發光二極體集成矩陣組件及製法的製作方法
2023-12-12 01:15:42
專利名稱：發光二極體集成矩陣組件及製法的製作方法
發光二極體(LED)集成矩陣組件，屬半導體電光集成器件及其製備方法。
近年來，發光二極體(LED)在各種尖端科學領域及民間的顯示顯像裝置上的應用越來越廣泛。組成線陣或面陣的LED組件在空間技術顯示顯像或信息記錄中已有實際應用。LED做為數字或文字顯示元件可分為筆劃型和點陣型兩類，已提出單板機控制的LED多功能變色矩陣顯示裝置軟體的設計方法，此方法亦適用於電致發光屏，薄膜屏及其他文字點陣屏的顯示裝置，可顯示15×16或15×18的數字或字符。採用EPROM列表及附加解碼器等晶片組成的LED顯示器，可組成5×7點陣顯示，並可縮為一位或二位點陣顯示，也可擴展成多位點陣顯示。
常規用於LED的材料有GaAsP/GaAs GaAsP/GaP GaP/GaAsGaP/Gap GaAlAs/GaAs 特別是由於GaAlAs的研製和開發使得LED的發光強度大幅度提高，已可在室內外進行矩陣顯示。為了實現上述目的，只簡單的將多個LED裝在一起構成矩陣顯示已遠不能滿足微型化的需要。自70年代以來，LED微型矩陣組件的研製工作相繼有所報導。
日本烏取三洋電子有限公司電子器件部和大板三洋電子有限公司半導體研究中心(HIROSHI，YAMANE，TATSN-HIKO NIINA，etc.A Low-cost SUPER-HIGH-LUMINANCE GaP GREEN LED MONOLITHIC FLAT-PANEL DISPLAY.(Proceeding of The SID Vol 29/1988)報導了一種疊層鋸溝法GaP材料X-Y交叉控制單片LED微型組件。採用上述技術較之採用常規半導體集成電路技術，即多次掩膜，多次光刻，進行光電隔離，實現X-Y交叉控制，無疑是前進了一步，克服了以往常規工藝複雜，成品率低達5%，且存在電極與電極，電極與襯底間漏電等問題，但由於GaP材料的固有問題，點陣間的串光難以解決。這對顯示顯像工作十分不利。
本發明的目的是採用另外發光材料，伴以疊層鋸溝-定域擴散法制出單片集成矩陣LED組件，它不但克服了常規工藝製備LED微型矩陣組件的弱點，也克服了串光而帶來顯示工作中解析度上的難題。
本發明公開的以GaAsP/GaAs(n)發光材料與高阻GaAs∶Zn疊層複合後，以空間鋸溝和P-n結隔離的新型工藝製備X-Y交叉引線LED矩陣組件是4×9-36元微型組件，本組件晶片的構成如
圖1所示1-1 高阻n-GaAs(Te) n-1015-16/cm31-2 P-GaAs(Zn) n 1019-20/cm31-3 Si3N4～1000-2000A°1-4 Au-Ge-Ni 1-2μm1-5 Ag膠粘結層1-6 Au-Ge-Ni 0.5-1.0μm1-7 n-GaAs(Te) 1-5×1017/cm1-8 n-GaAs0.6P0.4(Te) n-0.5-8×1017/cm3
1-9 P-GaAs0.8P0.4P 1019-20/cm31-10 Si3N41000～2000A°1-11 Al電極 5000-10000A°1-12 隔離溝 寬30-50μ 深5-10μ(深入隔離襯底)1-13 矽鋁絲金絲引線 30-50μ本發明的LED微型矩陣組件由兩大部分組成，如圖2。
它們是Al2O3黑瓷基座(2-1，2-2，2-3)和發光晶片(2-4，2-5)。圖2中2-1 負極外引線2-2 正極外引線2-3 Al2O3黑瓷基座2-4 環氧樹脂封裝2-5 36元發光蕊片本發明得以實現的技術關鍵是1、發光材料需高效率，高吸收，即在保證高發光亮度的前提下，發光元之間不串光。
2、p層發光源之間保證光電隔離。
3、n層列間保證電隔離。
