專利名稱：大功率倒裝陣列led芯片的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種倒裝陣列LED芯片，尤其涉及一種包括多量子阱有源區的 GaN基倒裝陣列藍光LED芯片結構。
背景技術：
白光LED具有亮度高、節能環保等優點，已經成為最有潛力的照明光源之一。白光 LED的能耗僅為白熾燈的1/8，熒光燈的1/2，其壽命可長達10萬小時。這對普通家庭明來說可謂“一勞永逸”，同時還可實現無汞化，回收容易等優點，對環境保護和節約能源具有重
要意義。目前制備大功率白光LED的方法主要是在藍色或近紫外LED芯片上涂覆黃色熒光粉，通過混色得到白光。這種通過藍光LED的得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用廣泛。大多數5W以上的大功率白光LED是由大功率的藍光LED芯片制成的。所以制造大功率藍光LED芯片是制作大功率白光LED的基礎。但是，目前光取出效率低和散熱能力差是大功率LED面臨的主要技術瓶頸。傳統結構的LED芯片光取出效率低主要受以下幾個因素的影響1)材料本身對光的吸收；2) ρ 電極上鍵合焊點和引線對光的遮擋；3)材料的折射率不同，在界面上發生反射，而導致光不易從高折射率的GaN材料傳至低折射率的外圍空氣。4)電流分布不均勻。在ρ電極下的部分電流密度大，發光強，老化快。而在P電極以外的區域電流密度小，發光弱，老化慢。大功率LED—般工作在350mA電流下，散熱對LED器件的性能和壽命至關重要。pn 結的工作溫度一般在110-120°C之間，但在設計中，應當考慮長期工作的情況下，pn結盡量保持在100°C左右，溫度每升高10°C，光通量就會衰減1%，LED的發光波長就會漂移l-2nm。 如果不能將芯片產生的熱量及時的散出，將無法獲得穩定的光輸出和維持正常的器件壽命。對于GaN基的LED，其有源層在中心位置，遠離散熱體，藍寶石襯底也是熱的不良導體， 散熱的問題將更為嚴重。
發明內容本實用新型要解決的技術問題是，提供一種大功率倒裝陣列LED芯片，能夠有效提高大功率藍光LED倒裝芯片的發光效率和散熱能力，以克服現有技術存在的發光效率低、散熱差等不足。本實用新型的大功率倒裝陣列LED芯片包括襯底、η型半導體層、有源層、P型半導體層、電極層、絕緣層、外接金屬層和鈍化層，陣列LED芯片是由多個陣列單元構成陣列，其中相鄰陣列單元都共用一個n型半導體層；所述陣列單元是藍寶石襯底上方依次覆蓋η型緩沖層、η型半導體層、有源層、ρ型半導體層、透明電極層、ρ電極層；相鄰兩個陣列單元之間是η電極；并且η電極和ρ電極層由絕緣層包覆；在絕緣層包覆的ρ電極層窗口上方覆蓋外接金屬散熱層；且在外接金屬散熱層表面還有鈍化層。藍寶石襯底的出光面處理為粗超化表面。[0009]倒裝LED芯片的η型半導體層和ρ型半導體層是由GaN、GaAs或AWaN等半導體材料構成；其中η型層摻入的雜質是Si等材料，ρ型層摻入的雜質是Mg等材料。倒裝陣列LED芯片的有源層是單層的InGaN，或者是多層的InGaN層和GaN層，形成多量子阱層。所有芯片陣列單元的η型半導體層是連通的，并且相鄰兩個陣列單元共用位于其間的η電極；η電極的材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金屬，采用其中單一金屬或組合金屬。ρ電極層采用金屬Ag或Al，并且完全覆蓋每一個陣列單元的透明電極層；外接金屬散熱層的材料包括Cu、Ti、Al、Ni或Au金屬，采用其中單一金屬或組合 ^^ I^l ο絕緣層和鈍化層是由SiOx、SiNx或SiOxNy絕緣材料構成。透明電極層采用金屬薄膜Ni/Au或氧化銦錫(ITO)制作。該芯片與傳統LED芯片相比，既可以增大發光面積，改善發光效率，又能夠很好的改善芯片的散熱。調整有源層結構(如多個材料的量子阱形成復合量子阱)及材料組分(調整摻雜濃度改變發光波長)可以發多種顏色光，本實用新型也涵蓋了這一 LED芯片范疇。本實用新型以上所述內容，僅給出了實現本實用新型的一種實施方案，但此方案和方案中的芯片結構以及工藝條件可以改變的，這種改變不脫離本實用新型的思想及范圍，對本領域人員自己明了的所有變更應當包含在所述權利要求范圍內。
