阵列式高压交直流LED芯片的隔离工艺

田 婷，任 芳，梁 萌，王江华，刘志强，伊晓燕 ，袁国栋 ，王军喜 ，李晋闽

(1.中国科学院半导体研究所半导体照明研发中心，北京 100083; 2.鹤壁市大华实业有限公司，河南 鹤壁 458000)

引言

近年来，随着LED封装芯片成本的降低，LED驱动电源以及散热元件成本将会成为整个灯具成本的主导因素。由于LED为单向导通器件，因此传统LED都是以直流电(direct current，DC)进行驱动。而我们日常生活中的用电，大多以交流电(alternating current,AC)的方式提供。因此在使用LED时，必须使用驱动电源进行AC/DC转换，这会增加LED的功率损耗，从而减少LED的寿命。为了解决这些问题，阵列式高压(high voltage,HV)交/直流LED的概念[1-5]被提出。阵列式高压交/直流LED就是在芯片制作过程中实现多个LED微晶粒的串并联，来实现交流高压供电，与传统封装级高压LED相比，阵列式高压LED更节省空间，并且大大减小了LED的封装成本。

1975年，Spitzer等[6]实现了多节的GaP基交直流LED 的集成。1998年，德国亚琛工业大学的研究人员对AlGaInP 基阵列式LED器件进行了初步的研究[7]。2002年，Ao等[4]成功研制了交流操作的GaN基LED阵列，其采用两条串联的LED阵列反方向并联的设计方式。此后，关于AC LED的研究与报道逐渐增加。高压LED在结构上仅使用串联连接的方式，在驱动电源中集成了一个整流器。

高压交直流LED与传统LED的一大区别在于隔离工艺，即将单颗芯片的发光区分离成多个相互绝缘的发光单元，目前普遍采用干法刻蚀方法进行微晶粒间的隔离[8, 9]。而Choi研究小组[10]提出了使用激光划槽的方法进行器件隔离，这种方法无需掩膜以及光刻工艺，并且是一种高速的微加工技术。Ao[2]提出了重金属扩散的概念，并且实现了在20 V的电压下电流只有10-4量级(2×105Ω的高阻)，这种方法通过在n-GaN中引入深受主杂质使其半绝缘或者绝缘，从而达到器件隔离的效果，此方法避免了干法刻蚀以及激光划槽引入的损伤。从外延角度考虑，采用绝缘材料(AlN)代替u-GaN层缓冲层，从而省掉了深刻蚀这步工艺。

本文主要对阵列式高压交直流LED器件制备过程中的关键工艺——芯片隔离进行了研究，并对感应耦合等离子体(ICP)深刻蚀以及激光划槽两种芯片隔离方法进行了对比，最终证明ICP深刻蚀隔离具有更高的灵活性，可以形成陡直性良好的隔离侧壁且没有残留物，且由ICP深刻蚀隔离制备的器件具有更好的光电特性。

1 实验内容

要实现HV LED及AC LED，需将单颗芯片的发光区分离成多个相互绝缘的发光单元。在现有芯片工艺中，只需通过刻蚀部分p型GaN层将n型GaN层暴露，一般台阶高度约1～1.5 μm，如图1(a)所示。由于我们通常使用的是蓝宝石绝缘衬底的GaN LED结构，要实现阵列式LED芯片，单元与单元之间的外延层必须完全刻蚀或腐蚀干净，一般台阶高度大于5 μm，如图1(b)所示，工艺难度相对较高。此外，由于GaN材料具有很好的热稳定性和化学稳定性，很难被化学溶液所腐蚀，在热的碱溶液中也是以非常缓慢的速度溶解，所以在GaN器件制备过程中ICP刻蚀是一种常用的技术[4, 11, 12]。此外，微晶粒间的隔离还可采用激光划槽[13]或离子注入隔离的方法[14]。

图1 传统LED(左)与HV-LED(右)芯片工艺比较Fig.1 Fabrication of traditional LED (left) and HV-LED (right) chips

