CN103762222A - 一种模块化阵列式高压led芯片及其制造方法 - Google Patents

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郭金霞
田婷
伊晓燕
王莉
李璟
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Abstract

本发明公开了一种模块化阵列式高压LED芯片及其制造方法，芯片由至少一个单元模块组成，该单元模块包含至少一个LED微晶粒；各LED微晶粒之间互相绝缘隔离集成于衬底上，且各单元模块中的LED微晶粒之间以及单元模块之间通过互联引线的方式串联在一起。在制造时，先在一个衬底上生长N型外延层、量子阱发光层、P型外延层，刻蚀出制作N电极的N型外延层的材料面和LED微晶粒间的绝缘隔离跑道后，分别在P型外延材料制作电流阻挡层、ITO透明导电层和金属电极；然后通过激光划片工艺沿所述隔离跑道进行切割，得到模块化阵列式高压LED芯片。本发明能同时得到30V和60V的阵列式高压芯片，并降低了芯片制造成本，给芯片的加工提供了多种可供选择的方案。

Description

一种模块化阵列式高压LED芯片及其制造方法
技术领域
本发明属于半导体照明技术领域，具体而言，是一种模块化阵列式高压LED芯片及其制造方法。
背景技术
作为新一代绿色环保的固态照明光源，GaN基LED的发光效率和可靠性在不断的提高和改善。相比于其他传统光源，高性能LED具有光电转换效率高、寿命长、损耗低、无污染等显著优势，已广泛应用关于通用照明、交通指示、显示屏背光源和户外显示屏等领域。传统LED器件结构类型包括正装、垂直和倒装结构。正装结构LED的pn电极分别位于芯片的同侧，其存在的缺点包括散热性能不佳和电流拥挤效应；垂直结构LED特殊的导电衬底和芯片结构，pn电极分别位于芯片的两侧；倒装结构LED的GaN外延层表面整面蒸镀金属反射电极，采用倒装焊技术将芯片倒装于基板上。
模块化阵列式高压LED芯片内部采用阵列式结构，内部集成多个独立的LED微晶粒，采用电互联的方法将微晶粒串联或并联在一起。通过制作阵列式结构LED器件，能够实现LED器件高电压、小电流的工作状态。相较于传统大功率LED器件，阵列式高压LED(HV-LED)在电流扩展、光提取、功率效率以及光效droop等光电特性方面有较大的优势。由于阵列式LED器件的特殊结构和光电特性，应用在通用照明领域中时，可以使驱动电路的结构简化并降低成本。
目前的高压LED芯片都采用多个子单元串联形成一个阵列式高压芯片的形式互连，市场上主流的高压LED芯片工作电压在50V左右，大约是15-16个芯片单元。然而，在实际应用中如果对配光要求不高，则需要电压规格更小的高压LED芯片，而为了满足配光的高要求，则需要更多的芯片集成，或者更小的芯片尺寸，为了满足不同电压和尺寸规格需求，通常需要设计不同的版图，导致制版过程乃至整个芯片制造过程成本大幅度提高。
中国专利申请公开说明书CN103236474A中公开了一种利用同一版图实现不同电压规格的芯片的阵列式高压LED制作方法。在该现有技术中，将四个LED子单元串联起来作为最小的高压LED阵列单元，各高压LED阵列单元之间通过金属互连串联。可以根据不同的电压规格需要选择切割方式，可以分别切割出12V、24V、36V、48V的阵列式高压LED芯片，如图1所示。
但是，在阵列式高压LED器件实际应用过程中，存在变压后电压在240-250V的电压需求。对于氮化镓基LED来说，每个LED子单元的工作电压一般在3V左右，因此需要60V和30V的电压规格的高压芯片。对于60V和30V的高压芯片需要10个或20个子单元，子单元个数是5的倍数。如果仍然采用图1所示的芯片版图设计，会导致高压LED芯片在横向上过长，不利于配光设计和采用通用管壳封装。
