基于“半導體制造技術”探討氮化鎵發光二極管倒裝芯片結構及制造工藝

摘 要：基于傳統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光亮度低的問題，本文主要介紹了氮化鎵發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光亮度。

關鍵詞：氮化鎵；發光二極管；倒裝芯片

近年來，氮化鎵（GaN）發光二極管（LED）照明由于具有節能、高亮度等優點而越來越受到世界各國的重視，被稱為取代傳統照明的新一代光源。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勢，日益受到消費市場的更大關注。

倒裝LED芯片是在傳統工藝的基礎上，將芯片的發光區和電極區不設計在同一個平面。傳統正裝結構的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，熱傳導明顯優于正裝芯片，有效地改善了散熱問題。

本文就為克服上述現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，能將從側壁發出的光子有效地反射回去，從而提升倒裝芯片的發光亮度。

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，藍層上的部分區域裸露，形成P區電極槽，接觸金屬層包括互不接觸的P區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區接觸金屬，分別設置于P區電極槽和N區電極槽。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區電極槽的側壁，N區電極槽的底部距離P-GaN層上表面的距離為1～2μm。接觸金屬層的P區接觸金屬和N區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區電極槽；在P區電極槽和N區電極槽內分別設置互不接觸的P區接觸金屬和N區接觸金屬，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區電極槽，N區電極槽的底部距離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射出去，以提升芯片的出光效率。

參考文獻：

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