CN102368516A - 高压led器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高压LED器件的制造方法，包括如下步骤：提供一衬底，所述衬底上依次形成有N型限制层、外延层和P型接触电极层；制作至少一个隔离沟槽，以在衬底上方隔离出的每个所述区域内制作N型接触电极台阶；沉积隔离介质层；通过光刻、蚀刻工艺，去除与每个隔离沟槽紧邻的部分隔离介质层，在同步曝露出部分P型接触电极层、部分N型限制层和隔离沟槽内及隔离沟槽表面上沉积金属，一次制作出N电极、P电极和用于连接相邻LED电极的互联金属层，形成互联的多个LED。本发明还提供了一种高压LED器件，以降低高压LED器件制作的成本，提高互联性能的问题。

Description

高压LED器件及其制造方法
技术领域
本发明属于发光器件制造领域，尤其涉及一种高压LED器件及其制造方法。
背景技术
由于半导体集成技术的高速发展，以III族氮化物为材料的发光二极管(LightEmitting Diode，LED)的应用越来越广。随着LED应用的升级、市场对于LED的需求，使LED朝高功率、高亮度的方向发展。
而目前，通过半导体集成工艺制备的高压LED(High Voltage LED，HV LED)因可大幅缩小直流-直流降压电路的输入输出压差，而进一步提升LED驱动电源的效率，且有效降低LED灯具对散热外壳的要求，从而降低LED灯具的总体成本。例如，想要达到500流明(Lumen，lm)LED照明，则需要LED芯片具备5W100lm/W，而目前达到这个指标可通过如下方式：大功率LED芯片：1.5A3.3VDC和HV LED芯片：22mA220VDC。所述前者需要大电流驱动，而所述后者只需要小电流驱动。可见，在同样输出功率下，HV LED所需要的驱动电流远低于低压LED，因此，HV LED芯片与传统大尺寸直流电源LED串联和/或并联构成的大功率LED芯片相比，具有封装成本低、暖白光效高、驱动电源效率高、线路损耗低等优势，而作为高功率LED的解决方案成为照明发展的一个重要课题。
现以一种通用的高压LED器件制作工艺为例，参见图1，首先，在衬底100上依次沉积N型半导体层102、发光层104、P型半导体层106和P型金属薄膜108；其次，先进行光刻工艺，将第一图形转移到P型金属薄膜108上，然后采用蚀刻工艺在所述衬底100上制作至少一个隔离沟槽，以便将衬底之上的部分划分成至少2个区域，从而将P型金属薄膜108上的第一图形转移到晶片上；接着，在所述每个区域中先进行光刻工艺将第二图形转移到P型金属薄膜108上，然后采用蚀刻工艺由上至下依次蚀刻P型金属薄膜108、P型半导体层106、发光层104并延伸到N型半导体层102，将第二图形转移到晶片上；继而，分别在P型金属薄膜108上通过金属沉积制作P电极110、在N型半导体层102上通过金属沉积制作N电极112，从而形成LED；然后，在每个N电极112和与之通过隔离沟槽隔开的P电极110之间的区域上沉积隔离薄膜114，即在所述每个隔离沟槽的内表面、与每个隔离沟槽紧邻的N电极112的侧壁、从隔离沟槽到与隔离沟槽紧邻的P电极110的侧壁之间的P型金属薄膜108上、以及与每个隔离沟槽紧邻的P电极110的侧壁上沉积隔离薄膜114；最后，在N电极112、隔离薄膜114和P电极110上沉积互联金属层116，将一个LED的N电极112连接到另一个LED的P电极110。
由上述高压LED器件制作过程可知，要形成所述LED的各电极，首先需要进行光掩膜制造，然后进行相关的光刻工艺，接着进行金属沉积以及每次金属沉积之前均需要进行反复清洗等工艺流程；而要形成连接各LED之间的互联金属层116也必须反复进行上述所述的工艺流程，并且在金属沉积之前还包括沉积隔离薄膜114。所述LED的各电极和所述互联金属116层是分别通过不同步骤采用不同导电材料沉积而成的，因此，不仅容易造成光掩膜、光刻、金属沉积以及清洗程序等工艺成本的增高、而且使高压LED器件制作步骤复杂，更容易影响到高压LED器件中的各LED之间的互联可靠性。
