CN103730479A

CN103730479A - 一种多发光子区GaN基LED集成芯片

Info

Publication number: CN103730479A
Application number: CN201310617852.0A
Authority: CN
Inventors: 徐洲; 陈鹏; 谭崇斌; 徐兆青; 张琳; 吴真龙; 徐峰; 高峰; 邵勇; 王栾井; 宋雪云
Original assignee: NANJING UNIVERSITY YANGZHOU OPTICAL INSTITUTE
Current assignee: NANJING UNIVERSITY YANGZHOU OPTICAL INSTITUTE
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-04-16

Abstract

一种多发光子区GaN基LED集成芯片，属于LED芯片结构的技术领域，包括衬底、n-GaN层、量子阱有源区、p-GaN层、电流扩展层、P电极和至少两个发光子区，相邻的发光子区之间设有相互隔离的沟槽，沟槽的底部位于衬底表面。本发明极大程度地减小互连线横跨沟槽时断路的概率，可以提高芯片内全反射光出射的概率，减少内反射损耗，从而提高光抽取效率。

Description

一种多发光子区GaN基LED集成芯片

技术领域

本发明属于LED芯片结构的技术领域，具体涉及单片集成型LED芯片生产技术领域。

背景技术

目前，以GaN基LED为代表的新一代固态照明光源由于其节能、环保、寿命长、体积小、抗机械振动能力强、光谱纯度佳等优点已逐渐应用于交通信号灯、液晶显示器背光、路灯、汽车车灯、室内照明等。

近年来，由于传统低电压、大电流驱动的直流LED芯片存在着驱动电路结构复杂、发热量大、效率低、可靠性不高等不足之处，因此，根据发光子区电路连接方式的不同的分类方法，采用高电压、小电流驱动的高压LED(High Voltage LED，简称为 HV-LED)芯片和交流LED(Alternating Current LED,，简称为AC-LED)芯片逐渐成为半导体照明领域研发的重要内容。它们具有下列优点：(1)由于焦耳热与电流的2次方成正比，所以使用高电压、小电流驱动的LED芯片可以显著减小驱动电路及导线的功率损耗；(2)可以简化驱动电路，去除变压器、整流桥等元器件；(3)因驱动电路的发热损耗减小、元器件数量减少，所以可靠性也相应提高；(4)由于使用高电压、小电流驱动，可以避免大电流注入引起LED芯片的Droop效应；(5)与传统封装级LED模组相比，采用HV-LED芯片或AC-LED芯片可以大大简化封装阶段电极引线键合工序，同时还可以减小灯具体积，降低封装成本。

HV-LED或AC-LED芯片与传统LED芯片结构区别在于：HV-LED和AC-LED属于多发光子区的单片集成型LED芯片，而传统LED芯片为单一的发光区域。因此，多发光子区的LED芯片比传统LED芯片多了隔离沟槽以及横跨沟槽的互连线，这也正是多发光子区的LED芯片关键技术所在。跨越隔离沟槽的互连线容易断路或在沟槽侧壁使发光子区的PN结短路的问题是影响这类LED芯片产品良率的主要因素。

针对上述问题，已提出了一些解决方法。例如，台湾晶元光电股份有限公司的一项题为《制造发光元件阵列的方法》的中国发明专利(申请号：200810169439.1)公开了一种解决方法，所采用的方法是利用绝缘材料封闭沟槽顶部，沟槽底部仍然是空洞，互连线位于较为平坦的绝缘材料上表面，不会接触到发光子区侧壁。韩国首尔半导体有限公司的一项题为《Light Emitting Device Having Light Emitting Elements》的美国专利(US20090237935)公开了另一种解决方法，通过两次光刻结合金属蒸发与离子镀制备出跨越沟槽的悬空金属连接桥(Air Bridge)，其原理类似于“拱桥”，利用了金属互连线自身的强度。晶科电子(广州)有限公司的一项题为《一种由倒装发光单元阵列组成的发光器件及其制造方法》的中国发明专利(申请号：201010274676.1)公开了一种解决方法，将金属互连线制备在平坦的衬底上，再将多发光子区的LED芯片倒装焊在衬底上，从而避开在沟槽上布线的问题。尽管上述三种方法均能解决互连线容易断路或使发光子区侧壁的PN结短路的问题，但都存在工艺复杂的缺点。

发明内容

针对现有技术状况，本发明提出了一种简单可靠、低成本的沟槽侧壁大角度倾斜的多发光子区GaN基LED集成芯片。

本发明包括衬底、n-GaN层、量子阱有源区、p-GaN层、电流扩展层和P电极，所述芯片包括至少两个发光子区，相邻的发光子区之间设有相互隔离的沟槽，所述沟槽的底部位于衬底表面。

本发明将原来一整个发光区通过相互隔离的沟槽分隔成若干个发光子区，各发光子区的大小、形状以及电极的大小、形状可以相同也可以不同。各发光子区位于同一衬底上，属于单片集成型LED芯片。发光子区之间通过金属互连线连接起来，电路连接方式可以是串联、并联、串并混联等多种方式，每条支路上串联发光子区的数目最多为110个，可直接工作在220V电压下，单颗芯片最多可有8条支路。

