响。
因此，在半导体照明领域，如何突破现有技术进一步简化发光二极管的外围电路设计，简化制作工艺，提高芯片发光性能，提高芯片可靠性，延长芯片使用寿命等，仍然是本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种高压直流发光二极管芯片结构及其制造方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高压直流发光二极管芯片结构，包括：
生长衬底和位于所述生长衬底上的多个芯片单元；
每个芯片单元至少包括N型半导体层、有源层和P型半导体层，以及分别与N型半导体层和P型半导体层电连接的N电极和P电极；
所述多个芯片单元之间填充有介质材料；
相邻两个芯片单元设有位于所述介质材料之上的金属互连线，使所述多个芯片单元依次串连，构成发光二极管芯片。
作为本发明的优选方案，所述芯片单元平行于生长衬底的截面为菱形。
一种高压直流发光二极管芯片的制造方法，包括以下步骤：
1)将生长衬底划分成多个单元区间，然后清洗生长衬底；
2)利用外延横向生长技术生长外延层，所述外延层至少包括N型半导体层、有源层和P型半导体层，使每个单元区间上生长的外延层相互电隔离，每个单元区间的外延层之间形成沟道；
3)在外延层表面涂敷一层有机薄膜作为阻挡层；
4)在所述沟道内填充介质材料；
5)利用化学机械抛光技术抛光至阻挡层；
6)清洗抛光后的表面，去除阻挡层，完成表面平坦化处理；
7)在每个单元区间的外延层上制作P电极和N电极，形成多个相互独立的芯片单元，并在多个芯片单元之间制作金属互连线依次将多个芯片单元串联，从而形成发光二极管芯片。
其中，步骤1)可以利用光刻和刻蚀或激光划片工艺在生长衬底表面形成走道，从而将生长衬底划分成多个单元区间。或者，步骤1)利用在生长衬底表面制作介质隔离结构，从而将生长衬底划分成多个单元区间。
作为本发明的优选方案，所述的单元区间为菱形。
作为本发明的优选方案，步骤2)中生长的N型半导体层为N型GaN层，P型半导体层为P型GaN层，有源层为GaN基量子阱层。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明高压直流发光二极管芯片的制造方法，通过制作走道或介质隔离结构定义生长衬底，同时在衬底上生长、制作多个芯片单元，并将这些芯片单元依次串联形成单体发光二极管管芯结构。在芯片制程中将多颗芯片单元利用分立绝缘、电极桥接的技术形成LED芯片阵列，从而在不改变芯片工作电流的情况下提高芯片总的工作电压，使得其可以在高压下工作。由于该技术将通常的单个发光二极管划分为多个串联的芯片单元，即将多个小的pn结按照实际要求串联在一起，形成由多颗pn结串联而成的器件。这样做的好处是，可以以增加串联芯片单元个数的方式增加芯片的输入功率，从而减小了pn结在大电流工作状态下的热损伤，防止了流过pn结的电流密度过大而造成的光效下降。
因此，本发明技术可以有效的减少驱动电流，改善器件内部热特性，从而降低芯片的发热量，改善芯片发光性能，提高芯片可靠性，延长芯片使用寿命。此外，将该技术应用于制作半导体照明用芯片，可以简化外围电路的设计及导线互连数量。
附图说明
图1是实施例中高压直流发光二极管芯片的局部结构示意图。
图2是实施例中高压直流发光二极管芯片的俯视示意图。
图3-图9是实施例一中高压直流发光二极管芯片的制造流程示意图。
图10、图11分别是实施例中多个芯片单元的两种排布连接方式示意图。
图12-图14是实施例二中高压直流发光二极管芯片的制造流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便，附图并未按照比例绘制。
本发明提供的高压直流发光二极管芯片结构，如图1、图2所示，包括：生长衬底10以及位于所述生长衬底10上的多个芯片单元20；每个芯片单元20至少包括N型半导体层21、有源层22和P型半导体层23，以及分别与N型半导体层21和P型半导体层23电连接的N电极40和P电极30；所述多个芯片单元20之间填充有介质材料50；相邻两个芯片单元20设有位于所述介质材料50之上的金属互连线60，使所述多个芯片单元20依次串连，构成发光二极管芯片。