圖1為本實用新型的制造工藝流程圖；圖2為藍寶石Al2O3 (0001)面襯底上外延生長η-GaN層、n+_GaN層、有源層、p_GaN 層、透明電極和Ag/Al金屬電極后的截面的圖；圖3為η區電極光刻和刻蝕后得到的平面圖；圖4為圖3的A-A截面圖；圖5為η區電極刻蝕后得到的平面圖；圖6為圖5的A-A截面圖圖7為SiOx或SiNx絕緣層刻蝕后的平面圖形；圖8為圖7的A-A截面圖；圖9為ρ電極區上方沉積、光刻和刻蝕后金屬電極散熱層的平面圖；圖10為圖9的A-A截面圖；圖11 SiOx或SiNx鈍化層刻蝕后的平面圖形；圖12為對藍寶石出光面進行有組織的粗糙化處理后的得到的截面圖形；圖中標記1 一藍寶石襯底的粗糙化表面；2—藍寶石襯底；3—η型緩沖層，即n-GaN緩沖層；4一絕緣層；5—η 電極層；[0037]6—η半導體層，即Ii+-GaN層；7—有源層；8—ρ半導體層，即P-GaN層；9 一透明電極層；10—ρ 電極層；11 一外接金屬散熱層；12—鈍化層。
具體實施方式
本實用新型的實施例在此，以“從藍寶石表面發光的GaN基藍光倒裝陣列式LED 芯片”為例，說明本實用新型的芯片結構及其制造方法。本實用新型的芯片結構為包括襯底、η型半導體層、有源層、ρ型半導體層、電極層、絕緣層、外接金屬層和鈍化層，陣列LED芯片是由多個陣列單元構成陣列，其中相鄰陣列單元都共用一個η型半導體層6 ；所述陣列單元是藍寶石襯底2上方依次覆蓋η型緩沖層3、η型半導體層6、有源層7、ρ型半導體層8、透明電極層9、ρ電極層10 ；相鄰兩個陣列單元之間是η電極5 ；并且η電極5和ρ電極層10由絕緣層4包覆；在絕緣層4包覆的ρ 電極層10窗口上方覆蓋外接金屬散熱層11。藍寶石襯底2的出光面設置為粗糙化表面1。 外接金屬散熱層11的材料包括Cu/Ti/Al/Ni/Au金屬，采用其中兩種及以上的金屬組合；且在外接金屬散熱層11表面還有鈍化層12。本實用新型中鎵源為TMGa (三甲基鎵)，氮源為NH3 (氨)，銦源為TMh (三甲基銦)， 硅源為SiH4 (硅烷)，鎂源為Cp2Mg (二茂鎂)。以下是該實施例藍光倒裝陣列式LED芯片結構的制造方法，其流程如圖1所示意， 它包括以下步驟步驟一、在藍寶石襯底2上，采用MOCVD方法先生長低摻雜Si的n-GaN緩沖層3 ； 再生長高摻雜Si的η型GaN半導體層6 ；即用TMGa (三甲基鎵)、ΝΗ3 (氨)和硅源SiH4 (硅烷)在570°C下生長2 μ m厚的低摻雜Si的n-GaN緩沖層3 ；再生長20nm的高摻雜Si的η 型GaN半導體層6 ；如圖2所示意。步驟二、采用MOCVD方法生長有源層7。交替生長多個周期的InGaN層和GaN層，形成多量子講一MQW層。具體過程為第一，通入銦源TMIn (三甲基銦)生長3nm厚的InGaN; 第二，去掉銦源，通入硅烷(SiH4)生長20nm厚的n-GaN ；第三，重復過程第一、第二多次，就生長出InGaN/GaN多量子阱。如圖2所示意。步驟三、在MQW有源層7頂部，采用MOCVD方法生長ρ型半導體層8，即通入TMGa (三甲基鎵)、NH3 (氨)和Cp2Mg (二茂鎂)，生長IOOnm厚的ρ型半導體層8 ；步驟四、經過清洗之后用磁控濺射的方法在ρ型半導體層8上沉積一層ITO透明導電薄膜作為透明電極層9，在透明電極層9上濺鍍沉積Ag或Al金屬形成ρ電極層10 ；透明電極層9的厚度為500nm，ρ電極層10的厚度為120nm。步驟五、在步驟四的基礎上涂光刻膠，掩膜，光刻，進行刻蝕，露出n-GaN層，為沉積η電極層5做準備；如圖3、圖4所示；步驟六、用磁控濺射沉積Cu/Au (銅/金)，形成η電極層，并對其進行光刻和刻蝕，形成η電極層5，即采用磁控濺射沉積Cu/Au (銅/金)金屬，沉積金屬的厚度為800nm，并對其進行光刻和刻蝕，形成η電極層5 ；如圖5和圖6所示。步驟七、采用PECVD (等離子增強化學汽相沉積)生長SiOx或SiNx絕緣層4 ；并進行光刻和刻蝕，露出P電極層10的窗口，為進一步沉積P電極層10的外接金屬散熱層11 做準備；同時在芯片邊沿露出η電極pad，以供外電路連接；如圖7、圖8所示。