为了解决上述问题，在实现高压III族氮化物LED发光芯片结构时，需要寻求一种能缩减高压LED器件中各电极和互联金属反复光掩膜、光刻、金属沉积或是清洗程序等工艺的方法。但是，在实际的实施过程中仍然存在相当大的壁垒，亟待引进能有效改善上述缺陷的新方法，以解决第三代半导体材料使用时所面临的高压LED器件成本高但互联性能不良的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压LED器件及其制造方法，以降低高压LED器件制作的成本，提高互联性能的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种高压LED器件的制造方法，包括如下步骤：提供一衬底，所述衬底上依次形成有N型限制层、外延层和P型接触电极层；制作至少一个贯穿P型接触电极层、外延层、N型限制层的隔离沟槽，以在衬底上方隔离出至少两个区域，在每个所述区域内制作一个与隔离沟槽相连通的N型接触电极台阶，所述N型接触电极台阶贯穿P型接触电极层、外延层；在上述器件结构表面沉积隔离介质层；先采用光刻工艺，再采用蚀刻工艺去除与每个隔离沟槽紧邻的部分隔离介质层，分别暴露出部分P型接触电极层112和部分N型限制层104，在所述曝露出的部分P型接触电极层、部分N型限制层和隔离沟槽内及隔离沟槽表面上沉积金属，一次制作出N电极、P电极和用于连接相邻LED电极的互联金属层，形成互联的多个LED。
根据本发明的另一方面，还提出了一种高压LED器件，至少一个LED模块以及一基板支架，每个LED模块包括至少两个LED，其中，每个LED具有N电极和P电极，各LED通过互联金属层将一个LED的N电极和另一个LED的P电极进行串联和/或并联；所述基板支架表面设置有基板电极，所述基板电极与所述LED模块中的相应电极通过引线键合。
由上述技术方案可见，与传统通用的高压LED制造工艺相比，本发明公开的高压LED器件的制造方法，在没有改变LED外延结构、有效利用LED芯片自身结构特性的前提下，通过在制作LED的各电极和连接各LED的互联金属之前，先在P型接触电极层表面上以及所述相连通的N型接触电极台阶和隔离沟槽的内表面上沉积隔离介质层，接着，对上述结构进行光刻工艺，再对隔离介质层进行蚀刻工艺，去除与每个隔离沟槽紧邻的部分隔离介质层，分别曝露出可以用以后续工艺制作P电极、N电极与互联金属的部分P接触电极层、部分N型限制层以及隔离沟槽内和隔离沟槽表面，然后，在所述曝露出的区域中进行沉积金属，同步形成P电极、N电极和用于连接相邻两个LED的互联金属层，形成互联的多个LED。由于所述LED的各电极和所述互联金属层是在同一步骤中采用相同导电材料沉积而成的，因此，不仅节省了金属沉积以及清洗程序等工艺成本，而且简便了高压LED器件制作步骤；同时，各LED的电极与互联金属层为同时沉积，避免了互联金属层的高深宽比(aspect ration)沉积，因此具备良好的台阶覆盖率(step coverage)，提高了高压LED器件中各LED模块之间的互联可靠性；其次，还由于各LED通过互联金属层直接在晶圆级就实现了微晶粒的串联和/或并联，使后续工艺制备的高压LED器件在低电流高电压下工作，不仅电流密度局部拥挤效应得到解决，而且简化了晶粒固晶、键合数量以及降低了封装成本，并且在单位面积内形成了多颗微晶粒的集成，避免了晶片间分档(BIN)内如波长、电压、亮度跨度带来的一致性问题。
附图说明
图1是现有技术中的高压LED器件的结构示意图。
图2是本发明一实施例的高压LED器件的方法流程。
图3a至图3j是本发明一实施例的高压LED器件的制造方法。
图4是本发明一实施例的高压LED器件的串联俯视示意图。
图5是本发明一实施例的高压LED器件的并联俯视示意图。
图6是本发明一实施例的高压LED器件的串并联俯视示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制造中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
下面以图3i所示的一种高压LED器件为例，结合附图3a至3j，仅以制造具有一个LED模块的高压LED器件的制造方法为例进行详细描述，然而本领域技术人员应当知晓如何将该方法应用于制造具有多个LED模块的高压LED器件模块。所述的方法包括如下步骤：
S100：提供一衬底，所述衬底上依次形成有N型限制层、外延层和P型接触电极层。
参见图3a，先在衬底100上自下而上依次沉积N型限制层104、外延层111和P型接触电极层112。
所述外延层111包括依次形成于所述N型限制层104上的多量子阱有源层106、P型限制层110。
