CN108493306B - 一种高压高功率GaN基LED阵列芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高压高功率GaN基LED阵列芯片的制备方法，属于光电子高功率发光器件技术领域。本发明一方面可实现单颗LED芯片的高压高功率特性,另一方面避免了后续封装时对大量微米级芯片集成的困难，降低了对封装设备和工艺的要求。利用本发明可以大幅度提高微米LED的器件性能。对微米LED用于各种新兴产业具有重要的实用及指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及光电子高功率发光器件，具体涉及一种高压高功率GaN基LED阵列芯片的制备方法。
背景技术
随着LED产业日趋成熟，LED节能绿色光源已经取代相当一部分白炽灯，荧光灯等，广泛运用于照明，显示，生物医疗等领域。近年来，微米LED的优良光电特性得到了很多研究小组的关注，基于微米LED的各种新兴运用也在如火如荼的展开研究，例如微米平板显示、光互联、可见光通讯、可穿戴设备、生物检测成像等。
更高更广泛的应用，对LED芯片性能提出的更高的要求。然而，由于传统LED芯片droop效应严重，散热不良等问题，制约着大功率LED的应用和发展。为解决大电流注入问题,微米LED从根本上提供了一种可能性。诸多研究表明，微米LED可以耐受KA/cm2级电流密度，并且droop效应得到大幅度缓解。为获得较高的工作电压和较大的功率输出,目前产业界常用手段是将多个LED单颗芯片进行串并联。但是其微米级尺寸使得单颗芯片间的串联工艺难度较大成本较高，同时芯片级的串联工作模式下有效发光面积减少也使得器件的输出光功率有限，它制约着微米LED在更多新兴领域的应用。
发明内容
本发明目的是提供一种高压高功率GaN基LED阵列芯片的制备方法，解决了目前微米级LED光功率低、散热不良及封装工艺难度大的问题，实现了GaN基微米LED高压高功率性能目标。
本发明提供的技术方案如下：
一种高压高功率GaN基LED阵列芯片的制备方法，具体步骤如下：
1)GaN基外延片上蒸镀一层ITO作为电流扩展层；
2)通过光刻，曝光，显影，制备出微米LED阵列图形区；
3)利用ICP刻蚀在图形区制备出若干LED微米柱(发光区域)；
4)第二次光刻，曝光，显影，制备出深刻蚀沟道图形；等离子体深刻蚀出向下延伸至蓝宝石表面的深刻蚀沟道，将若干LED微米柱划分成几个独立的阵列单元；
5)第三次光刻，曝光，显影出N型GaN区域，沉积N型电极金属；
6)大面积蒸镀AlN绝缘层；
7)第四次光刻，曝光，显影，光刻胶选择微米LED顶层及部分N电极顶层区域，去除该部分绝缘层，并蒸镀P型反射电极；
8)第五次光刻，曝光，显影，在各个LED阵列单元沉积各自的焊盘金属，实现阵列内所有LED并联；
9)在散热基板上利用金属化技术，沉积金属焊盘；
10)将散热基板与芯片精准焊接，实现各个阵列间串联。
本发明工艺简单，而且兼容传统LED制作工艺，方便可靠。另外，通过电极结构设计实现电流均匀扩展，并采用散热良好的散热基板结合共晶倒装焊工艺实现串联，加之改善绝缘层材料，使得器件散热性能良好，大大提高了芯片的可靠性。
本发明的优点如下：
1.芯片排布优化,同时环绕式大面积N-pad利于电流扩展及散热；
2.本发明使得微米LED发热层与焊盘金属热沉共晶键合，大大提高芯片散热能力；
3.倒装焊接的出光表面可方便的植入与微米LED阵列匹配的透镜阵列，提高光的提取效率和光的方向性。
附图说明
图1～图10是实现高压高功率微米LED芯片工艺的结构剖面流程图；
其中：0为外延层，1为蓝宝石，2为非掺GaN层，3为n-GaN层，4为ITO,5为N电极，6为AlN绝缘层，7-1为N反射电极，7-2为P反射电极，8-1为N金属焊盘，8-2为P金属焊盘，9为减薄抛光后蓝宝石，10为散热基板，11为基板上金属焊盘。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