步驟八、在ρ電極層10上用磁控濺射或電子束蒸發沉積Cu/Au (銅/金)金屬，組成外接金屬散熱層11，該層厚90-150 μ m，并進行光刻和刻蝕，形成金屬散熱層和η電極層 5外接pad;如圖9、圖10所示。步驟九、除去光刻膠，采用PECVD生長SiOx或SiNx鈍化層12，即形成80nm厚的 SiO2鈍化層；并進行光刻和刻蝕，露出P電極pad和η電極pad，以供外電路連接；如圖11 所示。步驟十、用化學機械拋光(CMP)設備將藍寶石減薄，即將藍寶石襯底2由350 μ m 450 μ m減薄至90 μ m 150 μ m,并用光刻加離子刻蝕的方法對藍寶石的出光面進行有組織的粗糙化處理，形成粗糙化表面，如圖12所示。基于上述步驟的制造方法可以得到一種倒裝陣列式LED芯片，該芯片與傳統LED 芯片相比，既可以增大發光面積，改善發光效率，又能夠很好的改善芯片的散熱。基于上述實例結構及其制造方法，調整有源層結構(如多個材料的量子阱形成復合量子阱)及材料組分(調整摻雜濃度改變發光波長)可以發多種顏色光，本實用新型也涵蓋了這一 LED芯片范疇。本實用新型以上所述內容，僅給出了實現本實用新型的一種實施方案，但此方案和方案中的芯片結構以及工藝條件可以改變，這種改變不脫離本實用新型的思想及范圍， 對本領域人員自己明了的所有變更應當包含在所述的權利要求范圍內。
權利要求1.一種大功率倒裝陣列LED芯片，包括襯底、η型半導體層、有源層、P型半導體層、電極層、絕緣層、外接金屬層和鈍化層，其特征在于陣列LED芯片是由多個陣列單元構成陣列，其中相鄰陣列單元都共用一個η型半導體層(6);所述陣列單元是藍寶石襯底(2)上方依次覆蓋η型緩沖層(3)、η型半導體層(6)、有源層(7)、ρ型半導體層(8)、透明電極層(9)、 P電極層(10);相鄰兩個陣列單元之間是η電極(5);并且η電極(5)和ρ電極層(10)由絕緣層(4)包覆；在絕緣層(4)包覆的ρ電極層(10)窗口上方覆蓋外接金屬散熱層(11 )，在外接金屬散熱層(11)表面還有鈍化層(12)。
2.根據權利要求1所述的大功率倒裝陣列LED芯片，其特征在于藍寶石襯底(2)的出光面處理為粗超化表面(1)。
3.根據權利要求1所述的大功率倒裝陣列LED芯片，其特征在于倒裝LED芯片的η型半導體層(6)和ρ型半導體層(8)是由GaN、GaAs或AlGaN半導體材料構成；其中η型層摻入的雜質是Si材料，ρ型層摻入的雜質是Mg材料。
4.根據權利要求1所述的大功率倒裝陣列LED芯片，其特征在于倒裝陣列LED芯片的有源層(7)是單層的InGaN，或者是多層的InGaN層和GaN層，形成多量子阱層。
5.根據權利要求1、2或3所述的大功率倒裝陣列LED芯片，其特征在于所有芯片陣列單元的η型半導體層(6)是連通的，并且相鄰兩個陣列單元共用位于其間的η電極(5)。
6.根據權利要求1、2或3所述的大功率倒裝陣列LED芯片，其特征在于ρ電極層 (10)采用金屬Ag或Al，并且完全覆蓋每一個陣列單元的透明電極層(9)。
7.根據權利要求1所述的大功率倒裝陣列LED芯片，其特征在于絕緣層(4)和鈍化層 (12)由SiOx、SiNx或SiOxNy絕緣材料構成。
8.根據權利要求1所述的大功率倒裝陣列LED芯片，其特征在于透明電極層(9)采用金屬薄膜Ni/Au或氧化銦錫制作。
專利摘要本實用新型公開了一種大功率倒裝陣列LED芯片。其大功率倒裝陣列LED芯片結構為陣列LED芯片是由多個陣列單元構成陣列，其中相鄰陣列單元都共用一個n型緩沖層(3)；所述陣列單元是藍寶石襯底(2)上方依次覆蓋n型緩沖層(3)、n型半導體層(6)、有源層(7)、p型半導體層(8)、透明電極層(9)、p電極層(10)；相鄰兩個陣列單元之間是n電極(5)；并且n電極(5)和p電極層(10)由絕緣層(4)包覆；在絕緣層(4)包覆的p電極層(10)窗口上方覆蓋外接金屬散熱層(11)。藍寶石襯底(2)的出光面處理為粗糙化表面(1)。芯片的p電極采用光反射率較高的銀或鋁等金屬。
文檔編號H01L33/64GK202332853SQ201120399059
公開日2012年7月11日 申請日期2011年10月19日 優先權日2011年10月19日
發明者張榮芬, 李緒誠, 楊利忠, 許鋮, 鄧朝勇 申請人:貴州大學