此外，对于同一个阵列式高压LED芯片来说，各子单元的电流密度要相当，否则，整个芯片的亮度不均匀，更甚者会导致不同子单元工作寿命不同，而一旦个别子单元失效，会降低整个芯片乃至应用产品的可靠性。在设计高压LED芯片时，需保证高压LED芯片中各子单元的面积相等，因此正常工作状态下各子单元的电流密度就相等，不会出现高压LED芯片亮度不均匀或各子单元衰减不一等现象。
传统的高压LED芯片结构的设计方法例如图2A～图2D所示。如图2A和图2B所示的皆为长条形结构的设计方法，此种版图结构设计简单，各子单元间的金属互联简单，不会产生较长的互联引线，对器件的可靠性造成影响；但是一旦需要制作较高工作电压的高压LED芯片(如60V)，高压LED芯片内部会集成更多的发光子单元，因此采用此单一的长条形设计，会导致芯片长度过长，给芯片的封装带来极大的困难。如图2C和图2D所示，将高压LED芯片设计成正方形，大大改善了芯片的长宽比，不会造成单一方向过长，给封装带来困难；但如果针对市场同时对60V和30V高压芯片的需求，此种设计方法较为死板，不能同时制作出30V和60V的高压芯片。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对背景技术以及以上分析得出的结论，本发明的主要目的在于设计一种模块化阵列式高压LED芯片，使之能够同时满足市场上对30V和60V的需求，并且能够实现灵活的封装。
(二)技术方案
本发明的一个方面提出一种模块化阵列式高压LED芯片，由至少一个单元模块组成，该单元模块包含至少一个LED微晶粒；各LED微晶粒之间互相绝缘隔离集成于衬底上，且各单元模块中的LED微晶粒之间以及单元模块之间通过互联引线的方式串联在一起。
根据本发明的一种具体实施方式，所述的单元模块为正方形或长方形结构。
根据本发明的一种具体实施方式，所述的单元模块中的LED微晶粒为长方形、正方形、三角形、菱形、六边形，或者上述形状的组合，且各LED微晶粒的面积相同。
根据本发明的一种具体实施方式，所述的互联引线的材料为铟锡氧化物(ITO)、氧化锌(ZnO)、石墨烯和金属中的一种及其任意组合。
根据本发明的一种具体实施方式，所述单元模块包含独立的P型电极和N型电极；单元模块与单元模块之间通过P型和N型电极串联在一起。
本发明的另一方面提出一种制造模块化阵列式高压LED芯片的方法，包括如下步骤：S1、在一个衬底上生长N型外延层、量子阱发光层、P型外延层，刻蚀出制作N电极的N型外延层的材料面和LED微晶粒间的绝缘隔离跑道后，分别在P型外延材料制作电流阻挡层、ITO透明导电层和金属电极；S2、通过激光划片工艺沿所述隔离跑道进行切割，得到模块化阵列式高压LED芯片，其由至少一个单元模块组成，该单元模块包含至少一个LED微晶粒；各LED微晶粒之间互相绝缘隔离集成于衬底上，且各单元模块中的LED微晶粒之间以及单元模块之间通过互联引线的方式串联在一起。
(三)有益效果
本发明的设计方法灵活多变，既能够同时得到30V和60V的阵列式高压芯片，满足了市场需求；同时也降低了芯片制造成本，给芯片的加工提供了多种可供选择的方案。此外，本发明得到的正方形或2∶1长宽比的长方形芯片结构有利于芯片进行封装。
附图说明
图1为中国专利申请公开说明书CN103236474A中的阵列式高压LED芯片结构；
图2A至图2D为传统阵列式高压LED芯片的设计图；
图3为本发明的一个实施例模块化阵列式高压LED芯片的俯视图；
图4为本发明的一个实施例的模块化阵列式高压LED允许激光切割的跑道的示意图；
图5为本发明的一个实施例的15V阵列式高压LED芯片俯视图及其等效电路；
图6为本发明的一个实施例的30V阵列式高压LED芯片俯视图及其等效电路；
图7为本发明的一个实施例的60V阵列式高压LED芯片俯视图及其等效电路。
具体实施方式
