CN117497681A - 一种Mini-LED芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及Mini‑LED技术领域，具体涉及一种Mini‑LED芯片及其制作方法，该Mini‑LED芯片从下至上依次包括：蓝宝石衬底、键合层、P型半导体层、发光层、N型半导体层、隔离层、P电极、N电极、散热层；散热层为由尖晶石、碳纳米管和氟碳树脂组成的混合乳液喷涂而成的涂层；散热层覆盖住除P电极和N电极的芯片表面。本发明通过在芯片上结构中加入散热层，提高芯片的散热能力，同时通过控制芯片发光层、P型半导体层台面的设置角度以及散热层的厚度，有效提高了芯片光电性能的稳定性和芯片的可靠性，进而延长芯片的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及Mini-LED技术领域，具体涉及一种Mini-LED芯片及其制作方法，更具体涉及一种高可靠性Mini-LED芯片及其制作方法。
背景技术
Mini-LED也就是迷你发光二极管,尺寸小，散热面积有限，芯片散热能力很差。由于Mini-LED芯片的热容量很小，因此，如果积累了一些热量，芯片的连接温度会迅速提高，如果长时间高温工作，寿命会迅速缩短。
此外，由于环境中存在不同程度的静电，会使得Mini-LED芯片的PN结两端积聚一定数量的极性相反的静电电荷，形成不同程度的静电电压，而当静电电压超过LED的最大承受值时，静电电荷将以极短的时间（纳秒）在LED芯片的两个电极间放电，从而产生热量，并在LED芯片内部的导电层、PN结发光层形成1400℃以上的高温，高温导致局部熔融成小孔，从而造成LED漏电、变暗、死灯，短路等现象。
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，通过在芯片上结构中加入散热层，提高芯片的散热能力，同时通过控制芯片发光层、P型半导体层台面的设置角度以及散热层的厚度，有效提高了芯片光电性能的稳定性和芯片的可靠性，进而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，所述Mini-LED芯片从下至上依次包括：蓝宝石衬底、键合层、P型半导体层、发光层、N型半导体层、隔离层、P电极、N电极、散热层；
所述散热层为由尖晶石、碳纳米管和氟碳树脂组成的混合乳液喷涂而成的涂层；
所述散热层覆盖住除P电极和N电极的芯片表面。
碳纳米管具有高的热导率，可以将芯片产生的热量快速传导至支架上，提高芯片的热传导散热能力；尖晶石具有优异的红外发射特性，可以有效的将芯片产生的热量辐射出去；而将上述两种材料分散到氟碳树脂乳液中，并凝聚后可与芯片表面产生良好的结合力，只需喷涂即可。本发明通过在芯片结构中加入由上述材料制备的散热层，可大大提高散热能力，降低芯片自身温度，减少外延层的损伤，提高芯片光电性能的稳定性及可靠性。
进一步的，上述技术方案中所述尖晶石和碳纳米管的粒径均小于100nm，且尖晶石和碳纳米管的质量比为1:2。
进一步的，上述技术方案中，所述混合乳液的固含量大于65%；所述隔离层为300nm厚的氧化硅。
进一步的，上述技术方案中，所述P电极和N电极的厚度均大于10μm，且所述散热层的厚度小于P电极和N电极的厚度。本技术方案中通过将散热层的厚度控制在小于P电极和N电极的厚度，可有效保障散热层具有一定的厚度，从而使得散热层起到良好的散热效果，有效将Mini-LED芯片工作时以及静电释放时产生的热量传递出去，降低了芯片自身的温度，同时还可保证芯片后续可以顺利进行封装。
本发明的第二个目的是提供一种上述Mini-LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
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SiO2作为键合层；
S4、提供一蓝宝石衬底，将外延片的键合层一面与蓝宝石衬底光滑一面对齐接触，完成键合；
S5、通过化学溶液将GaAs衬底腐蚀去除，露出N型半导体层；
S6、利用ICP（电感耦合等离子体）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；
S7、在露出的P型半导体层表面蒸镀P接触电极；
S8、在N型半导体层表面蒸镀N接触电极；