基於上述要求，我們選取n-GaAs0.8P0.4/GaAs發光材料n＝0.5-8×1017/cm3為宜，在該載流子範圍內，反向電壓一般＞10V(50mA)。P型層可以用定域擴散實現發光元之間的光電隔離。因n型層是全導通的，且厚度一般在200μm左右，用通常的刻蝕辦法是難以達到的。本發明在於把發光晶片與高阻GaAs經Zn擴散後疊合在一起，用鋸溝的方法，將GaAs0.6P0.4/GaAs層，高阻的GaAs P-n結鋸開。達到n層襯底p-n結電阻隔離的目的。
(二)黑陶瓷基座的設計和製備1、基座材料不反光，以提高顯示工作的清晰度。我們選擇了Al2O3黑瓷材料。
2、外形尺寸和電阻尺寸精度很高。
3、敷設的電極材料電阻小且要均勻，與外引線的直流電阻＜1Ω。
本發明的單片集成LED矩陣組件的測試結果表明，各項指標均達到了設計構思要求1、發光元之間的串光估計，如圖3，串光程度可用公式Ix＝I0EXP-αx估計。其中I0為發光強度，α為發光材料的吸收係數，GaAs06P04的吸收係數為700cm-1，X為傳播距離，本設計為0.04cm代入上式Ix=IOexp-700×0.04= (IO)/(e28) =0即I0傳到臨近發光點邊界基本降為0。
2、負極間隔離電阻測量圖4示出了隔離溝，把高阻GaAs擴散的p-n結分開。用萬用表分別測試各電極間電阻列表1
表1 電極間電阻值
Xi為任意一點發光亮度。
X發光亮度平均值。
n發光元數。
表2 亮度平均值與均勻性
測試條件 10mA溫度 21℃4、LED發光亮度與電流的關係。如圖5所示，在0-40mA條件下，亮度上升較快。60mA以上，亮度呈飽和趨勢。在此載流子範圍內10-30mA工作電流比較合適。
本發明LED單片集成矩陣點陣頭的製備選用發光材料n-GaAs0.6P0.4/GaAs(Te)，其中載流子濃度n～0.5-8×1017/cm3，此外還可選用GaP/GaP，GaAsP/GaP，GaAlAs/GaAs等其他發光材料，所用高阻GaAs載片n～1015-16/cm3。也可選用絕緣GaAs，絕緣Si和薄的陶瓷片等。
本發明36元矩陣組件製備工藝如下(GaAs0.6P0.4/GaAs(Te))一、發光晶片製備1、選用GaAsP外延片在等離子- 氣相沉積設備(P-LPCVD)生長Si3N4層。
2、在等離子刻蝕機中進行Si3N4的F離子刻蝕。
3、進行鋅的閉管定域擴散。
4、蒸鍍鋁電極。
5、常規溼法光刻鋁電極。
6、燒結鋁電極制歐姆接觸。
7、將GaAsP外延片GaAs層一側減薄並蒸鍍Au-Ge-Ni電極。
8、燒結Au-Ge-Ni電極成歐姆接觸。
二、高阻GaAs p-n結隔離襯底的製備1、將高阻GaAs片進行封管Zn擴散。
2、在擴散層表面用P-LPCVD設備生長Si3N4膜;
3、在SiN4表面蒸發Au電極;
4、燒結使Au與Si3N4層牢固結合;
5、減薄;
三、疊層，鋸溝裁晶片1、將上述製備的發光晶片和P-n結高阻GaAs底片按要求尺寸裁片;
2、將銀膠塗到發光晶片的GaAs一側並粘到高阻GaAs襯底上，兩片一端對齊，另一端留出0.7mm左右的Au電極表面;
3、烘烤;
4、將烘好的片子鋸溝並裁出36元晶片。
四、組裝1、清洗予先製備好的Al2O3黑瓷基座，2、用環氧樹脂把選好合格的矩陣晶片粘接到黑瓷基座的適當位置，3、固化粘接劑，用矽鋁金絲將晶片正負極連接到基座的正負極，
4、將電極引線接好的組件檢測選出光電參數達標者進行封裝，5、用事先制好的矽橡膠模具把組件用透明度好的環氧樹脂封裝成型。
五、檢測和老化1、進行光電參數測試，2、通電老化。
3、復檢光電參數本發明64元 GaAlAs/GaAs矩陣組件，由於發光材料的不同而採用與GaAsP/GaAs不同的工藝，但其核心仍是採用鋸溝法或鋸溝與p-n結結合法實現集成化。
