CN103378220A - 一种高压发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压发光二极管芯片的制备方法，包括步骤：S11、在衬底上生长出具有缓冲层、n型氮化物层、发光层和p型氮化物层的外延片；S12、在外延片上刻蚀出多个间隔排列的第一沟槽；S13、在每个第一沟槽的底壁上刻蚀出第二沟槽，相邻第二沟槽之间形成单个微晶；S14、在相邻微晶的负极和正极之间形成第一钝化层；S15、在p型氮化物层表面形成金属反射层；S16、在相邻微晶的负极和正极之间沉积微晶连线，同时预形成芯片正负电极；S17、在除芯片正负电极之外的区域形成第二钝化层；S18、加厚预形成的芯片正负电极；S19、将芯片正负电极与金属化导热陶瓷基板上的正负极共晶层共晶键合。本发明能有效提高芯片的使用寿命和出光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种高压发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
在LED普通照明市场上，目前为止主要使用的是传统的直流发光二极管（DC LED）芯片，而DC LED芯片一般是在大电流低电压下工作，为了提升使用电压并满足照明所需要的光通量，一般采用集成封装（COB）结构，即将多颗DC LED芯片串并联。而高压发光二极管（HV LED）直接在芯片级就实现了微晶粒的串并联，芯片级串并联有以下优势：第一，HV LED避免了COB结构中芯片间Bin内（传统芯片在出货给封装厂时是分Bin的，即按接近的光电参数分档出货）如波长、电压、亮度跨度带来的一致性问题；第二，HV LED由于自身工作电压高，容易实现封装成品工作电压接近市电，提高了驱动电源的转换效率，由于工作电流低，其在成品应用中的线路损耗也将明显低于传统DC LED芯片；第三，HV LED减少了芯片的固晶和键合数量，有利于降低封装的成本。因此，HV LED在照明市场上具有广阔的使用前景。
但是，本发明的发明人在对现有技术研究和实践中发现：现有的HV LED使用一段时间后，易出现出光效率下降和使用寿命缩短等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压发光二极管芯片及其制备方法，能有效提高高压发光二极管芯片的使用寿命和出光效率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高压发光二极管芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：
S11、在衬底上生长出具有缓冲层、n型氮化物层、发光层和p型氮化物层的外延片；
S12、在外延片上刻蚀出多个间隔排列的第一沟槽，每个第一沟槽的深度刻蚀至n型氮化物层；
S13、在每个第一沟槽的底壁上刻蚀出第二沟槽，第二沟槽的深度刻蚀至衬底且刻蚀宽度小于台阶的刻蚀宽度，在外延片上形成多个间隔排列的微晶；
S14、在相邻微晶的负极和正极之间形成第一钝化层；
S15、在p型氮化物层表面形成金属反射层；
S16、在相邻微晶的负极和正极之间沉积微晶连线，在外延片左端的金属反射层上形成正电极，以及在外延片右端的n型氮化物层上形成负电极；
S17、在除芯片正负电极之外的区域形成第二钝化层；
S18、在正电极和负电极上分别加厚正负电极；
S19、提供金属化导热陶瓷基板，所述金属化导热陶瓷基板包括导热陶瓷基板，在导热陶瓷基板上形成的正极金属层区和负极金属层区，在所述正极金属层区上形成的正极共晶层，在所述负极金属层区上形成的负极共晶层；将所述正电极与正极共晶层共晶键合，所述负电极与负极共晶层共晶键合。
