一种阵列LED芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于LED制造技术领域，具体涉及一种阵列LED芯片及其制备方法。

背景技术

随着LED照明市场份额的不断扩大，对于LED的光效等照明性能的要求也越来越高，从普通家庭照明灯具逐步发展到需要更高功率的路灯、车前灯系统，市场对于大功率大尺寸甚至超大尺寸的LED芯片的需求越来越成为主流。超大功率，超大尺寸LED首先面对的第一个问题就是电流拥挤。嵌入式电极结构LED芯片相较于传统结构的芯片有许多优点：电流扩展性更好，导电性能更优，散热性能更佳以及光提取率更高。为了进一步提升嵌入式电极结构LED芯片的性能从而扩大其应用场景，研制阵列嵌入式电极结构LED芯片便具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种阵列LED芯片。

本发明的另一目的在于提供上述一种阵列LED芯片的制备方法。

本发明通过芯片级别的阵列排布，一方面可以提升LED的驱动电压、电功率以及光输出功率，可应用于对亮度需求高的场景；另一方面串联可降低LED芯片的结电容，从而降低RC时间常数，从而可用于制备适用于可见光通信的高带宽LED光源。

本发明所述阵列LED芯片的制备方法，是基于嵌入式电极垂直结构LED芯片，通过金属连接桥进行不同芯片之间的串联，从而实现阵列LED芯片的制备。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种阵列LED芯片，包括自下而上依次堆叠的高阻硅衬底、键合金属层、绝缘层、p接触反射镜金属及保护层、p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n型GaN层；还包括柱状N金属、N电极、金属连接桥、P电极；

所述柱状N金属两端分别位于键合金属层和n型GaN层，同时垂直贯穿绝缘层、p接触反射镜金属及保护层、p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层；

所述N电极位于键合金属层上，所述P电极位于p接触反射镜金属及保护层上；

所述金属连接桥一侧连接一芯片的键合金属层，另一侧连接另一芯片的p接触反射镜金属及保护层，从而实现相邻芯片的串联。

优选地，所述p接触反射镜金属及保护层、p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n型GaN层的外侧面以及n型GaN层的上表面设有绝缘层。

优选地，所述阵列LED芯片的单元个数为2个及以上，排布方式可为线性排布或其他多种任意排布方式。

优选地，所述高阻硅衬底的厚度为100～600μm。

优选地，所述金属键合层为Ni、Au、Sn和Ti中的至少一种，厚度为500nm～10μm。

优选地，所述柱状N金属侧面与p接触反射镜金属及保护层、p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n型GaN层通过绝缘层隔绝，所述柱状N金属的上表面与n型GaN接触形成欧姆接触，下表面与键合金属层形成电导通；所述N电极与柱状N金属均为Ti、Cr、Ag、Au和Pt中的至少一种；所述N电极的厚度为1～10μm；所述柱状N金属的高度为1～3μm。

优选地，所述绝缘层为SiO

优选地，所述p接触反射镜金属及保护层包括p接触反射镜金属和保护层；所述p接触反射镜金属为Ag和Ni中的至少一种，厚度为50～5000nm；所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为50～300nm。

优选地，所述P电极为Ti、Cr、Ag、Au和Pt中的至少一种；所述P电极的厚度为1～10μm。

优选地，所述p型GaN层的厚度为100～400nm；所述InGaN/GaN多量子阱层的厚度为30～120nm；所述n型GaN层的厚度为1500～4000nm。

上述一种阵列LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

(1)在外延衬底上依次生长缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p型GaN层，再制备p接触反射镜金属及保护层，得LED外延片；

(2)在步骤(1)的LED外延片上制备通孔结构，所述通孔结构依次径向贯穿p接触反射镜金属及保护层、p型Ga N层及InGaN/GaN多量子阱层，所述通孔结构延伸至n型GaN层底部，得到嵌入式柱状N电极通道；

(3)在步骤(2)通孔结构的内侧壁上和p接触反射镜金属及保护层的上表面生长绝缘层，所述内侧壁不包括通孔结构底面；

(4)在步骤(3)通孔结构沉积嵌入式柱状N金属；

(5)在步骤(4)所得LED芯片上通过负胶光刻后沉积剥离得到图形化的键合金属层，从而得到第一晶圆；

(6)在高阻硅衬底上通过负胶光刻后沉积剥离得到图形化的键合金属层，从而得到第二晶圆；

(7)将第一晶圆与第二晶圆金属键合层进行表面活化，然后预键合，退火，预键合的晶圆间形成牢固的键合，得到LED芯片半成品；

(8)将LED芯片半成品上的外延衬底采用化学腐蚀的方法剥离下来，再采用ICP干法刻蚀将缓冲层刻蚀掉；

(9)采用光刻沉积制备得到金属连接桥，实现不同芯片间的串联；

(10)最后通过光刻沉积分别制备得到N电极与P电极，得到阵列LED芯片。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

本发明提供的LED芯片，除了具有嵌入式电极垂直结构LED芯片的优势外，采用串联阵列的方法，进一步提升了LED芯片的驱动电压、电功率和光输出功率，可将本阵列LED应用于更多对照明需求高的场景。

本发明提供的LED芯片，通过串联阵列的方法，降低了芯片的结电容，从而降低了RC时间常数，可用于制备适用于可见光通信的高带宽LED芯片。

本发明提供的阵列LED芯片，流程简单，成品率高，适用于工业化生产，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1中LED芯片外延结构图；