本实施例中，N电极40和P电极30通过刻蚀等工艺制成，且N电极40和P电极30位于不同平面，因此需要在每个芯片单元20的外延层(包括N型半导体层21、有源层22和P型半导体层23)露出的表面，例如侧壁，设置钝化层70(可采用氧化硅等材料)，用于保护并隔离每个芯片单元20。优选地，在制作的P电极30与P型半导体层23之间还设有电流扩展层24，如透明导电材料ITO等。
本实施例中，多个芯片单元20组成LED阵列，每个芯片单元20的N电极40和P电极30由其上表面引出，利用电极桥接技术，由金属互连线60将它们依次串联。其中，多个芯片单元20的排布方式、其N电极40和P电极30的位置、连接方式可以是多样的，图2就是其中一种优选的排布连接方式，但本发明并不仅限于此。
以下提供该高压直流发光二极管芯片的制造方法。
实施例一
请参看图3-9，本实施例的一种高压直流发光二极管芯片的制造方法，包括如下步骤：
(1)如图3所示，选取生长衬底10，可以为Si衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底或图形化衬底等。如图4所示，外延生长前在生长衬底10表面形成多条走道11，所述多条走道11把生长衬底10表面划分成若干尺寸相同的区域，从而将生长衬底定义成多个单元区间。
所述多条走道可以利用光刻和刻蚀(如等离子刻蚀)或激光划片等工艺形成，例如采用激光波长为200-400nm的激光划片，划道宽度可以为2-15μm，划片深度可以为1-50μm。
形成走道后，清洗生长衬底，将上述走道中残留的脏物去除。清洗时可采用热的强酸溶液或热的强碱溶液作为清洗剂进行清洗，清洗剂优选为硫酸与磷酸的混合溶液。此外还可采用激光清洗的方法，通常激光清洗可以利用激光清洗装置完成，与传统的湿法清洗相比，激光清洗能有效去除亚微米级污染颗粒、有机物、油污等，对衬底不损伤、无污染。例如可利用248nm、30ns的KrF准分子激光对衬底进行清洗。
其中，定义的单元区间为平行四边形，进一步优选为菱形；其内角优选为45-135度。
(2)如图5所示，在生长衬底10的所述多个单元区间上生长外延层200，所述外延层200至少包括N型半导体层、有源层和P型半导体层。由于走道11上不能生长外延材料，因此每个单元区间的外延层200相互独立，每个单元区间的外延层之间形成沟道。这样，在外延工艺结束后，各个pn结之间实现了完全的电隔离。
具体地，可以利用外延横向生长技术生长所述外延层200，例如利用金属有机化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延技术进行横向外延生长。本实施例中，生长的N型半导体层为N型GaN层，P型半导体层为P型GaN层，有源层为GaN基量子阱层。在生长外延之前对生长衬底进行刻蚀走道，有助于释放应力，保护芯片。
(3)如图6所示，在每个单元区间的外延层200表面涂敷一层有机薄膜(PMMA)作为后续平坦化工艺的阻挡层80。
(4)如图7所示，在每个单元区间的外延层之间的沟道内填充介质材料50，便于平坦化整个外延芯片。步骤(4)填充的介质材料50优选为氧化硅、氮化硅、树脂或SOG材料等。
(5)如图8所示，利用化学机械抛光技术(CMP)抛光至阻挡层80。
(6)如图9所示，清洗抛光后的表面，去除阻挡层80，完成表面平坦化处理。
(7)在每个单元区间的外延层上制作P电极和N电极，形成多个相互独立的芯片单元。
可以采用光刻和刻蚀(ICP)技术对所述单体芯片结构进行刻蚀，至N型半导体层，然后在N型半导体层上制作N电极，在P型半导体层上制作P电极，可在所述单体芯片结构顶层上制造出电流扩散层(ITO)，然后制造P电极。需注意的是，制作电极的步骤顺序可根据实际生产线进行相应调整，例如，可先在单体芯片结构顶层上制造出ITO后再进行刻蚀至N型GaN层拓宽深走道上半部，然后在ITO上制造P电极。