本发明还提供一种高压发光二极管芯片，包括在衬底上顺序设有缓冲层、n型氮化物层、发光层和p型氮化物层的外延片，在外延片上刻蚀有多个间隔排列的第一沟槽，每个第一沟槽刻蚀至n型氮化物层，在每个第一沟槽的底壁上刻蚀有第二沟槽，每个第二沟槽刻蚀至衬底、且刻蚀宽度小于第一沟槽，所述第二沟槽之间形成微晶，在相邻微晶的负极和正极之间设有第一钝化层，在p型氮化物层表面设有金属反射层，在相邻微晶的负极和正极之间设有微晶连线，在外延片左端的金属反射层上形成正电极，在外延片右端的n型氮化物层上形成负电极，在除芯片正负电极之外的区域设有第二钝化层，芯片的正电极与金属化导热陶瓷基板上正极金属层区形成的正极共晶层共晶键合，芯片的负电极与金属化导热陶瓷基板上负极金属层区形成的负极共晶层共晶键合。
本发明提供的高压发光二极管芯片及其制备方法中，采用晶片级倒装工艺制作，能够形成更好的散热通道，形成后的芯片可以通过导热陶瓷材料和包覆的金属层区散热，散热效率高，使用寿命长，而现有的芯片通过外延片衬底例如蓝宝石散热，散热效率低，影响芯片使用寿命。采用倒装工艺，芯片的光从外延片的衬底方向出射，不从P层射出，因而各微晶P层上的金属电极不会阻碍光的出射；同时，在沉积芯片正电极和微晶正电极之前先沉积有一层金属反射层，因而能够使出射光最大程度的从衬底一侧出射，有效提高了芯片的出光效率。
附图说明
图1是本发明提供的HV LED芯片制备方法的流程示意图。
图2是本发明提供的HV LED芯片制备方法中外延片的结构示意图。
图3是本发明提供的HV LED芯片制备方法中形成第一沟槽后的结构示意图。
图4是本发明提供的HV LED芯片制备方法中形成第二沟槽后的结构示意图。
图5是本发明提供的HV LED芯片制备方法中形成第一钝化层后的结构示意图。
图6是本发明提供的HV LED芯片制备方法中形成金属反光层后的结构示意图。
图7是本发明提供的HV LED芯片制备方法中形成微晶连线和芯片正负电极后的结构示意图。
图8是本发明提供的HV LED芯片制备方法中形成第二钝化层后的结构示意图。
图9是本发明提供的HV LED芯片制备方法中加厚芯片正负电极后的结构示意图。
图10是本发明提供的HV LED芯片制备方法中金属化导热陶瓷基板的结构示意图。
图11是本发明提供的HV LED芯片制备方法中金属化陶导热瓷基板形成共晶层后的结构示意图。
图12是将图9中的HV LED芯片晶圆倒置共晶键合到图11中的金属化导热陶瓷基板上的结构示意图。
具体实施方式
本发明的发明人研究发现，现有的HV LED主要运用在2瓦以上的大功率照明上，在长期工作的情况下，驱动电流将会引起芯片内部热量的大量产生，导致光波长漂移，出光效率下降和荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。除此之外，现有的HV LED主要采取正装工艺，光从P层射出，即正负电极位于芯片的同侧，因而芯片中各微晶P层上金属电极的存在会吸光，会阻碍光的出射，降低了HV LED芯片的出光效率。
为解决上述问题，在HV LED芯片的制备过程中，本发明发明人通过提高散热效率来延长HV LED的使用寿命。具体通过采用晶片级倒装工艺，来形成更好的散热通道，并且形成后的芯片通过导热陶瓷材料和包覆的金属层区散热，从而提高散热效率，并且采用倒装工艺能够提高芯片的出光效率。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参考图1所示，本发明提供一种高压发光二极管芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：
S11、在衬底上生长出具有缓冲层、n型氮化物层、发光层和p型氮化物层的外延片；
S12、在外延片上刻蚀出多个间隔排列的第一沟槽，每个第一沟槽的深度刻蚀至n型氮化物层；
S13、在每个第一沟槽的底壁上刻蚀出第二沟槽，第二沟槽的深度刻蚀至衬底且刻蚀宽度小于台阶的刻蚀宽度，在外延片上形成多个间隔排列的微晶；