LED芯片结构包括，衬底、N型外延层、量子阱发光层、P型外延层、互联引线、P型金属电极和N型金属电极。衬底可以是同质衬底或异质衬底，平面衬底或图形化衬底皆可，衬底厚度在100μm至600μm之间。采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)或分子束外延(MBE)等工艺方法在衬底上生长外延材料结构，外延结构的厚度为3等工至50工艺。首先在衬底上沉积半导体材料缓冲层，随后生长N型掺杂的材料层；量子阱发光层生长于N型材料层之上；最后在外延材料结构的最上方生长一层P型掺杂的材料层。
采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或溅射(Sputter)等方法在P型材料层上制作电流阻挡层；电流阻挡层的组成材料可以是氧化硅、氮化硅或氧化钛，及其以上材料的任意组合；生长完电流阻挡材料层之后，采用光刻、显影以及腐蚀等方法将其图形化；电流阻挡层13的厚度为10nm至500nm。透明导电层位于电流阻挡层之上，该透明导电层12为氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)或石墨烯等材料中的一种或任意多种组合，透明导电材料层的制作方法可以是电子束蒸发(EB)、溅射(Sputter)或化学气相沉积(CVD)；透明导电层的厚度为50nm至1000nm；通过光刻、曝光、显影、腐蚀等方法，使透明导电层图形化后位于P型材料层和电流阻挡层的上方。
采用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)或激光划槽等办法，将衬底上的外延结构层分隔成各自独立的LED微晶粒。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或溅射(Sputter)等方法在每个LED微晶粒的侧壁上沉积一层绝缘介质层，该绝缘介质层的组成材料可为氧化硅、氮化硅或氧化钛中的一种或任意多种组合；绝缘介质层的厚度为50nm至1000nm。
采用电子束蒸发的方法，在芯片表面形成一金属导电层，金属导电层的材料可以是Ti、Au、Pt、Al、Ni或Cr中的一种或任意多种组合；通过光刻、曝光、显影和剥离等方法，在芯片表面形成P型电极Pad区域31、N型电极Pad区域32和金属互联引线33；相互隔离的发光微晶粒之间通过金属互联引线33串联在一起；P型电极Pad区域31和N型电极Pad区域32分别用于打金线，使芯片与外部电路或支架连接。
图3为本发明的一个实施例的模块化阵列式高压LED芯片的俯视图。如图3所示，所有圆形图形皆为P型电极Pad区域，方形图形皆为N型电极Pad区域；从图3中可以看出，每个方形的最小单元成为一个单元模块，每个单元模块里都包含了单独的P型和N型电极Pad，可单独用于封装。
该实施例中为了实现最大60V驱动的单颗集成式高压LED芯片，以每颗驱动电压为3V的蓝光GaN基LED作为发光子单元，需要20颗发光子单元串联在一起。如果实现30V驱动的单颗集成式LED芯片，则需要10颗LED发光子单元串联在一起。
为了便于同时实现30V和60V高压LED芯片，本发明设计了一种模块化结构的阵列式高压LED芯片。该种模块化阵列式高压LED芯片由很多相同的单元模块组成，该种单元模块为正方形或长方形结构；本发明中每个模块包含五颗串联的发光子单元，驱动电压为15V，其中每颗发光子单元的芯片面积相同，发光子单元的形状可以为正方形、长方形、三角形、菱形、六边形或上述形状的组合；该种模块化阵列式高压LED芯片中的各单元模块之间通过金属互联引线串联在一起，单独一个单元模块的驱动电压为15V，两个单元模块的驱动电压为30V，三个单元模块的驱动电压为45V，四个单元模块的驱动电压为60V。
无论通过何种设计方法，单个单元模块中的发光子单元需在面积相同的情况下组成正方形的15V单元模块。通过单元模块之间的互联，可制作出两个单元模块组成的长宽比为2∶1的长方形30V高压LED和四个单元模块组成的正方形的60V高压LED。
本发明结合了CN103236474A专利中的设计思想，对阵列式高压芯片进行模块式划分区域后，再采用随意切割的技术对晶圆片进行切割加工，根据芯片设计中预留的隔离跑道，可切割出驱动电压不等的高压LED芯片。切割后得到的高压LED芯片的形状，由模块化阵列式高压LED芯片的最小单元模块形状及单元模块之间的排列方式决定。