S9、再次利用ICP干法刻蚀将P型半导体层蚀刻干净，并制作切割走道；
S10、在外延片表面沉积隔离层，并在隔离层上制作图案；
S11、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；
S12、在P电极和N电极以外区域喷涂散热层；
S13、将外延片分割成一颗颗Mini-LED芯片。
本技术方案中只需在芯片制作过程中喷涂一层散热层，工艺流程简单，且能在不影响芯片发光效率的情况下，提高芯片散热能力，降低芯片自身的温度，减少对外延层的损伤，提高芯片的稳定性和可靠性，有效延长芯片的寿命。
进一步的，上述技术方案步骤S4中，键合参数为：温度450℃，压力15000kg。
进一步的，上述技术方案步骤S6中，剩余N型半导体层和发光层所形成的台面的侧壁角度为50°-60°。本技术方案中，通过控制台面的侧壁角度，可以有效提高后续散热层在台面侧壁的覆盖能力，使得发光层侧壁也能很好的被散热层覆盖，进一步提高散热能力。
进一步的，上述技术方案步骤S9中，所述切割走道的侧壁角度为70°-80°。走道的侧壁为P型半导体层，主要起到电流传输作用，热量产生较发光层少，通过将切割走道的侧壁角度放宽至70°-80°，在提高散热能力的同时，还可以确保出光效率，不影响芯片的发光性能。
进一步的，上述技术方案步骤S2中，粗化处理的方式为外延片在碘酸溶液内浸泡2min-3min，取出后冲水旋干。
进一步的，上述技术方案步骤S12中，散热层的厚度小于所述P电极和N电极的厚度。
本发明与现有技术相比，其有益效果有：
1、本发明通过在芯片结构中加入由尖晶石、碳纳米管和氟碳树脂组成的散热层，不仅散热性能好，而且与芯片具有良好的结合力，可靠性高。
2、本发明通过将芯片发光层侧壁和P型半导体走道侧壁设计成不同的角度，不仅可以提高散热层在台面侧壁的覆盖能力，提高侧壁的散热性能，同时还不影响P型半导体层的电流传输，确保出光效率。
3、本发明通过控制P电极、N电极以及散热层的厚度，不仅可以保障散热层良好的散热效果，很好的将芯片工作时以及静电释放产生的热量传递出去，同时还有利于后续封装的顺利进行。
4、本发明通过喷涂的方式在芯片表面沉积散热层，工艺流程简单，且不影响芯片的加工，得到的芯片光电性能稳定、可靠，有效延长了芯片的使用寿命。
附图说明
图1为本发明Mini-LED芯片结构示意图。
示意图中标号说明：
1、蓝宝石衬底；2、键合层；3、P型半导体层；4、发光层；5、N型半导体层；6、隔离层；7、散热层；8、P电极；9、N电极。
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，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。
本发明中公开了一种Mini-LED芯片，其结构示意图如图1所示，所述Mini-LED芯片从下至上依次包括：蓝宝石衬底1、键合层2、P型半导体层3、发光层4、N型半导体层5、隔离层6、P电极8、N电极9、散热层7；
进一步的，散热层为由尖晶石、碳纳米管和氟碳树脂组成的混合乳液喷涂而成的涂层，散热层覆盖住除P电极和N电极的芯片表面，其中，尖晶石和碳纳米管的粒径均小于100nm，且尖晶石和碳纳米管的质量比为1:2，所得混合乳液的固含量大于65%；本发明充分利用尖晶石优异的红外发射特性，可有效的将芯片产生的热量辐射出去，以及纳米管高热导率特性，可将芯片产生的热量快速传导至支架上，提高芯片的热传导散热能力，同时结合氟碳树脂乳液的粘结性，得到的散热层可大大提高芯片的散热能力和可靠性。
进一步的，隔离层为300nm厚的氧化硅，在电极与芯片之间设置隔离层（即钝化层），可有效将P区和N区隔离开，防止蒸镀P电极和N电极的时候芯片发生短路，提高芯片的可靠性。
进一步的，P电极和N电极的厚度均大于10μm，且所述散热层的厚度小于P电极和N电极的厚度；本发明通过将散热层的厚度控制在小于P电极和N电极的厚度，可有效保障散热层具有一定的厚度，确保散热层起到良好的散热效果，有效将Mini-LED芯片工作时以及静电释放时产生的热量传递出去，进而降低了芯片自身的温度，同时还可保证芯片后续可以顺利进行封装，提高芯片的可靠性、延长芯片的使用寿命。
本发明的中还提供一种上述Mini-LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