S14、在相邻微晶的负极和正极之间形成第一钝化层；
S15、在p型氮化物层表面形成金属反射层；
S16、在相邻微晶的负极和正极之间沉积微晶连线，在外延片左端的金属反射层上形成正电极，以及在外延片右端的n型氮化物层上形成负电极；
S17、在除芯片正负电极之外的区域形成第二钝化层；
S18、在正电极和负电极上分别加厚正负电极；
S19、提供金属化导热陶瓷基板，所述金属化导热陶瓷基板包括导热陶瓷基板，在导热陶瓷基板上形成的正极金属层区和负极金属层区，在所述正极金属层区上形成的正极共晶层，在所述负极金属层区上形成的负极共晶层；将所述正电极与正极共晶层共晶键合，所述负电极与负极共晶层共晶键合。
本发明提供的高压发光二极管芯片制备方法中，采用晶片级倒装工艺制作，能够形成更好的散热通道，形成后的芯片可以通过导热陶瓷材料和包覆的金属层区散热，散热效率高，使用寿命长，而现有的芯片通过外延片衬底例如蓝宝石散热，散热效率低，影响芯片使用寿命。采用倒装工艺，芯片的光从外延片的衬底方向出射，不从P层射出，因而各微晶P层上的金属电极不会阻碍光的出射；同时，在沉积芯片正电极和微晶正电极之前先沉积有一层金属反射层，因而能够使出射光最大程度的从衬底一侧出射，有效提高了芯片的出光效率。
以下将通过具体实施方式介绍本发明提供的HV LED芯片的制备方法。
请参考图2所示，所述步骤S11中，在衬底101上生长出具有缓冲层102、n型氮化物层103、发光层104和p型氮化物层105的外延片；其中，所述衬底101的材料可选用Al2O3，其外延片的具体生长方法可采用本领域技术人员所熟知的MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相淀积）技术，因此不再赘述。
请参考图3所示，所述步骤S12中，在外延片上刻蚀出多个间隔排列的第一沟槽，每个第一沟槽的深度刻蚀至n型氮化物层；其中，所述第一沟槽的刻蚀可以采用光刻和感应耦合等离子体（ICP）技术完成，具体可利用光刻技术形成具有所需图案的光刻胶保护层，再利用ICP技术对未被光刻胶保护的部分进行第一沟槽刻蚀，确保刻蚀至n型氮化物层比如GaN区域，然后用去胶液去除光刻胶，由此可以在每颗芯片上刻蚀出数十至上百个第一沟槽，每个第一沟槽间隔排列在外延片上。作为一种具体的实施例，所述第一沟槽的刻蚀宽度为30-35微米，深度为1.4-1.6微米；其中，所述第一沟槽的宽度与光刻技术中使用的掩膜版的设计有关，一般略大于芯片负极的尺寸。
请参考图4所示，所述步骤S13中，在每个第一沟槽的底壁上刻蚀出第二沟槽，第二沟槽的深度刻蚀至衬底且刻蚀宽度小于第一沟槽的刻蚀宽度，由此在外延片上形成多个间隔排列的微晶；其中，所述第二沟槽的刻蚀与第一沟槽的刻蚀类似，也可采用光刻和感应耦合等离子体（ICP）技术完成，具体可利用光刻技术形成具有所需图案的光刻胶保护层，再利用ICP技术对未被光刻胶保护的部分进行刻蚀以形成第二沟槽，确保刻蚀至衬底层比如Al2O3区域，然后用去胶液去除光刻胶，由此可以在每个第一沟槽的底壁上刻蚀出第二沟槽，且刻蚀宽度小于第一沟槽的刻蚀宽度。至此，相邻第二沟槽之间的外延片部分即为一个微晶，由此在外延片上形成多个间隔排列的微晶，而第二沟槽达到隔离相邻微晶的作用。作为一种具体的实施例，所述第二沟槽的刻蚀宽度为10-15微米，在衬底上的刻蚀深度为1-2微米。
