電容式結構的發光二極體集成晶片及其製備方法
2023-06-13 03:10:46
電容式結構的發光二極體集成晶片及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種電容式結構的發光二極體集成晶片及其製備方法。該晶片包括外部連接埠，具有導電能力的透明電極層，絕緣介質填充層以及發光光源發光二極體晶片。通過將一定數量的發光二極體晶片與絕緣介質層形成電容器結構，在絕緣電介質層兩層為導電介質層，由此構成電容式結構，整個結構通過電極上的引線Pad點與外部連接埠連接。該發光二極體集成晶片採用新穎的驅動方式和晶片結構，採用高介電常數絕緣介質材料，晶片可由交流電源直接驅動，製作簡單，成本低。
【專利說明】電容式結構的發光二極體集成晶片及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明公開了一種電容式結構的發光二極體集成晶片及其製備方法，涉及半導體晶片技術製造領域和發光二極體光源【技術領域】，主要應用於大面積光源、柔性顯示、噴塗照明和指示照明等。
技術背景
[0002]發光二極體製造【技術領域】通常包括外延、晶片和封裝三個部分。外延包括外延片襯底的選取及外延材料層的生長，是發光二極體晶片的核心和基礎；晶片包括清洗、光刻、刻蝕、蒸鍍、剝離、磨拋等晶片製造工藝，是形成發光器件的重要步驟；封裝包括固晶、打線、塗敷螢光粉、蓋透鏡和注入矽膠等工藝步驟，是實現晶片完整封裝並推向應用走向市場化的決定因素。傳統的發光二極體晶片需在低壓恆直流條件下工作，因此常見的發光二極體產品都配備相對複雜的驅動電路，包含電感、變壓器、電阻和電解電容等電子元件，這些都為後續的封裝應用以及安全隱患等留下難題，不利於人們追求便捷、簡單、靈活的生活方式。並且傳統的橫向結構、垂直結構發光二極體都無法很好的解決電流擴展能力差的問題。電流的集聚效應尤其在大電流情況下的集聚都會直接導致晶片發光效率的下降，因此解決發光二極體晶片電流擴展已經成為發光二極體行業亟待解決的一大瓶頸。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對現有光源在電流擴展、驅動方式、使用安全等方面存在的技術缺陷，利用現有技術的現狀提供製作簡單、設計新穎、成本低廉、省略驅動的電容器結構的發光二極體集成晶片。
[0004]一種電容式結構的發光二極體集成晶片及其製備方法，該晶片結構在傳統發光二極體器件結構的基礎上集成了電容器件結構，該集成電容結構與傳統的發光二極體結合在一起，形成新的器件結構。電容器結構包括透明導電層和絕緣介質層，傳統發光二極體結構包括平面結構和垂直結構。本發明的系統工作原理圖如圖1所示，交流源通過電容結構經電容耦合的原理對發光負載實現電注入而發光，由於是交流電，所以無需考慮發光二極體晶片正反轉問題，都能實現晶片發光。
[0005]該晶片包括外部連接埠，具有導電能力的透明電極層，絕緣介質填充層以及發光光源發光二極體晶片。通過將一定數量的發光二極體晶片與絕緣介質層形成電容器結構，在絕緣電介質層上層為導電介質層，由此構成電容式結構，整個結構通過電極上的引線Pad點與外部連接埠連接。
[0006]本發明提供一種電容式結構的發光二極體集成晶片的製備方法，包括如下步驟:準備襯底；在襯底上形成發光半導體外延結構層，在生長外延層中生長一層外延絕緣層，繼續生長P/N型外延層以及位於P/N外延層中的量子阱發光層；生長完外延結構後需對外延結構用半導體加工技術加工，生長絕緣介質層；在絕緣介質層上製作透明導電層；最後蒸鍍金屬引線Pad點。
[0007]本發明設計的電容器結構發光二極體集成晶片是基於發光二極體晶片單元為基礎，通過發光二極體晶片與具有導電能力的電極層形成的平行板電容，平行板間為一層絕緣介質層而形成的電容器結構。將電容器直接接入交流電源下，具有導電能力的透明電極層將接入的電流傳輸給絕緣介質層，由於絕緣介質層大的縱向電阻、小的橫向電阻，電流能迅速地擴展至整個晶片，由於電容器本身的特有性質，在交流電流驅動下處於導通狀態，並通過電容耦合的方式向另一端的發光二極體晶片實現電注入發光。在製作過程中，無需考慮發光二極體晶片的正反向翻轉問題，因此，即使發光二極體晶片正負電極朝向不一致，其點亮情況仍然一致。整個電容工作在交流電流下，電容器極板上的電荷極性隨著交流電周期變化而變化，發光二極體晶片處於一種閃爍發光的狀態。