本发明设计的单元模块为由五颗面积相同发光子组成的正方形结构。该单元模块的正常驱动电压为15V，每个模块上有独立的P型Pad金属电极和N型Pad金属电极，切割后得到的15V小单元模块可以作为独立的单颗高压LED芯片使用。改变切割方式，增加隔离跑道的间隔距离，可得到由两个模块串联组成的长方形30V高压LED芯片，该高压LED芯片的P型和N型Pad金属电极分别为第一个单元模块的P型Pad金属电极和第二个单元模块的N型Pad金属电极。再次改变切割方式，增加隔离跑道的间隔距离，可得到由四个模块串联组成的正方形60V高压LED芯片，该高压LED芯片的P型和N型Pad金属电极分别为第一个单元模块的P型Pad金属电极和第四个单元模块的N型Pad金属电极。
其中值得注意的是，如果不改变切割方式，只得到最小驱动电压为15V的单元模块，通过后续的LED固晶以及打金线技术，亦可封装出模组形式的30V和60V阵列式高压LED芯片。同时，60V的高压芯片亦可通过两颗30V的高压芯片通过封装形式实现。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种模块化阵列式高压LED，包括一绝缘衬底、氮化镓外延材料层、钝化层和金属互联引线及电极，其中：阵列式高压LED芯片由模块化结构组成，其中各个模块通过金属引线互联线串联的方式互相连接在一起；各模块包含五个LED微晶粒，且各LED微晶粒之间互相绝缘隔离集成于绝缘衬底上；在每个发光微晶粒的侧壁形成绝缘介质层；模块中的LED微晶粒之间通过金属引线互联的方式串联在一起。
图4为本发明的上述实施例的模块化阵列式高压LED允许激光切割的跑道的示意图。图5～图7分别为上述实施例的不同模块组合成的不同规格的高压LED芯片的外观图及其等效电路。如图3所示，该模块化阵列式高压LED芯片单元模块为附图标记35所指的图形，每个单元模块中包含五颗LED微晶粒；单元模块之间可通过金属互联引线33串联在一起。通常是用激光切割的方法，沿着芯片结构中的预留隔离跑道，采用不同的切割路径，可得到由不同模块数量组成的高压LED芯片。
如图4所示，运用激光划片工艺，分别选择图4中的1、2、3、4、5、6六种不同的划片跑道组合切割，最后会得到三种不同的高压LED芯片。如果1、2、3、4、5、6六条切割道同时切割，可得到四颗相同的15V高压LED模块，每个15V高压LED模块中包含五个发光子单元，切割后的15V高压芯片及其等效电路见图5所示；如果采用1、2、3、4、6五条切割道进行切割，可得到两颗30V的高压LED模块，每个30V高压LED模块由两颗15V高压LED模块串联组成，切割后的30V高压LED模块及其等效电路见图6所示；如果采用1、3、4、6四条切割道进行切割，可得到一颗60V的高压LED模块，该60V高压LED芯片由4颗15V高压LED模块串联组成，切割后的60V高压LED芯片及其等效电路见图7所示。
下面说明制造上述实施例的模块化阵列式高压LED芯片的方法。该方法包括如下步骤：
步骤S1：在一个衬底上生长N型外延层、量子阱发光层、P型外延层，刻蚀出制作N电极的N型外延层的材料面和LED微晶粒间的绝缘隔离跑道后，分别在P型外延材料制作电流阻挡层、ITO透明导电层和金属电极。
该步骤先形成一个外延结构，该外延结构包括衬底N型外延层、量子阱发光层和P型外延层。N型外延层例如是GaN层、量子阱发光层例如是InGaN／GaN量子阱发光层，P型外延层例如是P型GaN层，衬底例如可以是蓝宝石衬底。
接着，利用光刻的方法制作掩膜，选择性ICP刻蚀型外延层和量子阱发光层至N型GaN层，形成N型台面；再利用PECVD方法，在P型外延层表面形成电流阻挡层，例如先沉积SiO2薄膜，再利用光刻方法形成。