请参考图5所示，所述步骤S14中，在相邻微晶的负极和正极之间形成第一钝化层106，即在第二沟槽和第二沟槽邻接的微晶侧面形成第一钝化层；其中，形成第一钝化层的方法可以利用PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积）技术，在芯片的表面进行沉积，然后利用BOE（Buffered Oxide Etch，氧化物缓冲腐蚀剂）腐蚀液对p型氮化物层以及每个微晶本身的p型氮化物层与第一沟槽底部之间的钝化层进行腐蚀，使每个微晶的正负电极和发光区露出来，以便能够在p型氮化物层上沉积微晶电极，由此在相邻微晶的负极和正极之间形成第一钝化层106。在相邻微晶的负极和正极之间形成第一钝化层，可以隔绝后续微晶间的金属连线与发光层和n型氮化物层的导通，以保证微晶之间的电流能够从一颗微晶的负极流向相邻微晶的正极，达到导通整个微晶芯片的目的。作为一种具体的实施例，所述第一钝化层的材料为二氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）。
请参考图6所示，所述步骤S15中，在p型氮化物层105表面形成金属反射层107。其中，所述金属反射层的形成可以采用光刻技术和蒸镀技术完成，具体先在芯片的表面利用光刻技术形成具有所需图案的光刻胶保护层，即在第一沟槽和第二沟槽区域形成光刻保护胶，再利用蒸镀工艺对未被光刻胶保护的区域即p型氮化物层表面蒸镀一层金属反射层，最后将光刻胶保护层去除，由此在p型氮化物层表面形成金属反射层。作为一种具体的实施例，所述金属反射层的材料为银（Ag）或铝（Al），所述金属反射层的厚度一般为100-200纳米。
请参考图7所示，所述步骤S16中，在相邻微晶的负极和正极之间沉积微晶连线108，在外延片左端的金属反射层上形成芯片的正电极109，以及在外延片右端的n型氮化物层上形成芯片的负电极110。其中，所述微晶连线和正负电极的材料选自铬（Cr）/铂（Pt）/金（Au）、铬（Cr）/钛（Ti）/金（Au）和钛（Ti）/铝（Al）/钛（Ti）/金（Au）中的一种，沉积的方法可以采用光刻和电子束蒸发技术完成。作为一种具体的实施例，先在外延片的表面利用光刻技术形成具有所需图案的光刻胶保护层，在未被光刻胶保护的外延片表面上沉积所述微晶连线和正负电极，所述微晶连线和正负电极的材料包括顺序沉积的铬（Cr）、铂（Pt）和金（Au），即分三次用电子束蒸发沉积，沉积的厚度为100-150纳米，然后用去胶液去除光刻胶保护层，以便在相邻微晶的负极和正极之间形成微晶连线108，即同一微晶的正极和负极之间没有微晶连线。同时，在外延片左端第一个微晶上的金属反射层107表面的Cr层、Pt层和Au层需要保留，实现芯片正电极109的预沉积，相应地，外延片右端最后一个微晶上的n型氮化物层103表面的Cr层、Pt层和Au层也需要保留，实现芯片负电极110的预沉积。所述正电极109和负电极110的预沉积，其目的是为了在后续使用化学还原镀的方法时能够有效在电极表面上增厚芯片正负电极。具体地，当微晶连线退火以后就是晶态，选择Au是因为其优良的导电性能。当然，本领域的技术人员根据前述的介绍，还可以选用其它的材料替换Au线作为微晶连线，例如银（Ag）或铜（Cu）。
请参考图8所示，所述步骤S17中，在除芯片正负电极之外的区域形成第二钝化层111。其中，形成第二保护层的方法可以利用PECVD技术，在芯片的表面沉积第二钝化层，然后利用光刻技术和BOE腐蚀液对芯片正电极（p电极）和负电极（n电极）位置处进行腐蚀，使芯片的正负电极都露出来，而其它的区域都用第二钝化层保护起来。作为一种具体的实施方式，所述第二钝化层的材料为二氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4）。在芯片表面上除正负电极以外的位置设置所述第二钝化层，其主要作用有两个：一是可以有效保护微晶连线，避免后续化学还原镀金时，Au在微晶连线处继续沉积，造成成本浪费；二是对前述第一沟槽刻蚀时裸露的发光层进行保护，降低漏电流的风险。