在多个芯片单元之间制作金属互连线依次将多个芯片单元串联，从而形成发光二极管芯片。其中，P电极和N电极由芯片单元的上表面引出，与传统连接电极的方法一致，可以利用光刻，金属蒸镀及金属剥离工艺实现芯片的电极互连.最终芯片制程结束后的效果见图10。
多个芯片单元的排布方式，其N电极和P电极的位置、连接方式可以是多样的，另一种优选的排布连接方式如图11所示，但本发明并不仅限于此。
相比传统单颗芯片的封装方式，由于高压直流LED芯片采用多个芯片单元阵列分布的方式排列，因此，提高了封装工艺的生产效率，降低了封装工艺的生产成本。
实施例二
请参看图12-14，本实施例提供另一种高压直流发光二极管芯片的制造方法，该方法与实施例一不同之处在于：采用了介质隔离结构对生长衬底进行划分。
其中，步骤(1)如图12所示，在生长衬底10上利用沉积、光刻和刻蚀工艺制备介质隔离结构12，该介质隔离结构12将生长衬底10分隔为多个单元区间。然后清洗生长衬底，去除残留污物。同样的，利用介质隔离结构12定义的单元区间为平行四边形，优选为菱形；其内角优选为45-135度。
然后，步骤(2)如图13所示，生长外延层200，由于介质隔离结构12上不能生长外延材料，因此每个单元区间的外延层200相互独立，每个单元区间的外延层之间形成沟道。这样，在外延工艺结束后，各个pn结之间可以实现完全的电隔离。之后，与实施例一相同，在外延层上制作阻挡层、在沟道内填充介质材料、化学机械抛光、去除阻挡层实现表面平坦化，如图14所示。
后续制作电极和串联芯片单元的步骤也与实施例一相同。
由于本发明选择在传统的芯片制造前先实现芯片间的电隔离、沟道填充、及芯片表面的平坦化，不仅可以与目前的芯片制造技术完全兼容，而且也简化了整个工艺制程，有利于整个芯片制程的稳定性及高压直流LED技术的实现。
本发明的高压直流LED采用了有效的阵列结构设计，当给芯片提供稳定的恒流输出时，有效的保证了芯片亮度的均匀性，对于1W以上的大功率LED，可以通过减少输入电流的方式提高芯片的亮度及散热效率。这种采用低电流进行驱动的方式，将会有效的减少芯片在工作时产生的热量，进一步提高芯片的可靠性、延长芯片的使用寿命，同时，也降低了整个LED产业中芯片散热设计的难度，更加有利于加速LED光源的普及。
本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
Claims (3)
1.一种高压直流发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在生长衬底表面制作介质隔离结构，将生长衬底划分成多个单元区间，然后清洗生长衬底；
2)利用外延横向生长技术生长外延层，所述外延层至少包括N型半导体层、有源层和P型半导体层，所述介质隔离结构使每个单元区间上生长的外延层相互电隔离，每个单元区间的外延层之间形成沟道；
3)在外延层表面涂敷一层有机薄膜作为阻挡层；
4)在所述沟道内填充介质材料；
5)利用化学机械抛光技术抛光至阻挡层；
6)清洗抛光后的表面,去除阻挡层，完成表面平坦化处理；
7)在每个单元区间的外延层上制作P电极和N电极，形成多个相互独立的芯片单元，并在多个芯片单元之间制作金属互连线依次将多个芯片单元串联，从而形成发光二极管芯片；其中，每一条金属互连线在水平面上的投影与其所在的沟道垂直。
2.根据权利要求1所述高压直流发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤1)中所述的单元区间为菱形。
3.根据权利要求1所述高压直流发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤2)中生长的N型半导体层为N型GaN层，P型半导体层为P型GaN层，有源层为GaN基量子阱层。
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