本發明的實施例如下實施例1 GaAsP 36元矩陣組件製備一、發光晶片製備1、選用面積約為20×15mm2的GaAsP外延片，經表面清洗在P-LPCVD設備上生長厚1000-1500A°的Si3N4層，生長溫度～400℃，生長時間～30分鐘。
2、在等離子刻蝕機中，用F離子將Si3N4刻出擴散窗口。
3、進行Zn的定域擴散(閉管擴散)封管真空度＞5×10-5，擴散源ZnAs2(自合成)擴散溫度670℃，擴散時間5小時。擴散深度3～5μ。
4、在真空鍍膜機上，蒸鍍Al電極，襯底溫度250℃，厚度5000～10000A°。
5、用常規溼法光刻Al電極，Al電極復蓋發光點的面積佔25%。
6、燒結Al電極制歐姆接觸。溫度540℃，10分鐘。
7、將GaAsP外延片GaAs層一側減薄到～200μ進行拋光，並在此面蒸鍍Au-Ge-Ni電極。
8、燒結Au-Ge-Ni做成為歐姆接觸。溫度400℃，時間10分鐘。
二、高阻GaAs P-n結隔離襯底製備。
1、將載流子濃度n為1015-16/cm3面積20×20mm2的高阻GaAs片表面拋光，清洗後，進行Zn擴散，封管真空度＞5×105μ，擴散源ZnAs2，擴散溫度720℃，約120分鐘，Xj＝3～5μ。
2、在擴散層表面用P-LPCVD生長1500～2000A°氮化矽膜，溫度400℃，時間40分。
3、在Si3N4表面蒸發AU電極，襯底溫度250℃，厚度1-2μm。
4、燒結，使Au與Si3N4層牢固結合，溫度400℃時間10分鐘。
5、減薄到200μm。
三、疊層、鋸溝、裁晶片。
1、將上述製備的發光晶片和p-n結高阻GaAs底片分別裁成4.5mm和5.2mm條形。
2、將DAD-54銀膠塗到發光晶片的GaAs一側並粘到高阻GaAs襯底上，注意兩個片子一端對齊留出0.7mm Au電極面。
3、在烘箱中烘烤。溫度140℃，時間2小時。
4、將粘好的片子進行鋸溝，並裁出36元晶片。
四、矩陣晶片的篩選。
1、在雙目立體顯微鏡下，選出鋸口齊整、無裂痕、發光窗口乾淨，電極，Si3N4完整的發光晶片。
2、將目測好的晶片，測量四個負極間的電阻，選出R＞1MΩ以上的晶片。
3、用探針和圖示儀檢測晶片各發光點的亮度和均勻性及正向工作電極曲線是否一致。選出達到光電性能的晶片備用。
五、矩陣組件的組裝1、將事先製備的Al2O3黑瓷基座進行清洗。
2、將選好的矩陣晶片清洗後，用室溫環氧樹脂粘接到黑瓷基座的適用位置。
3、固化粘牢後用Φ30-50μm的矽鋁絲分別將晶片的正負極連接到基座的正負極上。
4、將電極引線連接好的組件，在圖示儀上進行檢測，選出光電參數達到要求的組件，進行封裝。
5、用事先製備的矽橡膠模具把組件用透明度好的環氧樹脂進行封裝成型，固化溫度140℃，時間50分鐘。
六、組件的檢測和老化1、把封裝好的微型矩陣組件，用穩壓電源和發光二極體光電測試儀進行光電參數測試。
2、在單元工作電流10-20mA條件下老化4小時。
3、重新檢測光電參數，將合格組件交付用戶。
實施例2GaAlAs/GaAs 64元矩陣組件製備。
採用液相外延生長的P-n結GaAlAs/GaAs發光材料及絕緣Si襯底材料。
一、發光晶片電極製備1、用鍍膜機在發光層一側蒸鍍Al或Au-Zn電極。
2、刻Al或Au-Zn電極圖形。
3、燒結電極成為歐姆接觸。
4、把GaAs-側減薄200μ蒸鍍Au-Ge-Ni。
5、燒結Au-Ge-Ni成為歐姆電極。
二、在Si絕緣襯底作電極製備1、用鍍膜機在Si表面蒸鍍Au厚1μ。
2、燒結後Au與絕緣Si粘牢3、把Si襯底減薄約200μ三、裁片、粘接、鋸溝1、將GaAlAs/GaAs發光晶片裁成包括8×8個單元晶片即4×4mm2面積的正方形片子。
