陣列式高壓交直流LED芯片的隔離工藝

田 婷，任 芳，梁 萌，王江華，劉志強(qiáng)，伊?xí)匝?，袁國棟 ，王軍喜 ，李晉閩

(1.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體照明研發(fā)中心，北京 100083; 2.鶴壁市大華實(shí)業(yè)有限公司，河南 鶴壁 458000)

引言

近年來，隨著LED封裝芯片成本的降低，LED驅(qū)動(dòng)電源以及散熱元件成本將會成為整個(gè)燈具成本的主導(dǎo)因素。由于LED為單向?qū)ㄆ骷?，因此傳統(tǒng)LED都是以直流電(direct current，DC)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而我們?nèi)粘Ｉ钪械挠秒?，大多以交流?alternating current,AC)的方式提供。因此在使用LED時(shí)，必須使用驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換，這會增加LED的功率損耗，從而減少LED的壽命。為了解決這些問題，陣列式高壓(high voltage,HV)交/直流LED的概念[1-5]被提出。陣列式高壓交/直流LED就是在芯片制作過程中實(shí)現(xiàn)多個(gè)LED微晶粒的串并聯(lián)，來實(shí)現(xiàn)交流高壓供電，與傳統(tǒng)封裝級高壓LED相比，陣列式高壓LED更節(jié)省空間，并且大大減小了LED的封裝成本。

1975年，Spitzer等[6]實(shí)現(xiàn)了多節(jié)的GaP基交直流LED 的集成。1998年，德國亞琛工業(yè)大學(xué)的研究人員對AlGaInP 基陣列式LED器件進(jìn)行了初步的研究[7]。2002年，Ao等[4]成功研制了交流操作的GaN基LED陣列，其采用兩條串聯(lián)的LED陣列反方向并聯(lián)的設(shè)計(jì)方式。此后，關(guān)于AC LED的研究與報(bào)道逐漸增加。高壓LED在結(jié)構(gòu)上僅使用串聯(lián)連接的方式，在驅(qū)動(dòng)電源中集成了一個(gè)整流器。

高壓交直流LED與傳統(tǒng)LED的一大區(qū)別在于隔離工藝，即將單顆芯片的發(fā)光區(qū)分離成多個(gè)相互絕緣的發(fā)光單元，目前普遍采用干法刻蝕方法進(jìn)行微晶粒間的隔離[8, 9]。而Choi研究小組[10]提出了使用激光劃槽的方法進(jìn)行器件隔離，這種方法無需掩膜以及光刻工藝，并且是一種高速的微加工技術(shù)。Ao[2]提出了重金屬擴(kuò)散的概念，并且實(shí)現(xiàn)了在20 V的電壓下電流只有10-4量級(2×105Ω的高阻)，這種方法通過在n-GaN中引入深受主雜質(zhì)使其半絕緣或者絕緣，從而達(dá)到器件隔離的效果，此方法避免了干法刻蝕以及激光劃槽引入的損傷。從外延角度考慮，采用絕緣材料(AlN)代替u-GaN層緩沖層，從而省掉了深刻蝕這步工藝。

本文主要對陣列式高壓交直流LED器件制備過程中的關(guān)鍵工藝——芯片隔離進(jìn)行了研究，并對感應(yīng)耦合等離子體(ICP)深刻蝕以及激光劃槽兩種芯片隔離方法進(jìn)行了對比，最終證明ICP深刻蝕隔離具有更高的靈活性，可以形成陡直性良好的隔離側(cè)壁且沒有殘留物，且由ICP深刻蝕隔離制備的器件具有更好的光電特性。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

要實(shí)現(xiàn)HV LED及AC LED，需將單顆芯片的發(fā)光區(qū)分離成多個(gè)相互絕緣的發(fā)光單元。在現(xiàn)有芯片工藝中，只需通過刻蝕部分p型GaN層將n型GaN層暴露，一般臺階高度約1～1.5 μm，如圖1(a)所示。由于我們通常使用的是藍(lán)寶石絕緣襯底的GaN LED結(jié)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)陣列式LED芯片，單元與單元之間的外延層必須完全刻蝕或腐蝕干凈，一般臺階高度大于5 μm，如圖1(b)所示，工藝難度相對較高。此外，由于GaN材料具有很好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，很難被化學(xué)溶液所腐蝕，在熱的堿溶液中也是以非常緩慢的速度溶解，所以在GaN器件制備過程中ICP刻蝕是一種常用的技術(shù)[4, 11, 12]。此外，微晶粒間的隔離還可采用激光劃槽[13]或離子注入隔離的方法[14]。