本发明的突出优点是：

1、可以极大程度地减小互连线横跨沟槽时断路的概率；

2、倾斜侧壁比垂直侧壁更有利于制备出高可靠性的绝缘保护层，因此，发光子区的PN结被侧壁的互连线短接的概率也显著减小了；

3、GaN基LED芯片形成倾斜侧壁可以提高芯片内全反射光出射的概率，减少内反射损耗，从而提高光抽取效率；

4、对于从衬底出光的倒装LED芯片，通过在大角度倾斜的侧壁上制备金属反射镜，可以进一步增强侧壁反射，把射向侧壁的光反射出芯片底面，可以显著提高光抽取效率。

另外，本发明所述沟槽的侧壁为倾斜面，各倾斜面与衬底上表面的夹角为30～80°。

本发明采用30～80°的大倾角倾斜面，利于在发光子区和沟槽之间布金属互连线，可避免金属互连线发生小圆角折弯，可防止金属互连线折断。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图。

图2为一种由9个发光子区串联而成的HV-LED芯片平面图。

图3为一种由9个发光子区串联而成的HV-LED电路原理图。

图4为一种由12个发光子区构成的整流桥式AC-LED芯片电路原理图。

图5为一种由8个发光子区构成的串并混联式AC-LED芯片电路原理图。

具体实施方式

一、实施例1：

对于从p-GaN层出光的正装LED芯片，实施步骤如下：

步骤1，取一LED外延片，具体结构包含衬底101以及外延生长的n-GaN层102、量子阱有源区104、p-GaN层105，通过光刻及干法刻蚀，形成侧壁大角度倾斜的隔离沟槽，沟槽深度达到绝缘衬底，沟槽侧壁与衬底所在平面的夹角α为30～80°。具体方法可参照申请号为201210492636.3的中国专利申请所公开的内容。

步骤2，采用光刻及干法刻蚀方法，在各发光子区一并刻蚀出n-GaN台阶。

步骤3，整片蒸镀一层ITO作为电流扩展层106，再通过光刻、湿法腐蚀ITO获得相应图形。

步骤4，整片淀积一层SiO₂作为绝缘保护层108，再通过光刻、湿法腐蚀部分SiO₂露出各发光子区的P电极和N电极窗口。

绝缘保护层108可以采用SiO₂ 、Si₃N₄、 SiO_xN_y、旋涂玻璃(Spin On Glass，SOG)、聚酰亚胺(Polyimide，PI)、苯并环丁烯(Benzocyclobutene，BCB)中的一种或任意组合。

步骤5，通过光刻、金属蒸发及Lift-off工艺制备发光子区的P电极107和N电极103。

步骤6，通过光刻、金属蒸发及Lift-off工艺，制备跨越隔离沟槽的金属互连线109。互连线布线方式可参阅图1剖面结构示意图及图2芯片平面图。金属互连线109材料可以是Al、Ag、Au、Pt、Cu、Cr、Ni、Ti、Sn、In中的一种或任意组合。

步骤7，合金化，优化金属电极与GaN基半导体材料之间以及互连线与金属电极之间的欧姆接触特性。

制成的产品如图1所示，包含衬底101，以及在依次外延生长的n-GaN层102、量子阱有源区104、p-GaN层105和电流扩展层106的LED外延片，在隔离沟槽D、E的分隔下，形成独立的发光子区A、B、C，在隔离沟槽D、E和发光子区A、B、C上分别设置绝缘保护层108，在发光子区A的N电极103和发光子区B的P电极107之间、在发光子区B的N电极103和发光子区C的P电极107之间分别设置有金属互连线109。

图1中各隔离沟槽D、E的侧壁的倾斜面与衬底101上表面的夹角α为50°。

实施例2：

对于从衬底出光的倒装LED芯片，实施步骤如下：

步骤1，取一LED外延片，具体结构包含衬底101以及外延生长的n-GaN层102、量子阱有源区104、p-GaN层105，通过光刻及干法刻蚀，形成侧壁大角度倾斜的隔离沟槽，沟槽深度达到绝缘衬底。具体方法与实施例1相同。

步骤3，采用光刻、金属蒸发及Lift-off工艺，在p-GaN层表面制备反射型电流扩展层106，该电流扩展层同时又是反射镜。

步骤6，通过光刻、金属蒸发及Lift-off工艺，制备跨越隔离沟槽的金属互连线109。

实施例2为从衬底出光的倒装LED芯片，可在侧壁制备大面积金属反射镜取代金属互连线，即大面积金属反射镜既反射光又起到互连线的作用。或者也可采用金属反射镜与金属互连线共存的情形。

如图2所示，通过金属互连线109，通过金属互连线109，将9个发光子区串联构成HV-LED芯片，电路原理图见图3。

如图4所示，通过金属互连线109，将12个发光子区构成整流桥式AC-LED芯片。

如图5所示，通过金属互连线109，通过金属互连线109，将8个发光子区构成串并混联式AC-LED芯片。

Claims

1.一种多发光子区GaN基LED集成芯片，包括衬底、n-GaN层、量子阱有源区、p-GaN层、电流扩展层和P电极，其特征在于：所述芯片包括至少两个发光子区，相邻的发光子区之间设有相互隔离的沟槽，所述沟槽的底部位于衬底表面。

2.根据权利要求1所述芯片，其特征在于所述沟槽的侧壁为倾斜面，各倾斜面与衬底上表面的夹角为30～80°。