S1、提供一GaAs衬底，将衬底放入MOCVD（金属有机化合物化学气相淀积）设备内，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；具体地，将外延片在碘酸溶液内浸泡2min-3min，取出后冲水旋干，完成对P型半导体层表面的粗化处理。
S3、在粗化处理后的P型半导体层表面沉积SiO2作为键合层；具体地，键合层SiO2的厚度为3±0.5μm。
S4、提供一蓝宝石衬底，将外延片的键合层一面与蓝宝石衬底光滑一面对齐接触，完成键合；具体地，键合工艺为：温度为450℃，压力为15000kg。
S5、通过化学溶液将GaAs衬底腐蚀去除，露出N型半导体层；具体地，将键合后的片源放入到氨水和双氧水的化学溶液内，通过化学腐蚀的方法去除GaAs衬底，露出N型半导体层。
S6、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；具体地，在N型半导体层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型半导体层和发光层刻蚀干净，露出P型半导体层；其中，剩余N型半导体层和发光层所形成台面的角度为50°-60°；本发明通过控制剩余N型半导体层和发光层所形成台面的角度，可以有效的提高散热层在台面侧壁的覆盖能力，使得发光层侧壁也能很好的被散热层覆盖，提高侧壁的散热性能，进一步提高芯片的整体散热能力。
S7、在露出的P型半导体层表面蒸镀P接触电极；具体地，利用负胶做掩膜图形，在露出的P型半导体层表面蒸镀金属，制作P接触电极。
S8、在N型半导体层表面蒸镀N接触电极；具体地，利用负胶做掩膜图形，在N型半导体层表面远离P接触电极一侧制作N接触电极。
S9、再次利用ICP干法刻蚀将P型半导体层蚀刻干净，并制作切割走道；具体地，选择正胶作为掩膜图形，利用ICP干法蚀刻将台面下方的P型半导体层继续刻蚀干净，完成切割走道制作；其中，切割走道侧壁的角度为70°-80°，由于切割走道侧壁为P型半导体层，主要起电流传输作用，热量产生较发光层少，将其角度放宽，可以提高出光效率。
S10、在外延片表面沉积隔离层，并在隔离层上制作图案；具体地，在外延片上方沉积厚度为300nm的SiO2作为隔离层，旋涂正性光刻机制作掩膜图形，通过BOE溶液将接触孔内、P电极和N电极区域以外的SiO2去除。
S11、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；具体地，P电极和N电极的厚度均大于10μm，且P电极和N电极分别通过接触孔与各自的接触电极相连。
S12、在P电极和N电极以外区域喷涂散热层；具体地，将制作好的模具与外延片对齐，将混合乳液通过喷涂的方式沉积在除P电极和N电极以外的外延片表面，形成散热层，厚度小于P电极和N电极的厚度；其中，混合乳液由尖晶石、碳纳米管和氟碳树脂组成，尖晶石和碳纳米管的质量比为1:2，且固含量大于65%，尖晶石和碳纳米管的粒径均小于100nm，同时，P电极区域和N电极区域用模具遮挡，其它区域均覆盖有散热层。
S13、将外延片分割成一颗颗Mini-LED芯片。
具体实施例如下：
实施例1
一种Mini-LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
S1、提供一GaAs衬底，将衬底放入MOCVD设备内，依次外延生长N型半导体层、发光层、P型半导体层；
S2、将外延片在碘酸溶液内浸泡2min，取出后冲水旋干，完成对P型半导体层表面的粗化处理；
S3、在粗化处理后的P型半导体层表面沉积厚度为3μm的SiO2作为键合层；
S4、提供一蓝宝石衬底，将外延片的键合层一面与蓝宝石衬底光滑一面对齐接触，在温度为450℃，压力为15000kg条件下完成键合；
S5、将键合后的片源放入到氨水和双氧水的化学溶液内，通过化学腐蚀的方法去除GaAs衬底，露出N型半导体层；
S6、在N型半导体层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型半导体层和发光层刻蚀干净，露出P型半导体层；其中，剩余N型半导体层和发光层所形成台面的角度为50°；
S7、利用负胶做掩膜图形，在露出的P型半导体层表面蒸镀金属，制作P接触电极；
S8、利用负胶做掩膜图形，在N型半导体层表面远离P接触电极一侧制作N接触电极；
