CN114759136B - 一种miniLED芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED技术领域，具体涉及一种mini LED芯片及其制作方法，该芯片包括蓝宝石衬底、键合层、P型半导体层、发光层、N型半导体层、P接触电极、N接触电极、石墨导热层、钝化层、P电极和N电极；石墨导热层由氧化钛和石墨组成；钝化层与石墨导热层相对应的表面设计贯穿钝化层的散热孔，散热孔用石墨回填且与石墨导热层相接触。本发明通过在mini LED芯片中加入石墨导热层，同时在钝化层表面设计散热孔并用石墨回填，利用石墨超强的导热能力，可以有效将mini LED芯片工作时产生的热量传导出去，降低芯片自身的温度，提高芯片光电性能的稳定性，进而有效延长芯片的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，具体涉及一种miniLED芯片及其制作方法。
背景技术
Mini LED也就是迷你发光二极管，与普通LED显示屏相比，mini LED的显示屏单位面积密度更高、光源单位尺寸更小，因而可以带来更高的亮度和可控的色域。mini LED芯片由于尺寸小，散热面积有限，且目前的mini LED芯片在制作过程中需要生长较厚的钝化层二氧化硅覆盖在芯片表面，来保证芯片可以正常工作，这样使得芯片散热能力进一步减弱。同时，由于mini LED芯片在工作时，整个芯片的温度会明显升高，使得光电参数发生偏移；而mini LED芯片长期在高温下工作，又会对发光层产生不可逆转的损伤，进而严重影响芯片的使用寿命。因此，急需解决mini LED的散热问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种mini LED芯片及其制作方法，本发明对mini LED芯片进行了重新设计，加入由氧化钛和石墨共同组成的石墨导热层，同时在钝化层表面设计散热孔并用石墨回填，通过利用石墨超强的导热能力，可以有效将mini LED芯片工作时产生的热量传导出去，降低了芯片自身的温度，提高了芯片光电性能的稳定性，进而有效延长芯片的使用寿命。
本发明的第一个目的是提供一种mini LED芯片，包括蓝宝石衬底、键合层、P型半导体层、发光层、N型半导体层、P接触电极、N接触电极、石墨导热层、钝化层、P电极和N电极；
所述石墨导热层由氧化钛和石墨组成；
所述钝化层与所述石墨导热层相对应的表面设计有贯穿所述钝化层的散热孔，所述散热孔用石墨回填且与所述石墨导热层相接触。
本发明通过对mini LED芯片重新设计，加入了由氧化钛和石墨共同组成的石墨导热层；同时将钝化层设置散热孔并填充石墨，可充分利用石墨的导热能力，将热量传导出去，有效降低芯片自身的温度。
进一步的，上述技术方案中，所述石墨导热层设置在所述P接触电极和N接触电极之间的N型半导体层表面上，且不与所述P接触电极和N接触电极接触。
本发明将石墨导热层设置在P接触电极和N接触电极之间且不与其接触，散热效果好，且不会与电极接触而导致漏电等现象，可靠性好。
进一步的，上述技术方案中，所述石墨导热层先沉积氧化钛再沉积石墨，所述氧化钛的厚度为280nm-320nm，所述石墨的厚度为900nm-1100nm，优选的，所述氧化钛的厚度为300nm，所述石墨的厚度为1000nm。
本发明将氧化钛覆盖在外延层N型半导体层表面上，作为过渡层，可有效增强石墨与外延层的粘附性；同时由于氧化钛不导电，可以避免石墨直接与外延层接触导致漏电的风险。
进一步的，上述技术方案中，所述钝化层沉积在所述石墨导热层上，并覆盖整个外延层；所述钝化层为厚度为1800nm-2200nm的氧化硅，优选的，氧化硅的厚度为2000nm。
进一步的，上述技术方案中，所述散热孔的直径为6μm-10μm，数量≥2个，并均匀分布在所述石墨导热层的正上方。本技术方案中通过设置若干贯穿钝化层的散热孔，并填充石墨，与石墨导热层的石墨连通，可充分利用石墨超强的导热能力将mini LED的热量传导出去，进一步提高芯片的散热能力。