请参考图9所示，所述步骤S18中，在正电极和负电极上分别加厚正负电极。当所述芯片正负电极的材料为金时，就使用化学还原镀金的方法；当所述芯片正负电极的材料为银或铜时，就使用化学还原镀银或铜的方法，来加厚芯片的正负电极。作为一种具体的实施方式，所述芯片正负电极的材料为金，其化学还原镀金沉积的步骤包括：湿润预沉积的芯片正负电极表面，在预沉积的正负芯片电极表面继续生长金层，清洗电极表面的药水成分。优选地，所述加厚后芯片的正负电极厚度为1.5-2微米，以满足后续封装打线的需求。
请参考图10、11和12所示，所述步骤S19中，提供金属化导热陶瓷基板，所述金属化导热陶瓷基板包括导热陶瓷基板21，在导热陶瓷基板21上形成的正极金属层区211和负极金属层区212，在所述正极金属层区211上形成的正极共晶层221，在所述负极金属层区212上形成的负极共晶层222；将所述正电极109与正极共晶层221共晶键合，所述负电极110与负极共晶层222共晶键合。其中，所述导热陶瓷基板21正面（上面）的金属层用于与芯片正负电极连接，背面（下面）的金属层用于外界的电流导通，导热陶瓷基板21的熔点温度要比包覆的正极和负极金属层区的熔点高；优选地，所述正负极金属层区的材料为金（Au）或铜（Cu）。作为一种具体的实施例，所述正极和负极共晶层采用溅射镀膜沉积形成，在所述导热陶瓷基板21的正极金属层区211上沉积正极共晶层221，在负极金属层区212上沉积负极共晶层222，正负极共晶层材料的共晶点温度比正负极金属层区的熔点温度低。优选地，所述正负极共晶层的材料选自金/锡、硅/铝、硅/金、锡/银、金/锗和铅/锡中的一种。具体在共晶键合的过程中，所述正极共晶层221与芯片的正电极109键合，负极共晶层222与芯片的负电极110键合，键合时的键合温度需要高于正负极共晶层的熔点温度。优选地，共晶键合的温度高于正负极共晶层的熔点温度20-30℃。
至此，本发明提供的HV LED芯片的制备方法已完成芯片前段的制作，本领域的技术人员在前述前段制作的基础上，可以进行芯片后段工艺，从而完成整个HV LED芯片的制作。
本发明还提供一种高压发光二极管芯片，包括在衬底上顺序设有缓冲层、n型氮化物层、发光层和p型氮化物层的外延片，在外延片上刻蚀有多个间隔排列的第一沟槽，每个第一沟槽刻蚀至n型氮化物层，在每个第一沟槽的底壁上刻蚀有第二沟槽，每个第二沟槽刻蚀至衬底、且刻蚀宽度小于第一沟槽，所述第二沟槽之间形成微晶，在相邻微晶的负极和正极之间设有第一钝化层，在p型氮化物层表面设有金属反射层，在相邻微晶的负极和正极之间设有微晶连线，在外延片左端的金属反射层上形成正电极，在外延片右端的n型氮化物层上形成负电极，在除芯片正负电极之外的区域设有第二钝化层，芯片的正电极与金属化导热陶瓷基板上正极金属层区形成的正极共晶层共晶键合，芯片的负电极与金属化导热陶瓷基板上负极金属层区形成的负极共晶层共晶键合。
本发明提供的高压发光二极管芯片中，采用晶片级倒装工艺制作，能够形成更好的散热通道，形成后的芯片可以通过导热陶瓷材料和包覆的金属层区散热，散热效率高，使用寿命长，而现有的芯片通过外延片衬底例如蓝宝石散热，散热效率低，影响芯片使用寿命。采用倒装工艺，芯片的光从外延片的衬底方向出射，不从P层射出，因而各微晶P层上的金属电极不会阻碍光的出射；同时，在沉积芯片正电极和微晶正电极之前先沉积有一层金属反射层，因而能够使出射光最大程度的从衬底一侧出射，有效提高了芯片的出光效率。
其中，所述高压发光二极管芯片的结构与前述制作方法形成的结构相同，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S11、在衬底上生长出具有缓冲层、n型氮化物层、发光层和p型氮化物层的外延片；
S12、在外延片上刻蚀出多个间隔排列的第一沟槽，每个第一沟槽的深度刻蚀至n型氮化物层；
S13、在每个第一沟槽的底壁上刻蚀出第二沟槽，第二沟槽的深度刻蚀至衬底且刻蚀宽度小于台阶的刻蚀宽度，在外延片上形成多个间隔排列的微晶；
S14、在相邻微晶的负极和正极之间形成第一钝化层；
S15、在p型氮化物层表面形成金属反射层；