[0008]此種設計方法的發光二極體發光器件結構無需太多複雜的封裝工藝和結構，降低了封裝成本，簡化了產業鏈。並且，此種設計方法的發光二極體發光器件結構可直接工作於交流電源下，無需額外驅動電路，能夠很好的實現大面積晶片下電流均勻擴展。這種新型的驅動方式及晶片結構給後端的產品設計帶來了極大的靈活性，給予更大的創新空間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0010]圖1為系統工作原理圖；
[0011]圖2為以垂直結構Top-Down式發光二極體晶片為實施例的電容式結構發光二極體晶片；
[0012]圖3為以正裝結構lateral式發光二極體晶片為實施例的電容式結構發光二極體晶片。
【具體實施方式】
[0013]圖2、圖3所示分別為以垂直結構Top-Down式電容式結構發光二極體晶片和以正裝結構lateral式電容式結構發光二極體晶片，包括襯底I，發光二極體外延結構層，在生長外延層中生長一層P/N型摻雜半導體材料外延層3，位於P/N型摻雜半導體材料外延層之中的外延絕緣層2和量子阱發光層4，其中垂直結構P/N型摻雜半導體材料外延層3分別是N型摻雜半導體材料在上，P型摻雜半導體材料在下，正裝結構P/N型外延層3分別是P型摻雜半導體材料在上，N型摻雜半導體材料在下，生長完外延結構後需對外延結構用半導體加工技術加工，生長絕緣介質層5，在絕緣介質層5上製作透明導電層6，最後蒸鍍金屬引線Pad 點 7 ο
[0014]其中，襯底I可以是三氧化二鋁、SiC, GaAs, S1、GaN, Cu、鎢銅合金中的一種或其任意組合；通過金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)或分子束外延(MBE)中的一種方法或其任意組合生長發光二極體外延結構層；在生長外延層中生長一層外延絕緣層2，可以是A1N、氮化硼中的一種或其任意組合。
[0015]繼續生長P/N型摻雜半導體材料外延層3以及量子阱發光層4，P/N型摻雜半導體材料外延層3以及量子阱發光層4都可以是GaN、GaAs、AlGaN、InGaN、AlGaInP中的一種或其任意組合，P/N型摻雜半導體材料外延層3以及量子阱發光層4都是利用MOCVD等技術通過控制溫度、氣體組分、氣體源和載氣流量、ν/ΙΙΙ流量比、反應室壓力等條件進行外延生長。
[0016]生長完外延結構後需對外延結構用半導體加工技術加工生長絕緣介質層5，絕緣介質層5可以為氮化鋁、氮化硼、氧化鋁、氮化矽、氧化膽、氧化矽、鈦酸鍶鋇、氧化鈦、氧化鉿中的一種或其任意組合，使用的鍍膜方法包括等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)、電子束蒸鍍(EB)、派射(sputter)等方法。
[0017]在絕緣介質層5上製作透明導電層6，透明導電層6的材料可以為銦錫氧化物(ITO)、石墨稀、氧化鋅、Ni金屬薄膜中的一種或其任意組合。
[0018]半導體加工技術包括光刻、ICP刻蝕、蒸鍍、電鍍、PECVD、濺射、清洗、雷射剝離、化學腐蝕、退火、合金、磨拋、劃裂等。
[0019]通過以上工藝形成導電板-絕緣體-導電板的電容結構，並通過金屬引線接入外部連接埠 AC交流電源，工作頻率範圍可為ΙΗζ-ΙΜΗζ之間的任意值，通過電容耦合原理對晶片實現電注入發光。
[0020]實施例1 (參照圖2):
[0021]步驟1:選擇一藍寶石襯底I ;
[0022]步驟2:利用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術在藍寶石襯底I上外延生長外延層3，自下而上分別為N型氮化鎵、量子阱發光層4、AlN絕緣層2、P型氮化鎵；