进一步的，上述技术方案中，所述散热孔的直径为8μm，以3个×3个的排列方式均匀分布在所述石墨导热层的正上方。
进一步的，上述技术方案中，所述P电极和所述N电极分别位于所述钝化层两侧不与散热孔接触的区域。
本发明的第二个目的是提供一种mini LED芯片的制作方法，包括以下具体步骤：
S1、提供一GaAs衬底，依次外延生长N型半导体层、发光层、P型半导体层；
S2、通过碘酸溶液对P型半导体层表面进行粗化处理；
S3、在粗化处理后的P型半导体层表面沉积键合层SiO2；具体，所述SiO2的沉积厚度为3μm；
S4、提供一蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底光滑一侧沉积键合层SiO2；具体地，所述SiO2的沉积厚度为3μm；
S5、将P型半导体层表面沉积键合层一面与蓝宝石的键合层一面对齐接触，在高温高压下完成两者的键合；
S6、通过化学溶液将GaAs衬底腐蚀去除，露出N型半导体层；
S7、利用ICP干法刻蚀将部分N型半导体层和发光层刻蚀干净，露出P型半导体层；
S8、在露出的P型半导体层表面蒸镀P接触电极；
S9、在N型半导体层表面蒸镀N接触电极；
S10、在N型半导体层表面通过磁控溅射依次镀上氧化钛和石墨，形成石墨导热层；
S11、在石墨导热层表面沉积钝化层氧化硅，并通过ICP在钝化层上刻蚀出若干散热孔以及P接触孔和N接触孔；
S12、在散热孔内通过磁控溅射回填石墨；
S13、同时蒸镀制作P电极和N电极所需的金属材料，制作P电极和N电极；
S14、切割，完成mini LED芯片制作。
进一步的，上述技术方案S5中，所述键合的条件为：温度为450℃，压力为15000kg。
进一步的，上述技术方案S6中，所述化学溶液为氨水和双氧水的混合溶液。
本发明与现有技术相比，其有益效果有：
1、本发明通过在mini LED芯片中加入石墨导热层，先在外延层的N型半导体层上覆盖氧化钛，然后覆盖石墨，其中氧化钛充当过渡层可增强石墨与外延层的粘附性，同时由于其不导电，可有效避免石墨直接与外延层接触而导致漏电的风险，扩大散热面积、降低温度的同时，可提高芯片的可靠性。
2、本发明在钝化层表面设置贯穿钝化层的散热孔，同时用石墨回填散热孔，可将石墨导热层与散热孔直接相连，利用石墨超强的导热能力，有效将mini LED芯片工作时产生的热量传导出去，进一步提高了芯片的散热能力，降低芯片的自身温度。
3、本发明制备方法得到的mini LED结构，热量传导效果好，散热快，可避免光电参数发生偏移，提高芯片光电性能的稳定性，有效延长芯片的使用寿命。
附图说明
图1为本发明mini LED芯片截面结构示意图；
图2为本发明S8制作完P接触电极后的芯粒结构示意图；
图3为本发明S9制作完N接触电极后的芯粒结构示意图；
图4为本发明S10制作完石墨导热层后的芯粒结构示意图；
图5为本发明S11制作完散热孔后的芯粒结构示意图；
图6为本发明S13制作完P电极、N电极后的芯粒结构示意图。
示意图中标号说明：
1、P型半导体层；2、P接触电极；3、N型半导体层；4、N接触电极；5、石墨导热层；6、钝化层；7、散热孔；8、P电极；9、N电极；10、键合层；11、蓝宝石衬底；12、发光层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
请参阅图1至图6，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
本发明的实施例中提供一种miniLED芯片，其截面结构示意图如图1所述，自下而上依次包括蓝宝石衬底11、键合层10、P型半导体层1、发光层12、N型半导体层3，P接触电极2、N接触电极4、石墨导热层5、钝化层6、散热孔7、P电极8和N电极9。