更优的，在所述衬底100上形成N型限制层104之前，在所述衬底100上形成氮化物缓冲层102。
更优的，在形成所述外延层111时，还包括在形成P型限制层110之前，在所述多量子阱有源层106上形成P型氮化物层108。
其中，所述衬底100可以是蓝宝石衬底，所述P型限制层110可以是P型氮化物。
S101：制作至少一个贯穿P型接触电极层、外延层、N型限制层的隔离沟槽，以在衬底上方隔离出至少两个区域，每个区域对应一个LED，在每个所述区域内制作一个与隔离沟槽相连通的N型接触电极台阶，所述N型接触电极台阶贯穿P型接触电极层、外延层。
首先，参见图3b，在P型接触电极层上沉积光阻层(图中未示)，以通用的光刻工艺将光阻层进行图形化，接着以图形化的光阻层为掩模，采用感应耦合等离子体刻蚀工艺(Inductively Coupled Plasma Etcher，ICP)在衬底100上制备至少一个隔离沟槽114，且所述隔离沟槽114贯穿P型接触电极层112、外延层111和N型限制层104，暴露出衬底100的表面，并将衬底100之上的部分划分成多个区域，以便后续工艺在每个区域中制备一个LED。最后，除去光阻层。
所述隔离沟槽的侧边与紧邻的每个所述区域内的衬底表面的倾角小于90度，优选为45度，形成上宽下窄的隔离沟槽，便于后续工艺改善隔离沟槽表面沉积金属的台阶覆盖率。
若在形成所述衬底100之后，在衬底100上沉积了氮化物缓冲层102，则在衬底100上制备隔离沟槽114时，所述隔离沟槽贯穿P型接触电极层112、外延层111、N型限制层104之后，还需要继续蚀刻氮化物缓冲层102。
然后，参见图3c，在P型接触电极层112和暴露出的衬底表面上沉积光阻层(图中未示)，以通用的光刻工艺将光阻层进行图形化，并以图形化的光阻层为掩模，在每个所述区域内采用ICP蚀刻工艺蚀刻P型接触电极层112和外延层111，所述蚀刻停止在N型限制层104上，以形成与隔离沟槽114相连通的N型接触电极台阶116。最后，去除光阻层。
当然，所述蚀刻也可停止在N型限制层104中(即蚀刻掉部分厚度的N型限制层104，如图3c中所示的情况)，以形成与隔离沟槽114相连通的N型接触电极台阶116，同样可实现本发明的目的。
S102：在上述器件结构表面上沉积隔离介质层。
参见图3d，在如图3c所示的器件结构表面，即P型接触电极层112表面上以及所述相连通的N型接触电极台阶116和隔离沟槽114的内表面上沉积隔离介质层118。
S103：通过光刻、蚀刻工艺去除与每个隔离沟槽紧邻的部分隔离介质层，分别暴露出部分P型接触电极层和部分N型限制层，在所述暴露出的部分P型接触电极层、部分N型限制层和隔离沟槽内及隔离沟槽表面上沉积金属，一次制作出N电极、P电极和用于连接相邻LED电极的互联金属层，形成互联的多个LED。
首先，参见图3e，在上述结构的隔离介质层118上沉积光阻层(图中未示)，然后，在沉积了所述光阻层的上述结构的上方设置掩膜版120，掩膜版120通过紫外光光照，显影后把图形122转移到光阻层上，形成图形化的光阻层。
然后，参见图3f，以图形化的光阻层为掩膜，采用通用的蚀刻工艺去除与每个隔离沟槽114紧邻的部分隔离介质层118，分别暴露出部分P型接触电极层112以在后续步骤中制作P型电极，以及部分N型限制层104以在后续步骤中制作N型电极。
最后，参见图3g，在上述所暴露出的部分P型接触电极层112、部分N型限制层104上和隔离沟槽114内及隔离沟槽114表面上沉积金属，一次制作出P电极126、N电极128和用于连接相邻两个LED的互联金属层130，形成互联的多个LED。其中，制作P电极126、N电极128和互联金属层130的材料可以为铬金(Cr/Au)合金或镍金(Ni/Au)合金或其他金属。
本发明中在衬底100上制作至少一个隔离沟槽114，因此，至少包括2个LED，所述2个LED分别被标识为L1和L2。如在衬底100上制作2个或2个以上隔离沟槽114，则至少包括3个或3个以上LED，所述3个或3个以上LED分别被标识为L1、L2、L3或L1、L2、L3、L4，以后LED的标识类似，不再一一赘述。