圖1 傳統(tǒng)LED(左)與HV-LED(右)芯片工藝比較Fig.1 Fabrication of traditional LED (left) and HV-LED (right) chips

在GaN基陣列式LED的制作中，離子注入隔離的原理是在n型半導(dǎo)體中引入深受主雜質(zhì)，n型半導(dǎo)體中的施主雜質(zhì)被深受主俘獲，使得材料出現(xiàn)高阻特性，最終實(shí)現(xiàn)隔離的目的。1995年，Pearton等[15]使用N+注入并結(jié)合熱退火，在n-GaN以及p-GaN中分別獲得了5×109Ω/m2的高阻區(qū)域，其離子注入的最大深度為3 μm。2011年，Ao[14]使用Ni粒子注入，對n-GaN材料進(jìn)行隔離，在20 V電注入下獲得了10-4A的低電流，注入深度為4 μm。離子注入隔離方法的隔離槽相對平坦，對后期的芯片鈍化及電極互連均有益處，可減小LED的表面泄漏電流[16]。然而，要獲得6 μm左右的隔離深度具有很大的難度。因此，本文主要研究ICP深刻蝕隔離與激光劃槽技術(shù)。

1.1 ICP深刻蝕

根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件及可操作性，我們首先使用ICP刻蝕技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微晶粒間的隔離。由于實(shí)驗(yàn)中所使用的GaN藍(lán)光LED外延層的厚度均在6 μm以上，因此需要優(yōu)化光刻膠的涂覆工藝，同時(shí)采用高選擇比的掩膜材料。由于LED外延層相對較厚，因此我們采用先臺面刻蝕、后深刻蝕的工藝步驟。臺面刻蝕深度為1.2 μm。采用光刻膠與SiO2作為深刻蝕的掩膜。光刻膠選用正性厚膠AZ4620，它被廣泛應(yīng)用于微細(xì)加工技術(shù)中，具有分辨率高、深寬比大、吸收系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)[17]。它與GaN材料的刻蝕比為1∶1。勻膠轉(zhuǎn)速為4 500 r/min，光刻膠厚度大約為5 μm。SiO2選用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)方法制備，厚度為900 nm，SiO2與GaN材料的刻蝕比為1∶4。在ICP 刻蝕中，ICP功率用來控制等離子體的產(chǎn)生和濃度，而射頻(RF)功率則用以控制等離子體轟擊材料表面的能量。在實(shí)驗(yàn)中，ICP 和RF功率分別為 450 W和 75 W，Cl2、BCl3和Ar2的流量分別為40 sccm、5 sccm和5 sccm(1 sccm=1 cm3/min)。在刻蝕過程中，采用分段刻蝕的方法，每次刻蝕300 s左右后需冷卻，因?yàn)殚L時(shí)間的刻蝕會造成溫度過高，可能導(dǎo)致光刻膠的碳化，從而失去掩膜作用，并且會給后期清洗帶來困難?？涛g總時(shí)間視外延層厚度而定，通常需刻蝕3～5次。

1.2 激光劃槽

此外，我們也使用激光劃槽方法對微晶粒進(jìn)行了隔離。激光劃槽工藝無需刻蝕掩膜、效率高，但是其對芯片形狀及排布有較高的要求。由于高壓芯片中不規(guī)則微晶粒的排布會對激光劃槽工藝帶來一定的困難，因此我們設(shè)計(jì)了一種規(guī)則分布的倒裝HV LED版圖，如圖2所示，其微晶粒排布整齊規(guī)則，由16顆LED微晶粒組成，總芯片大小為1 450 μm×1 450 μm，微晶粒尺寸為275 μm×275 μm，隔離槽寬度為16 μm。