具体地，所述石墨导热层5设置在所述P接触电极2和所述N接触电极4之间的N型半导体层3表面上，且不与所述P接触电极2和N接触电极4接触；所述石墨导热层5由氧化钛和石墨组成，其中，氧化钛直接覆盖在外延层的N型半导体层3上，石墨覆盖在氧化钛上面，氧化钛作为过渡层，可有效增强石墨与外延层的粘附性，同时由于氧化钛不导电，避免了石墨直接与外延层接触而导致漏电的问题，在增大散热面积、提高散热性能的同时可提高芯片的可靠性；所述氧化钛的厚度为280nm-320nm，所述石墨的厚度为900nm-1100nm；
具体地，所述钝化层6生长在所述石墨导热层5上，并覆盖整个外延层，所述钝化层6为1800nm-2200nm厚的氧化硅，在所述钝化层6表面与所述石墨导热层5相对应的位置设有≥2个的贯穿钝化层6的散热孔7，散热孔7由石墨回填且与石墨导热层5相接触，散热孔7的直径为6μm-10μm，均匀的分布在石墨导热层5的正上方。
为了保证mini LED能够正常工作，一般会在芯片制作过程中生长较厚的钝化层覆盖在芯片表面，但是这样会减弱芯片的散热能力。因此，本发明中在钝化层表面设置多个散热孔，同时用石墨回填并与石墨导热层相连通，可有效将LED芯片的热量传导出去，进一步提高散热能力。
通过上述两个结构相结合，利用石墨超强的导热能力，可有效的将mini LED芯片工作时产生的热量传导出去，降低芯片自身的温度，提高芯片光电性能的稳定性，进而有效延长芯片的使用寿命。
具体地，P电极8和N电极9位于钝化层6两侧不与散热孔7接触的区域。P电极和N电极下方不设置散热孔，不会影响P电极和N电极的导电性能，可有效保证LED的可靠性。
本发明的另一实施例中提供一种mini LED芯片的制作方法，包括以下具体步骤：
S1、提供一GaAs衬底，将衬底放入MOCVD内，依次外延生长N型半导体层3、发光层12、P型半导体层1；
S2、将步骤S1生长的外延片在碘酸溶液内浸泡2min-3min，取出后冲水旋干，完成对P型半导体层1表面的粗化处理；
S3、在粗化处理后的P型半导体层1表面沉积厚度为3μm的SiO2作为键合层；
S4、提供一蓝宝石衬底11，在衬底光滑一面同样沉积厚度为3μm的SiO2作为键合层；
S5、将S4中P型半导体层1表面的键合层和蓝宝石表面的键合层通过物理抛光后对齐贴合在一起，放入到键合机内，在温度为450℃，压力为15000kg条件下完成两者的键合；
S6、将键合后的片源放入到氨水和双氧水的混合溶液内，通过化学腐蚀的方法去除GaAs衬底，露出N型半导体层3；
S7、在N型半导体层3表面利用正性光刻胶做掩膜图像，通过ICP干法蚀刻将没有光刻胶覆盖区域的N型半导体层3和发光层12刻蚀干净，露出P型半导体层1；
S8、通过负胶做掩膜图形，在露出的P型半导体层1表面蒸镀金属，制作P接触电极2；其所制作完P接触电极后的芯粒示意图如图2所示；
S9、利用负胶做掩膜图形，在N型半导体层3表面远离P接触电极2的一侧制作N接触电极4；其所制作完N接触电极后的芯粒示意图如图3所示；
S10、选择负胶作为掩膜图形，在P接触电极2和N接触电极4之间的N型半导体层3表面，通过磁控溅射依次沉积280nm-320nm的氧化钛和900nm-1100nm的石墨，制作石墨导热层5；其所制作完石墨导热层后的芯粒示意图如图4所示；
S11、在石墨导热层5上方沉积厚度为1.8μm-2.2μm的SiO2作为钝化层6，该钝化层6覆盖整个外延结构，通过ICP同时将散热孔7和P接触孔、N接触孔刻蚀出来，P接触孔、N接触孔直径15μm，散热孔直径为6μm-10μm，数量≥2个，且均匀分布在石墨导热层5的正上方。具体的，散热孔可以按3个×3个排列方式均匀分布在石墨导热层5正上方，直径为8μm，其所制作完散热孔后的芯粒示意图如图5所示；
S12、利用负胶做掩膜图形，通过磁控溅射将石墨回填至散热孔7内；
S13、同时蒸镀制作P电极8和N电极9所需的金属材料，N电极9和P电极8分别通过接触孔与各自的接触电极相连，其所制作完P电极、N电极后的芯粒示意图如图6所示；
S14、通过自动切割机将所制作的芯粒分割成一颗颗miniLED芯片。