所述互联的多个LED是指各LED之间通过互联金属层130将前一个LED的N电极与下一个LED的P电极连接，即L1的N电极128与L2的P电极126通过互联金属层130连接，L2的N电极128与L3的P电极126通过互联金属层130连接，从而使所有LED按序依次串联(参见图3g和图4)；或是通过互联金属层130将所有LED的N电极、P电极分别连接，即L1、L2和L3的N电极128通过互联金属层130连接，L1、L2和L3的P电极126通过互联金属层130连接，从而使所有LED按序依次并联(参见图5)；还可以是L1的N电极128与L2的P电极126通过互联金属层130连接，L1的P电极和L3的P电极以及L2的N电极和L3的N电极分别通过互联金属层130连接，从而使所有LED按序依次形成串并联(参见图6)。
由于一次暴露出所需沉积金属的区域，并在所述暴露的区域中采用相同导电材料沉积金属同步形成每个LED的各电极和实现每个LED连接的互联金属层，因此不必分别对曝露出的所需沉积金属的区域进行反复清洗，也避免了分次进行金属沉积而造成的金属浪费，因此，不仅节省了金属沉积以及清洗程序等工艺成本，而且简便了高压LED器件制作步骤；同时，各LED的电极与互联金属层为同时沉积，避免了互联金属层的高深宽比沉积，因此具备良好的台阶覆盖率，提高了高压LED器件中各LED模块之间的互联可靠性。
更优的，对所述互联的多个LED进行测试，并根据所述测试结果选择性的对所述互联的多个LED进行激光划片，以将互联的多个LED分组切割成至少一个LED模块。
首先，参见图3h，由于LED制造时一般普遍采用蓝宝石作衬底用以支撑整个LED的制造过程，当所述每个LED形成之后，采用化学机械研磨(CMP)工艺将衬底100减薄至厚度为50μm～90μm，以利于后续工艺将晶片进行切割划片。
其次，根据通用的光特性测试、电特性测试、热学特性测试、可靠性测试或其他常见的LED测试中的一种或多种对整片晶片进行测试，在此不再详细描述，但是本领域技术人员仍是知晓的。
然后，依据上述测试结果将整片晶片的特性分类，例如：由于晶片制造过程中的缺陷形成的不合格的晶粒；或是测试结果不符合一种或多种特性设计要求的晶粒；或是测试结果不符合一种特性当中的具体参数的，诸如不符合LED光特性中的光通量性能的晶粒。
最后，通过掌握的参数性能，根据客户的具体需求对上述结构的多个LED进行选择性的激光划片，形成至少一个LED模块。所述每个LED模块包括至少2个LED，本发明中的一实施例中LED模块包括3个LED。另外，对测试结果不合格或是不符合LED特性的各LED如通过修复步骤可以修复的则进行修复，若不能进行修复的可降级或是丢弃处理。需要说明的是，上述描述并不用于限定本发明，本领域技术人员还可根据本发明公开的内容进行其他变形，例如可根据所述测试结果对所述多个LED进行其它形式的激光划片。
更优的，对所述LED模块进行封装，所述LED模块通过引线进行串联和/或并联，形成高压LED器件。
参见图3i，将上述LED模块进行板上芯片直装(Chip On Board，COB)，所述COB上设置了基板支架132，在所述基板支架132上设置了基板电极134。所述基板电极134与所述LED模块中的相应电极通过引线键合。若所述LED模块中包括的各LED之间通过互联金属层130形成串联(参见图3g和图4)或是串并联(参见图6)，均可以在所述LED模块中最前一个LED(此处为L1)的P电极和最后一个LED(此处为L3)的N电极上通过导线136将所述LED模块直接与基板电极134进行键合，以作电流注入的引线，并同步形成了凸点焊球，以形成LED模块内串联或是串并联的高压LED器件；若所述LED模块中包括的各LED之间通过互联金属层130形成并联(参见图5)，可以在所述LED模块中所有LED(此处为L1、L2、L3)的P电极和N电极上通过导线136将所述LED模块直接与基板电极134进行键合，以作电流注入的引线，并同步形成了凸点焊球，以形成LED模块内并联的高压LED器件。所述高压LED器件至少包括一个LED模块。
在进行封装之前，由于每个所述LED模块中的各LED之间已经通过互联金属层130直接在晶圆级就实现了微晶粒的串联和/或并联，因此，采用COB封装技术时，简化了晶粒固晶、键合数量以及降低了封装成本，并且在单位面积内形成了多颗微晶粒的集成，避免了晶片间分档(BIN)内如波长、电压、亮度跨度带来的一致性问题；同时，使后续工艺制备的高压LED器件在低电流高电压下工作时，电流密度局部拥挤效应得到解决。