2、將絕緣矽片、裁成4.8～4.8的正方形片子。
3、用銀膠進行粘接，兩個片子兩端分別對齊，另外兩端留出0.8寬的Au層。
4、X、Y方向分別鋸溝。
其他步驟同實施例1。
應用本發明中的36元單片集成矩陣LED微型組件，已成功用於高速微型攝影機，作貼片式信息記錄顯示光源，採用本技術所製備的線陣、矩陣系列產品還可用於尖端科學的很多領域，如大小型光電經緯儀，紅外夜視、前視、熱成像系統中，在民用上。高速體育攝影，LED印表機等，都離不開這種微型發光二極體組件。
權利要求
1.一種發光二極體集成矩陣組件，本發明的特徵是它由GaAsP/GaAs(n)與本徵GaAs∶Zn疊層複合，以空間隔離溝和p-n結隔離技術形成的發光晶片與Al2O3黑瓷厚膜電路基座組成。
2.根據權利要求1所述的集成矩陣組件，其特徵是所述的矩陣組件晶片由1-1高阻摻Te的n型GaAs，1-2 P型摻Zn的GaAs，1-3 Si3N4層，1-4 Au-Ge-Ni導電層，1-5銀膠粘層，1-6Au-Ge-Ni導電層，1-7摻Te的n型GaAs層，1-8摻Te的n型GaAs0.6P0.4層，1-9 P型GaAs0.6P0.4層，1-10 Si3N4層，1-11鋁電極，1-12 隔離溝及1-13矽鋁絲金絲引線構成。
3.根據權利要求1所述的集成矩陣組件，其特徵是所用的發光材料n型摻Te GaAs0.6P0.4/GaAs(Te)其載流子濃度在0.5-8×1017/cm3，也可選用GaP/GaP，GaAsP/GaP或GaAlAs/GaAs。
4.根據權利要求1所述的矩陣集成組件，其特徵是它可以按下述工藝流程製備1、發光晶片製備a.選用GaAsP 外延片在P-LPCVD設備上生長Si3N4層，b.在等離子刻蝕機中進行Si3N4的F離子刻蝕，c.進行Zn的閉管定域擴散，d.蒸鍍Al電極，e.常規法溼法光刻Al電極，f.燒結Al電極制歐姆接觸，g.將GaAsP 外延片GaAs一側減薄並蒸鍍Au-Ge-Ni電極，h.燒結Au-Ge-Ni電極成歐姆接觸，2.高阻GaAs P-n結隔離襯底的製備a.將高阻GaAs片進行封管擴散Zn，b.在擴散層表面用等離子-液相氣相蒸汽沉積生成Si3N4c.在Si3N4膜表面蒸發Au電極，d.燒結使Au與Si3N4層牢固結合，e.減薄，3、疊層，鋸溝裁晶片a.將上述製備的發光晶片和p-n結高阻GaAs底片按尺寸裁片，b.將銀膠塗到發光晶片的GaAs一側並粘到高阻GaAs襯底上，兩片一端對齊，另一端留出0.7mm左右的Au電極表面，c.將烘好的片子鋸溝並裁出所需元數晶片，4、組裝a.清洗事先製備好的Al2O3黑瓷座，b.用環氧樹脂把合格的矩陣晶片粘接到黑瓷基座的適當位置，c.固化粘接劑，用矽鋁金絲將晶片正負極連接到基座的正負極，d.將電極引線好的組件檢測選出電參數達標者進行封裝，e.用矽橡膠模具把組件用透明環氧樹脂封裝成型，5、檢測和老化a.進行光電參數測試，b.通電老化，c.復檢光電參數。
5.根據權利要求1所述的集成矩陣組件，其特徵是絕緣襯底材料選用高阻GaAs，還可選用絕緣Si，絕緣GaAs或薄的陶瓷片。
全文摘要
發光二極體集成矩陣組件及製法，屬半導體電光集成器件及其製備方法，本發明以發光材料GaAs(P/)GaAs(N)與本徵GaAs:Zn疊層複合，以空間隔離溝和P-N結隔離技術形成發光矩陣晶片再與黑瓷厚膜電路基座組成為組件，可用作貼片式信息記錄顯示光源，用於大小型光電經緯儀，紅外夜視等領域。
文檔編號H01L21/98GK1056379SQ9010467
公開日1991年11月20日 申請日期1990年7月15日 優先權日1990年7月15日
發明者盧景貴, 張富文, 侯鳳勤, 王運復, 黃漢生, 楊玉憲 申請人:中國科學院長春物理研究所