图2为实施例1中所制备得到的第一晶圆结构图；

图3为实施例1中倒装后的第一晶圆结构图；

图4为实施例1中第二晶圆图；

图5为实施例1中第一晶圆与第二晶圆键合后并去掉了外延衬底和缓冲层的结构图；

图6为实施例1中制备得到金属连接桥后的结构图；

图7为实施例1中阵列LED芯片结构图；

图8是实施例1中阵列LED芯片幅频响应曲线对比图，其中下图为阵列LED芯片，上图为单一LED芯片。

图中，外延衬底101，AlGaN缓冲层102，n型GaN层103，InGaN/GaN多量子阱层104，p型GaN层105，绝缘层106，键合金属层107，柱状N金属108，p接触反射镜金属及保护层109，高阻硅衬底110，金属连接桥111，P电极112，N电极113。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

本实施例提供了一种阵列LED芯片，如图7所示，所述阵列LED芯片包括从下到上依次分布的高阻硅衬底110、键合金属层107、绝缘层106、p接触反射镜金属及保护层109、p型GaN层105、InGaN/GaN多量子阱层104、n型GaN层103；还包括柱状N金属108、N电极113、金属连接桥111、P电极112；所述柱状N金属108两端分别位于键合金属层107和n型GaN层103，同时垂直贯穿绝缘层106、p接触反射镜金属及保护层109、p型GaN层105、InGaN/GaN多量子阱层104；所述阵列LED芯片的单元个数为2个，排布方式可为线性排布。

本实施例中，P电极位于LED芯片p接触反射镜金属及保护层上，P电极为Ti、Cr合金。P电极厚度为5μm。

本实施例中，所述p接触反射镜金属及保护层、p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n型GaN层的外侧面以及n型GaN层的上表面设有绝缘层。

本实施例中，所述柱状N金属侧面与p接触反射镜金属及保护层、p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n型GaN层通过绝缘层隔绝，所述柱状N金属上表面与n型GaN接触形成欧姆接触，下表面与键合金属层形成电导通；N电极位于键合金属层上，与金属键合层接触形成电导通，N电极与柱状N金属均为Cr、Pt合金，N电极的厚度为5μm，柱状N金属的高度为2μm。

本实施例中，所述衬底为高阻硅衬底，厚度为300μm；所述绝缘层为SiO

本实施例中，所述p接触反射镜金属及保护层包括p接触反射镜金属和保护层；所述反射镜金属为Ag，厚度为50nm；所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为300nm。

本实施例中，所述金属键合层为Ni、Au合金，厚度为8μm。

本实施例中，所述p型GaN层的厚度为300nm；所述InGaN/GaN多量子阱层的厚度为60nm；所述n型GaN层的厚度为2μm。

本实施例提供了所述一种阵列LED芯片的制备方法，包括如下步骤：

(1)取外延衬底(Si衬底)，采用MOCVD设备在所述外延衬底101(Si衬底)上依次生长5um厚的AlGaN缓冲层102、n型GaN层103、InGaN/GaN多量子阱层104和p型GaN层105，得到LED外延片；继续使用电子束蒸发设备在p型GaN层105上沉积p接触反射镜金属及保护层109，金属蒸发速率为15埃/秒；

(2)在步骤(1)所述LED外延片上通过光刻和ICP刻蚀制备出通孔结构；所述通孔结构依次径向贯穿p接触反射镜金属及保护层、p型GaN层及InGaN/GaN多量子阱层，所述通孔结构延伸至n型GaN层底部；得到嵌入式柱状N电极通道；

(3)在p接触反射镜金属及保护层109的上表面以及整个通孔结构的内侧壁上用PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)生长绝缘层106，使其完全覆盖p接触反射镜金属及保护层109、通孔结构内壁和底部，再通过选择性酸腐去除通孔结构底部的绝缘层106，暴露出通孔结构的孔底；

(4)在通孔结构内采用金属蒸镀仪沉积嵌入式柱状N金属108；

(5)在步骤(4)所述得LED芯片上通过负胶光刻后沉积剥离得到图形化的键合金属层107，从而得到第一晶圆；

(6)在另一高阻硅衬底110上通过负胶光刻后沉积剥离的工艺制备得到图形化的键合金属层107，从而得到第二晶圆；

(7)将制得的第一晶圆与第二晶圆金属键合层进行表面活化，将处理后的键合层对准，然后一起送入键合机进行预键合，键合过程中从第二晶圆的转移衬底110的中心处开始施加压力，并逐渐向边缘拓展，达到键合压力2MPa后，在300℃温度下键合2h，随后退火，取出后送入退火炉，200℃下保温30min，预键合的晶圆间形成牢固的键合，得到LED芯片半成品；

(8)将LED芯片半成品的外延衬底经过机械研磨再浸没于氢氟酸、冰乙酸和硝酸的混合液中(氢氟酸：冰乙酸：硝酸(物质的量浓度)＝5:1:5)，腐蚀至外延衬底101消失为止，再采用ICP刻蚀去除缓冲层102，暴露出n型Ga N层103；

(9)之后采用光刻得到金属连接桥沟道，沉积制备得到金属连接桥111，实现不同芯片间的串联；

(10)最终通过光刻刻出N电极和P电极的台阶，分别沉积制备得到N电极113与P电极112，得到阵列LED芯片成品。

如图8所示，所制备得到的1×2阵列LED芯片，每个单元边长为33mil，阵列芯片的光输出功率在350mA下达到706.9mW，相较于非阵列的单颗同尺寸LED芯片在350mA下的光输出功率384.5mW提升了将近一倍；在350mA测试下，非阵列LED芯片的带宽为13MHz，1×2阵列LED芯片带宽提升至18MHz，也有了明显的提升，表明了其降低器件RC时间常数的作用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。