S9、选择正胶作为掩膜图形，利用ICP干法蚀刻将台面下方的P型半导体层继续刻蚀干净，完成切割走道制作；其中，切割走道侧壁的角度为70°；
S10、在外延片上方沉积厚度为300nm的SiO2作为隔离层，旋涂正性光刻机制作掩膜图形，通过BOE溶液将接触孔内、P电极和N电极区域以外的SiO2去除。
S11、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；其中，P电极和N电极的厚度均大于10μm；
S12、将制作好的模具与外延片对齐，将混合乳液通过喷涂的方式沉积在外延片表面，形成散热层，厚度小于P电极和N电极的厚度；其中，混合乳液由尖晶石、碳纳米管和氟碳树脂组成，尖晶石和碳纳米管的质量比为1:2，且固含量大于65%，尖晶石和碳纳米管的粒径均小于100nm；
S13、将外延片分割成一颗颗Mini-LED芯片。
实施例2
一种Mini-LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
S1、提供一GaAs衬底，将衬底放入MOCVD设备内，依次外延生长N型半导体层、发光层、P型半导体层；
S2、将外延片在碘酸溶液内浸泡2.5min，取出后冲水旋干，完成对P型半导体层表面的粗化处理；
S3、在粗化处理后的P型半导体层表面沉积厚度为2.5μm的SiO2作为键合层；
S4、提供一蓝宝石衬底，将外延片的键合层一面与蓝宝石衬底光滑一面对齐接触，在温度为450℃，压力为15000kg条件下完成键合；
S5、将键合后的片源放入到氨水和双氧水的化学溶液内，通过化学腐蚀的方法去除GaAs衬底，露出N型半导体层；
S6、在N型半导体层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型半导体层和发光层刻蚀干净，露出P型半导体层；其中，剩余N型半导体层和发光层所形成台面的角度为55°；
S7、利用负胶做掩膜图形，在露出的P型半导体层表面蒸镀金属，制作P接触电极；
S8、利用负胶做掩膜图形，在N型半导体层表面远离P接触电极一侧制作N接触电极；
S9、选择正胶作为掩膜图形，利用ICP干法蚀刻将台面下方的P型半导体层继续刻蚀干净，完成切割走道制作；其中，切割走道侧壁的角度为75°；
S10、在外延片上方沉积厚度为300nm的SiO2作为隔离层，旋涂正性光刻机制作掩膜图形，通过BOE溶液将接触孔内、P电极和N电极区域以外的SiO2去除。
S11、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；其中，P电极和N电极的厚度均大于10μm；
S12、将制作好的模具与外延片对齐，将混合乳液通过喷涂的方式沉积在外延片表面，形成散热层，厚度小于P电极和N电极的厚度；其中，混合乳液由尖晶石、碳纳米管和氟碳树脂组成，尖晶石和碳纳米管的质量比为1:2，且固含量大于65%，尖晶石和碳纳米管的粒径均小于100nm；
S13、将外延片分割成一颗颗Mini-LED芯片。
实施例3
一种Mini-LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
S1、提供一GaAs衬底，将衬底放入MOCVD设备内，依次外延生长N型半导体层、发光层、P型半导体层；
S2、将外延片在碘酸溶液内浸泡3min，取出后冲水旋干，完成对P型半导体层表面的粗化处理；
S3、在粗化处理后的P型半导体层表面沉积厚度为3.5μm的SiO2作为键合层；
S4、提供一蓝宝石衬底，将外延片的键合层一面与蓝宝石衬底光滑一面对齐接触，在温度为450℃，压力为15000kg条件下完成键合；
S5、将键合后的片源放入到氨水和双氧水的化学溶液内，通过化学腐蚀的方法去除GaAs衬底，露出N型半导体层；
S6、在N型半导体层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型半导体层和发光层刻蚀干净，露出P型半导体层；其中，剩余N型半导体层和发光层所形成台面的角度为60°；
S7、利用负胶做掩膜图形，在露出的P型半导体层表面蒸镀金属，制作P接触电极；
S8、利用负胶做掩膜图形，在N型半导体层表面远离P接触电极一侧制作N接触电极；
S9、选择正胶作为掩膜图形，利用ICP干法蚀刻将台面下方的P型半导体层继续刻蚀干净，完成切割走道制作；其中，切割走道侧壁的角度为80°；