[0023]步驟3:通過在P型氮化鎵上電鍍Cu和雷射剝離技術將襯底轉移到Cu (如圖中I處所示)上；
[0024]步驟4:在N型氮化鎵上利用濺射技術澱積一層氧化矽5，氧化矽的厚度範圍在10nm ；
[0025]步驟5:用電子束蒸發工藝在氧化矽上蒸鍍透明電極ITO層6和Pad點7 ；
[0026]步驟6:用引線將晶片與外電路連接；
[0027]實施例2 (參照圖3):
[0028]步驟1:選擇一藍寶石襯底I ;
[0029]步驟2:利用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術在藍寶石襯底上外延生長外延層3，自下而上分別為N型氮化鎵、AlN絕緣層2、量子阱發光層4、P型氮化鎵；
[0030]步驟3:利用光刻、ICP刻蝕技術刻蝕N型氮化鎵臺面，形成N型氮化鎵、P型氮化鎵在同一面的正裝結構；
[0031]步驟4:在P型氮化鎵上利用濺射技術澱積一層氧化矽5，氧化矽的厚度範圍在10nm ；
[0032]步驟5:用電子束蒸發工藝在氧化矽和N型氮化鎵面上蒸鍍透明電極ITO層6和Pad 點 7 ；
[0033]步驟6:用引線將晶片與外電路連接。
[0034]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種電容式結構的發光二極體集成晶片，包括: 一襯底； 一位於襯底上面的發光二極體外延層，該發光二極體外延層包括P/N型外延層，位於P/N型外延層之中的外延絕緣層，和量子阱發光層； 一在外延層上生長透明絕緣介質層； 一在絕緣介質層上製作透明導電層； 一金屬引線Pad點； 其特徵在於:發光二極體晶片和絕緣介質層形成電容器結構，通入交流源對發光負載實現電注入而發光。
2.如權利要求1所述的電容式結構的發光二極體集成晶片，其中電容式結構的發光二極體晶片包括平面結構和垂直結構。
3.如權利要求1所述的電容式結構的發光二極體集成晶片，其中發光光源發光二極體晶片的結構為正裝發光二極體結構，垂直發光二極體結構中的一種或其任意組合。
4.如權利要求3所述的電容式結構的發光二極體集成晶片，其中發光光源發光二極體晶片的發光波長範圍為300nm-700nmo
5.如權利要求4所述的電容式結構的發光二極體集成晶片，其中絕緣介質層為氮化鋁、氮化硼、氧化鋁、氮化娃、氧化膽、氧化娃、鈦酸鎖鋇、氧化鈦和氧化給中的一種或其任意組合，絕緣層的厚度為lnm-100um。
6.如權利要求5所述的電容式結構的發光二極體集成晶片，其中透明電極層為銦錫氧化物、石墨烯、氧化鋅和Ni金屬薄膜中的一種或其任意組合。
7.如權利要求6所述的電容式結構的發光二極體集成晶片，其中交流電源工作頻率範圍在IHz-1MHz之間。
8.如權利要求1-7任一所述的電容式結構的發光二極體集成晶片的製備方法，包括如下步驟: 準備襯底； 在襯底上形成發光半導體外延結構層，在生長外延層中生長一層外延絕緣層，繼續生長P/N型外延層以及位於P/N外延層中的量子阱發光層； 生長完外延結構後需對外延結構用半導體加工技術加工，生長絕緣介質層； 在絕緣介質層上製作透明導電層； 最後蒸鍍金屬引線Pad點。
9.如權利要求8所述的電容式結構的發光二極體集成晶片的製備方法，其特徵在於:其中通過金屬有機物化學氣相沉積、氫化物氣相外延或分子束外延中的一種方法或其任意組合生長發光二極體外延結構層。
10.如權利要求8所述的電容式結構的發光二極體集成晶片的製備方法，其特徵在於:其中半導體加工技術包括光刻、ICP刻蝕、蒸鍍、電鍍、PECVD、濺射、清洗、雷射剝離、化學腐蝕、退火、合金、磨拋或劃裂。
【文檔編號】H01L33/00GK104465921SQ201410817479
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月24日 優先權日:2014年12月24日
【發明者】詹騰, 馬駿, 劉志強, 伊曉燕, 王軍喜, 李晉閩 申請人:中國科學院半導體研究所