基于“半導體制造技術”探討氮化鎵發(fā)光二極管倒裝芯片結構及制造工藝

郝惠蓮+劉宏波

摘 要：基于傳統(tǒng)的氮化鎵二極管倒裝芯片技術，針對導電層吸收光和電極墊遮光而導致的發(fā)光亮度低的問題，本文主要介紹了氮化鎵發(fā)光二極管中一種新型倒裝芯片結構及其制造工藝。該倒裝芯片結構及新工藝的引入，可以有效增強光子的吸收，從而提高倒裝芯片的發(fā)光亮度。

關鍵詞：氮化鎵；發(fā)光二極管；倒裝芯片

近年來，氮化鎵（GaN）發(fā)光二極管（LED）照明由于具有節(jié)能、高亮度等優(yōu)點而越來越受到世界各國的重視，被稱為取代傳統(tǒng)照明的新一代光源。作為LED照明的核心，LED芯片的制造技術很大程度上決定了未來LED在照明領域的應用前景。倒裝LED芯片由于比正裝芯片具有更大的優(yōu)勢，日益受到消費市場的更大關注。

倒裝LED芯片是在傳統(tǒng)工藝的基礎上，將芯片的發(fā)光區(qū)和電極區(qū)不設計在同一個平面。傳統(tǒng)正裝結構的LED芯片，一般需要在P-GaN上鍍一層半透明的導電層使電流分布更均勻，而這一導電層會對LED發(fā)出的光進行部分吸收，而且P電極會遮擋住部分光，這就限制了LED芯片的出光效率。而采用倒裝結構的LED芯片，不但可以同時避開P電極上導電層吸收光和電極墊遮光的問題，還可以通過在P-GaN表面設置低歐姆接觸的反光層來將往下的光線引導向上，這樣可同時降低驅動電壓及提高光強。同時倒裝芯片采用金屬和基板直接鍵合，熱傳導明顯優(yōu)于正裝芯片，有效地改善了散熱問題。

本文就為克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種新型倒裝LED芯片結構及其制作方法。該方案采用反射率高的結構作為絕緣層，既可以起到很好的絕緣作用，同時具有很高的反射率，能將從側壁發(fā)出的光子有效地反射回去，從而提升倒裝芯片的發(fā)光亮度。

新型倒裝LED芯片結構，包括藍寶石襯底、外延結構層、絕緣層和接觸金屬層，藍層上的部分區(qū)域裸露，形成P區(qū)電極槽，接觸金屬層包括互不接觸的P區(qū)接觸金屬寶石襯底上表面生長有外延結構層，由下至上依次包括N-GaN層和P-GaN層，并使反光和N區(qū)接觸金屬，分別設置于P區(qū)電極槽和N區(qū)電極槽。絕緣層由兩種不同折射率的光學材料層相互周期性間隔形成，每個光學材料層的厚度為其入射中心波長的1/4。兩種不同折射率的光學材料層為SiO2和Ti3O5，一般SiO2的厚度最好控制在600nm，Ti3O5的厚度控制在1000nm。絕緣層覆蓋N區(qū)電極槽的側壁，N區(qū)電極槽的底部距離P-GaN層上表面的距離為1～2μm。接觸金屬層的P區(qū)接觸金屬和N區(qū)接觸金屬均為分層設置的導電性強的金屬，具體可以采用Cr/Pt/Au，這三者的厚度可以是10nm/100nm/2000nm。黏附金屬層可采用Cr、Ni或Ti，對其厚度需要控制在一個較薄的范圍內，以避免過多地吸光，導致反射率降低，一般控制為1～10nm，反射金屬層可采用Al或Ag，為了保證光子的反射率，對其厚度有一定要求，一般在50～1000nm。

在藍寶石襯底上依次生長出包括N-GaN層、量子阱層和P-GaN層的外延結構層，并蝕刻出N區(qū)電極槽；在P區(qū)電極槽和N區(qū)電極槽內分別設置互不接觸的P區(qū)接觸金屬和N區(qū)接觸金屬，形成接觸金屬層。在蒸鍍時，首先在P-GaN層表面蒸鍍一層用于增強黏附性的黏附金屬層，然后在該黏附金屬層上蒸鍍反射金屬層。

利用MOCVD設備在藍寶石襯底上生長出包括N-GaN層21、量子阱層22和P-GaN層的外延結構層。N-GaN層、量子阱層和P-GaN層由下至上依次采用正膠光刻外延結構層，利用感應耦合等離子蝕刻機或者反應離子蝕刻機進行蝕刻，蝕刻至N-GaN層，形成N區(qū)電極槽，N區(qū)電極槽的底部距離P-GaN層上表面的距離為1～2μm。用正膠光刻出反光層的附著位置，然后用金屬蒸發(fā)臺或磁控濺射設備在N-GaN層的表面依次蒸鍍兩層金屬作為反光層，其中第一層為黏附金屬層，第二層為反射金屬層。黏附金屬層通常采用Cu、Ni或Ti等金屬，其目的是增強反射金屬層與N-GaN層的黏附性，厚度一般不會太厚，因為太厚容易吸光。反射金屬層一般采用反射率高的金屬如Al或Ag等，反射金屬層一般較厚，其目的是保證光子的反射率，典型厚度為5～100nm，其目的是將向反光層發(fā)射的光子更好地反射回去，使得光子從藍寶石襯底的一面發(fā)射出去，以提升芯片的出光效率。

參考文獻：

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