然后，利用电子束蒸发的方法，在P型外延层和电流阻挡层表面沉积一个ITO透明导电层；再采用PECVD方法生长一个SiO2薄膜，运用光刻办法制作掩膜，腐蚀SiO2，采用ICP深刻蚀方法，将深槽隔离的部分外延区域刻蚀至衬底，形成各LED微晶粒之间的隔离跑道；采用PECVD办法，在外延结构上沉积SiO2，其厚度例如为500nm；
最后，运用光刻办法制作掩膜，腐蚀掉隔离深槽侧壁以外的SiO2；采用光刻办法，在外延结构上，再次运用光刻办法，制作光刻胶掩膜；电子束蒸镀金属，成分依次是Cr／Pt／Au，通过lift-off工艺将电极位置以外的金属层剥离掉，形成金属电极；
步骤S2：通过激光划片工艺沿所述隔离跑道进行切割，得到模块化阵列式高压LED芯片，其由至少一个单元模块组成，该单元模块包含至少一个LED微晶粒；各LED微晶粒之间互相绝缘隔离集成于衬底上，且各单元模块中的LED微晶粒之间以及单元模块之间通过互联引线的方式串联在一起。如前所述，如果分别选择图4中的六种不同的划片跑道1、2、3、4、5、6组合切割，最后会得到三种不同的高压LED芯片。
通过激光划片工艺进行切割，得到模块化阵列式高压LED芯片。如前所述，如果分别选择图4中的六种不同的划片跑道1、2、3、4、5、6进行组合切割，最后会得到三种不同的高压LED芯片。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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)

1.一种模块化阵列式高压LED芯片，其特征在于，由至少一个单元模块组成，该单元模块包含至少一个LED微晶粒；
各LED微晶粒之间互相绝缘隔离集成于衬底上，且各单元模块中的LED微晶粒之间以及单元模块之间通过互联引线的方式串联在一起。
2.根据权利要求1所述的模块化阵列式高压LED芯片，其特征在于，所述的单元模块为正方形或长方形结构。
3.根据权利要求1所述的模块化阵列式高压LED芯片，其特征在于，所述的单元模块中的LED微晶粒为长方形、正方形、三角形、菱形、六边形，或者上述形状的组合，且各LED微晶粒的面积相同。
4.根据权利要求1所述的模块化阵列式高压LED芯片，其特征在于，所述的互联引线的材料为铟锡氧化物(ITO)、氧化锌(ZnO)、石墨烯和金属中的一种及其任意组合。
5.根据权利要求1所述的模块化阵列式高压LED芯片，其特征在于，所述单元模块包含独立的P型电极和N型电极；单元模块与单元模块之间通过P型和N型电极串联在一起。
6.一种制造模块化阵列式高压LED芯片的方法，包括如下步骤：
S1、在一个衬底上生长N型外延层、量子阱发光层、P型外延层，刻蚀出制作N电极的N型外延层的材料面和LED微晶粒间的绝缘隔离跑道后，分别在P型外延材料制作电流阻挡层、ITO透明导电层和金属电极；
S2、通过激光划片工艺沿所述隔离跑道进行切割，得到模块化阵列式高压LED芯片，其由至少一个单元模块组成，该单元模块包含至少一个LED微晶粒；各LED微晶粒之间互相绝缘隔离集成于衬底上，且各单元模块中的LED微晶粒之间以及单元模块之间通过互联引线的方式串联在一起。
7.根据权利要求6所述的制造模块化阵列式高压LED芯片的方法，其特征在于，所述的单元模块为正方形或长方形结构。
8.根据权利要求6所述的制造模块化阵列式高压LED芯片的方法，其特征在于，所述的单元模块中的LED微晶粒为长方形、正方形、三角形、菱形、六边形，或者上述形状的组合，且各LED微晶粒的面积相同。
9.根据权利要求6所述的制造模块化阵列式高压LED芯片的方法，其特征在于，所述的互联引线的材料为铟锡氧化物(ITO)、氧化锌(ZnO)、石墨烯和金属中的一种及其任意组合。
10.根据权利要求6所述的制造模块化阵列式高压LED芯片的方法，其特征在于，所述单元模块包含独立的P型电极和N型电极；单元模块与单元模块之间通过P型和N型电极串联在一起。
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