S16、在相邻微晶的负极和正极之间沉积微晶连线，在外延片左端的金属反射层上形成正电极，以及在外延片右端的n型氮化物层上形成负电极；
S17、在除芯片正负电极之外的区域形成第二钝化层；
S18、在正电极和负电极上分别加厚正负电极；
S19、提供金属化导热陶瓷基板，所述金属化导热陶瓷基板包括导热陶瓷基板，在导热陶瓷基板上形成的正极金属层区和负极金属层区，在所述正极金属层区上形成的正极共晶层，在所述负极金属层区上形成的负极共晶层；将所述正电极与正极共晶层共晶键合，所述负电极与负极共晶层共晶键合。
2.根据权利要求1所述的高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S12中，第一沟槽的刻蚀宽度为30-35微米，深度为1.4-1.6微米。
3.根据权利要求1所述的高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S13中，第二沟槽的刻蚀宽度为10-15微米，在衬底上的刻蚀深度为1-2微米。
4.根据权利要求1所述的高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S14和S17中，第一钝化层和第二钝化层的材料为二氧化硅或氮化硅。
5.根据权利要求1所述的高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S15中，金属反射层的材料为银或铝。
6.根据权利要求1所述的高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S16中，微晶连线和正负电极的沉积厚度为100-150纳米。
7.根据权利要求1所述的高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S16中，微晶连线和正负电极的材料选自铬/铂/金、铬/钛/金和钛/铝/钛/金中的一种。
8.根据权利要求1所述的高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S18中，加厚后芯片的正负电极厚度为1.5-2微米。
9.根据权利要求1所述的高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S19中，正负极金属层区的材料为金或铜。
10.根据权利要求1所述的高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S19中，正负极共晶层的材料选自金/锡、硅/铝、硅/金、锡/银、金/锗和铅/锡中的一种。
11.根据权利要求1所述的高压发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S19中，共晶键合的温度高于正负极共晶层的熔点温度20-30℃。
12.一种高压发光二极管芯片，其特征在于，包括在衬底上顺序设有缓冲层、n型氮化物层、发光层和p型氮化物层的外延片，在外延片上刻蚀有多个间隔排列的第一沟槽，每个第一沟槽刻蚀至n型氮化物层，在每个第一沟槽的底壁上刻蚀有第二沟槽，每个第二沟槽刻蚀至衬底、且刻蚀宽度小于第一沟槽，所述第二沟槽之间形成微晶，在相邻微晶的负极和正极之间设有第一钝化层，在p型氮化物层表面设有金属反射层，在相邻微晶的负极和正极之间设有微晶连线，在外延片左端的金属反射层上形成正电极，在外延片右端的n型氮化物层上形成负电极，在除芯片正负电极之外的区域设有第二钝化层，芯片的正电极与金属化导热陶瓷基板上正极金属层区形成的正极共晶层共晶键合，芯片的负电极与金属化导热陶瓷基板上负极金属层区形成的负极共晶层共晶键合。
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