蓝宝石衬底LED外延片经过酸洗、有机清洗、去离子水冲洗至表面无沾污、无氧化层并烘干后，蒸镀一层ITO作为电流扩展层，如图1所示；
匀胶机涂布光刻胶，通过曝光、显影，形成若干台面阵列光刻图形，图形尺寸5-200微米，台面图形的个数决定于微米LED的个数，这里以三个为例；
利用ICP干法刻蚀，刻蚀掉未被光刻胶保护的区域至3结构层形成台面，台面尺寸为5-200微米，如图2所示；
匀胶机涂布光刻胶，通过曝光、显影，形成阵列间的隔离区域，具体有若干个相关隔离的LED阵列单元；
等离子体深刻蚀未被光刻胶保护的区域至结构层上表面形成阵列隔离区，如图3所示；隔离区的个数和尺寸决定于阵列中的集成的微米LED数目；
匀胶机涂布光刻胶，通过曝光、显影，光刻胶保护台面及深刻蚀隔离区域；
用电子束蒸发沉积N型金属电极层Cr/Pt/Au 5,剥离光刻胶后形成大面积环绕N电极，如图4所示；
利用化学气相沉积绝缘层AlN；
匀胶机涂布光刻胶，通过曝光、显影，光刻胶选择保护区域，如图5所示；
湿法腐蚀无光刻胶保护的区域，形成绝缘结构层；
用电子束蒸发沉积反射金属电极层Ni/Ag/Ni/Cr/Pt/Au，剥离光刻胶后形成被绝缘层隔离开的P电极区域与N电极区域，如图6所示；
匀胶机涂布光刻胶，通过曝光、显影，光刻胶选择保护区域，用电子束蒸发沉积焊盘金属层AuSn，剥离光刻胶后，N金属焊盘覆盖阵列内所有台面，形成并联电流通道，如图7所示；
减薄抛光背面蓝宝石，最终形成结构如图8所示；
散热基板利用化学气相沉积绝缘层AlN；
金属化沉积焊盘金属层AuSn，与外延片上焊盘电极结构对应，如图9所示；
使用精准共晶焊仪器，显微对准LED芯片与散热基板，实现各个阵列间串联，完成所有高压高功率微米LED芯片基本结构，如图10所示。
上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的变换和修改，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
Claims (4)
1.一种高压高功率GaN基LED阵列芯片的制备方法，具体步骤如下：
1)GaN基外延片上蒸镀一层ITO作为电流扩展层；
2)通过光刻、曝光、显影，制备出LED阵列图形区，图形尺寸5-200微米，每个LED尺寸为微米级；
3)在图形区制备出若干LED微米柱；
4)第二次光刻，曝光，显影，制备出深刻蚀沟道图形；等离子体深刻蚀出向下延伸至蓝宝石表面的深刻蚀沟道，将若干LED微米柱划分成几个独立的阵列单元；
5)第三次光刻，曝光，显影出N型GaN区域，沉积N型电极金属；
6)大面积蒸镀绝缘层；
7)第四次光刻，曝光，显影，光刻胶选择微米LED顶层及部分N电极顶层区域，去除该部分绝缘层，并蒸镀P型反射电极；
8)第五次光刻，曝光，显影，在各个LED阵列单元沉积各自的焊盘金属，实现阵列内所有LED并联；
9)在散热基板上利用金属化技术，沉积金属焊盘；
10)使用精准共晶焊仪器，将散热基板与芯片精准焊接，实现各个阵列间串联。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中外延片首先经过酸洗、有机清洗后烘干。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)采用ICP刻蚀制备LED微米柱。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤6)中绝缘层为AlN。
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