综上所述，本发明通过对mini LED芯片进行重新设计，加入由氧化钛和石墨共同组成的石墨导热层，同时在钝化层表面设计了散热孔并用石墨回填，通过利用石墨超强的导热能力，可以有效将mini LED芯片工作时产生的热量传导出去，降低芯片自身的温度，提高芯片光电性能的稳定性，进而有效延长芯片的使用寿命。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种miniLED芯片，其特征在于，包括蓝宝石衬底、键合层、P型半导体层、发光层、N型半导体层、P接触电极、N接触电极、石墨导热层、钝化层、P电极和N电极；
所述石墨导热层由氧化钛和石墨组成；
所述钝化层与所述石墨导热层相对应的表面设计有贯穿所述钝化层的散热孔，所述散热孔用石墨回填且与所述石墨导热层相接触。
2.根据权利要求1所述的一种mini LED芯片，其特征在于，所述石墨导热层设置在所述P接触电极和N接触电极之间的N型半导体层表面，且不与所述P接触电极和N接触电极接触。
3.根据权利要求2所述的一种mini LED芯片，其特征在于，所述石墨导热层先沉积氧化钛再沉积石墨，所述氧化钛的厚度为280nm-320nm，所述石墨的厚度为900nm-1100nm。
4.根据权利要求1所述的一种mini LED芯片，其特征在于，所述钝化层沉积在所述石墨导热层上，并覆盖整个外延层；所述钝化层为厚度为1800nm-2200nm的氧化硅。
5.根据权利要求1所述的一种mini LED芯片，其特征在于，所述散热孔的直径为6μm-10μm，数量≥2个，并均匀分布在所述石墨导热层的正上方。
6.根据权利要求5所述的一种mini LED芯片，其特征在于，所述散热孔的直径为8μm，以3个×3个的排列方式均匀分布在所述石墨导热层的正上方。
7.根据权利要求1所述的一种mini LED芯片，其特征在于，所述P电极和所述N电极位于所述钝化层两侧不与散热孔接触的区域。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种mini LED芯片的制作方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1、提供一GaAs衬底，自下而上依次外延生长N型半导体层、发光层、P型半导体层；
S2、通过碘酸溶液对P型半导体层表面进行粗化处理；
S3、在粗化处理后的P型半导体层表面沉积键合层SiO2；
S4、提供一蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底光滑一侧沉积键合层SiO2；
S5、将P型半导体层表面沉积键合层一面与蓝宝石的键合层一面对齐接触，在高温高压下完成两者的键合；
S6、通过化学溶液将GaAs衬底腐蚀去除，露出N型半导体层；
S7、利用ICP干法刻蚀将部分N型半导体层和发光层刻蚀干净，露出P型半导体层；
S8、在露出的P型半导体层表面蒸镀P接触电极；
S9、在N型半导体层表面蒸镀N接触电极；
S10、在N型半导体层表面通过磁控溅射依次镀上氧化钛和石墨，形成石墨导热层；
S11、在石墨导热层表面沉积钝化层氧化硅，并通过ICP在钝化层上刻蚀出若干散热孔以及P接触孔和N接触孔；
S12、在散热孔内通过磁控溅射回填石墨；
S13、同时蒸镀制作P电极和N电极所需的金属材料，制作P电极和N电极；
S14、切割，完成miniLED芯片制作。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，S5中，所述键合的条件为：温度为450℃，压力为15000kg。
10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，S6中，所述化学溶液为氨水和双氧水的混合溶液。
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