S10、在外延片上方沉积厚度为300nm的SiO2作为隔离层，旋涂正性光刻机制作掩膜图形，通过BOE溶液将接触孔内、P电极和N电极区域以外的SiO2去除。
S11、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；其中，P电极和N电极的厚度均大于10μm；
S12、将制作好的模具与外延片对齐，将混合乳液通过喷涂的方式沉积在外延片表面，形成散热层，厚度小于P电极和N电极的厚度；其中，混合乳液由尖晶石、碳纳米管和氟碳树脂组成，尖晶石和碳纳米管的质量比为1:2，且固含量大于65%，尖晶石和碳纳米管的粒径均小于100nm；
S13、将外延片分割成一颗颗Mini-LED芯片。
综上所述，本发明通过在芯片上结构中加入散热层，提高芯片的散热能力，同时通过控制芯片发光层、P型半导体层台面的设置角度以及散热层的厚度，可有效提高芯片光电性能的稳定性和芯片的可靠性，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Mini-LED芯片，其特征在于，所述Mini-LED芯片从下至上依次包括：蓝宝石衬底、键合层、P型半导体层、发光层、N型半导体层、隔离层、P电极、N电极、散热层；
所述散热层为由尖晶石、碳纳米管和氟碳树脂组成的混合乳液喷涂而成的涂层；
所述散热层覆盖住除P电极和N电极的芯片表面。
2.根据权利要求1所述的一种Mini-LED芯片，其特征在于，所述尖晶石和碳纳米管的粒径均小于100nm；所述混合乳液中尖晶石和碳纳米管的质量比为1:2。
3.根据权利要求1所述的一种Mini-LED芯片，其特征在于，所述混合乳液的固含量大于65%；所述隔离层为300nm厚的氧化硅。
4.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N电极的厚度均大于10μm，且所述散热层的厚度小于P电极和N电极的厚度。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的Mini-LED芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
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SiO2作为键合层；
S4、提供一蓝宝石衬底，将外延片的键合层一面与蓝宝石衬底光滑一面对齐接触，完成键合；
S5、通过化学溶液将GaAs衬底腐蚀去除，露出N型半导体层；
S6、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；
S7、在露出的P型半导体层表面蒸镀P接触电极；
S8、在N型半导体层表面蒸镀N接触电极；
S9、再次利用ICP干法刻蚀将P型半导体层蚀刻干净，并制作切割走道；
S10、在外延片表面沉积隔离层，并在隔离层上制作图案；
S11、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；
S12、在P电极和N电极以外区域喷涂散热层；
S13、将外延片分割成一颗颗Mini-LED芯片。
6.根据权利要求5所述的Mini-LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤S4中，键合参数为：温度450℃，压力15000kg。
7.根据权利要求5所述的Mini-LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤S6中，剩余N型半导体层和发光层所形成的台面的侧壁角度为50°-60°。
8.根据权利要求5所述的Mini-LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤S9中，所述切割走道的侧壁角度为70°-80°。
9.根据权利要求5所述的Mini-LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤S2中，粗化处理的方式为外延片在碘酸溶液内浸泡2min-3min，取出后冲水旋干。
10.根据权利要求5所述的Mini-LED芯片的制作方法，其特征在于，步骤S12中，散热层的厚度小于所述P电极和N电极的厚度。
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