经过本步骤，每个高压LED器件中的各个LED通过LED隔离沟槽114进行电学上的隔离。
更优的，在形成的所述高压LED器件上涂覆荧光粉硅胶138，以制备出能适应不同颜色需求的高压LED器件(参见图3j)。
参见图3i，本发明还提出了一种高压LED器件，利用上述的高压LED器件的制造方法形成，包括至少一个LED模块以及一基板支架，每个LED模块包括至少两个LED，其中，每个LED具有N电极和P电极，各LED通过互联金属层将一个LED的N电极和另一个LED的P电极进行串联和/或并联；所述基板支架表面设置有基板电极，所述基板电极与所述LED模块通过引线键合。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (16)

1.一种高压LED器件的制造方法，包括如下步骤：
提供一衬底，所述衬底上依次形成有N型限制层、外延层和P型接触电极层；
制作至少一个贯穿P型接触电极层、外延层、N型限制层的隔离沟槽，以在衬底上方隔离出至少两个区域，每个区域对应一个LED，在每个所述区域内制作一个与隔离沟槽相连通的N型接触电极台阶，所述N型接触电极台阶贯穿P型接触电极层、外延层；
在上述器件结构表面沉积隔离介质层；
通过光刻、蚀刻工艺去除与每个隔离沟槽紧邻的部分隔离介质层，分别暴露出部分P型接触电极层112和部分N型限制层104，在所暴露出的部分P型接触电极层、部分N型限制层和隔离沟槽内及隔离沟槽表面上沉积金属，一次制作出N电极、P电极和用于连接相邻LED的电极的互联金属层，形成互联的多个LED。
2.根据权利要求1所述高压LED器件的制造方法，其特征在于：在所述衬底上形成N型限制层之前，还包括：在所述衬底上形成氮化物缓冲层。
3.根据权利要求1所述高压LED器件的制造方法，其特征在于：所述外延层包括依次形成于所述N型限制层上的多量子阱有源层和P型限制层。
4.根据权利要求3所述高压LED器件的制造方法，其特征在于：在所述N型限制层上形成所述外延层的步骤中，在形成P型限制层之前，还包括：沉积P型氮化物层。
5.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于：所述隔离沟槽的侧边与紧邻的每个所述区域内的衬底表面的倾角小于90度。
6.根据权利要求1所述的高压LED器件的制造方法，其特征在于：所述N型通孔贯穿反射层、外延层并延伸到部分N型限制层中。
7.根据权利要求1所述高压LED器件的制造方法，其特征在于：所述N电极、P电极和互联金属层所使用的导电材料相同。
8.根据权利要求7所述高压LED器件的制造方法，其特征在于：所述N电极、P电极和互联金属层的材料为镍金合金。
9.根据权利要求7所述高压LED器件的制造方法，其特征在于：所述N电极、P电极和互联金属层的材料为铬金合金。
10.根据权利要求1所述高压LED器件的制造方法，其特征在于：通过互联金属层将各LED的N电极和P电极按序依次串联和/或并联，形成互联的多个LED。
11.根据权利要求1所述高压LED器件的制造方法，其特征在于，还包括：对所述互联的多个LED进行测试，并根据测试结果选择性的对所述互联的多个LED进行激光划片，以将互联的多个LED分组切割成至少一个LED模块。
12.根据权利要求11所述高压LED器件的制造方法，其特征在于，还包括：对所述LED模块进行封装，所述LED模块通过引线进行串联和/或并联，形成高压LED器件。
13.根据权利要求11所述高压LED器件的制造方法，其特征在于：对所述多个LED进行测试之前，还包括：减薄所述衬底。
14.根据权利要求12所述高压LED器件的制造方法，其特征在于：采用板上晶片直装对所述LED模块进行封装。
15.根据权利要求12所述高压LED器件的制造方法，其特征在于：形成高压LED器件之后，还包括：在所述高压LED器件上涂覆荧光粉硅胶。
16.一种利用权利要求1所述的高压LED器件的制造方法形成的高压LED器件，包括：
至少一个LED模块，每个LED模块包括至少两个LED，其中，每个LED具有N电极和P电极，各LED通过互联金属层将相邻LED的相应电极进行串联和/或并联；以及
一基板支架，所述基板支架表面设置有基板电极，所述基板电极与所述LED模块中的相应电极通过引线键合。
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