圖2 新型的倒裝HV LED版圖Fig.2 The layout of new flip-chip HV LED

我們使用的激光劃片設(shè)備為德龍激光的LED劃片機(jī)，激光波長為355 nm，脈沖重復(fù)頻率為60 kHz，脈沖持續(xù)時(shí)間為30 ns，輸出功率0.8 W。在激光劃片前，我們首先對外延片進(jìn)行光刻，用以減少激光切割給GaN 外延層帶來的損傷。光刻之后獲得了平均深度為14 μm，寬度為6 μm的隔離槽。之后，將激光加工過的wafer浸入H2SO4∶H2O2(4∶1)、6 mol/L的KOH沸水浴、王水以及去離子水中清洗，去除掉激光劃槽內(nèi)在劃片過程中產(chǎn)生的反應(yīng)物顆粒。

之后，我們通過掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對兩種ICP深刻蝕以及激光劃槽之后的芯片形貌進(jìn)行了表征，并通過光致發(fā)光(photoluminescence,PL)研究了兩種工藝對p-GaN有源區(qū)的損傷，最后對兩種工藝制備的LED器件的電流-電壓特性(I-V特性)以及光輸出功率(LOP-I特性)進(jìn)行了測試與分析。

2 結(jié)果與討論

圖3為ICP深刻蝕后的SEM形貌。可以看出，隔離側(cè)墻具有良好的陡直性，從而可以減少有源區(qū)的損失。此外，隔離槽比較干凈，沒有刻蝕殘留物。可以證明ICP深刻蝕具有較高的靈活性，且芯片形狀可以根據(jù)需要變化，但難點(diǎn)在于其實(shí)施需要較厚及較高質(zhì)量的掩膜。

圖4激光劃槽后的隔離形貌。從圖中可以看出，激光劃槽過程中激光熔融的藍(lán)寶石重新凝固的部分仍殘留在隔離槽中[18, 19]，而且很難清洗干凈。

我們對ICP深刻蝕以及激光劃槽兩種方法進(jìn)行了對比?？梢杂^察到，兩種隔離方法均刻蝕到藍(lán)寶石襯底層，可以形成良好的芯片隔離。不同的是，ICP隔離槽比較干凈，沒有刻蝕殘留物，而激光劃槽的隔離槽中有反應(yīng)物殘留。

圖3 陡直性良好的ICP深刻蝕形貌Fig.3 The morphology of steep isolation trench by ICP deep etching

圖4 激光隔離槽SEM形貌Fig.4 The morphology of isolation trench by laser scribing

此外，我們使用PL對深刻蝕以及激光劃槽對p-GaN有源區(qū)損傷進(jìn)行了表征，如圖5所示。從PL結(jié)果來看，與隔離之前相比，隔離之后的PL強(qiáng)度明顯降低。這說明兩種隔離方法對外延材料均有一定的損傷[20]，并且損傷程度大致相當(dāng)。

圖5 深刻蝕以及激光劃槽前后PL強(qiáng)度對比Fig.5 The PL measurements from p-GaN before and after deep etching and laser scribed

最后，我們通過ICP深刻蝕以及激光劃槽兩種隔離工藝制備了陣列式高壓交/直流LED器件，并對其光電性能進(jìn)行了對比，如圖6所示。從圖6(a)中可以看出，深刻蝕與激光劃槽器件在I-V特性上差距不大，20 mA注入電流下，其工作電壓分別為52.8 V和53.0 V。但從圖6(b)中可以觀察到，深刻蝕工藝器件光學(xué)特性較好，在20 mA電流下，其光輸出功率比激光劃槽工藝的器件高出12.1%。這主要是因?yàn)榧す鈩澆鄣呐艿牢辞逑锤蓛簦瑢庥幸欢ǖ奈铡?/p>

圖6 深刻蝕以及激光劃槽倒裝HV LED的光電性能Fig.6 The photoelectric performances of HV LEDs by deep etching and laser scribing

3 結(jié)論

我們通過對陣列式高壓交/直流LED制備過程中的芯片隔離工藝的具體分析，對比了ICP深刻蝕與激光劃槽兩種芯片隔離技術(shù)。通過SEM表征、PL測試以及最終制備的陣列式高壓交/直流LED的電學(xué)性能，我們可以得到，ICP深刻蝕工藝靈活性較高，且能獲得陡直的隔離側(cè)壁，其制備的LED器件具有更好的光電特性。對于高壓及交流的LED器件，ICP深刻蝕工藝能起到更好的芯片隔離作用。