在GaN基阵列式LED的制作中，离子注入隔离的原理是在n型半导体中引入深受主杂质，n型半导体中的施主杂质被深受主俘获，使得材料出现高阻特性，最终实现隔离的目的。1995年，Pearton等[15]使用N+注入并结合热退火，在n-GaN以及p-GaN中分别获得了5×109Ω/m2的高阻区域，其离子注入的最大深度为3 μm。2011年，Ao[14]使用Ni粒子注入，对n-GaN材料进行隔离，在20 V电注入下获得了10-4A的低电流，注入深度为4 μm。离子注入隔离方法的隔离槽相对平坦，对后期的芯片钝化及电极互连均有益处，可减小LED的表面泄漏电流[16]。然而，要获得6 μm左右的隔离深度具有很大的难度。因此，本文主要研究ICP深刻蚀隔离与激光划槽技术。

1.1 ICP深刻蚀

根据现有的实验条件及可操作性，我们首先使用ICP刻蚀技术来实现微晶粒间的隔离。由于实验中所使用的GaN蓝光LED外延层的厚度均在6 μm以上，因此需要优化光刻胶的涂覆工艺，同时采用高选择比的掩膜材料。由于LED外延层相对较厚，因此我们采用先台面刻蚀、后深刻蚀的工艺步骤。台面刻蚀深度为1.2 μm。采用光刻胶与SiO2作为深刻蚀的掩膜。光刻胶选用正性厚胶AZ4620，它被广泛应用于微细加工技术中，具有分辨率高、深宽比大、吸收系数小等优点[17]。它与GaN材料的刻蚀比为1∶1。匀胶转速为4 500 r/min，光刻胶厚度大约为5 μm。SiO2选用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)方法制备，厚度为900 nm，SiO2与GaN材料的刻蚀比为1∶4。在ICP 刻蚀中，ICP功率用来控制等离子体的产生和浓度，而射频(RF)功率则用以控制等离子体轰击材料表面的能量。在实验中，ICP 和RF功率分别为 450 W和 75 W，Cl2、BCl3和Ar2的流量分别为40 sccm、5 sccm和5 sccm(1 sccm=1 cm3/min)。在刻蚀过程中，采用分段刻蚀的方法，每次刻蚀300 s左右后需冷却，因为长时间的刻蚀会造成温度过高，可能导致光刻胶的碳化，从而失去掩膜作用，并且会给后期清洗带来困难。刻蚀总时间视外延层厚度而定，通常需刻蚀3～5次。

1.2 激光划槽

此外，我们也使用激光划槽方法对微晶粒进行了隔离。激光划槽工艺无需刻蚀掩膜、效率高，但是其对芯片形状及排布有较高的要求。由于高压芯片中不规则微晶粒的排布会对激光划槽工艺带来一定的困难，因此我们设计了一种规则分布的倒装HV LED版图，如图2所示，其微晶粒排布整齐规则，由16颗LED微晶粒组成，总芯片大小为1 450 μm×1 450 μm，微晶粒尺寸为275 μm×275 μm，隔离槽宽度为16 μm。

图2 新型的倒装HV LED版图Fig.2 The layout of new flip-chip HV LED

我们使用的激光划片设备为德龙激光的LED划片机，激光波长为355 nm，脉冲重复频率为60 kHz，脉冲持续时间为30 ns，输出功率0.8 W。在激光划片前，我们首先对外延片进行光刻，用以减少激光切割给GaN 外延层带来的损伤。光刻之后获得了平均深度为14 μm，宽度为6 μm的隔离槽。之后，将激光加工过的wafer浸入H2SO4∶H2O2(4∶1)、6 mol/L的KOH沸水浴、王水以及去离子水中清洗，去除掉激光划槽内在划片过程中产生的反应物颗粒。

之后，我们通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)对两种ICP深刻蚀以及激光划槽之后的芯片形貌进行了表征，并通过光致发光(photoluminescence,PL)研究了两种工艺对p-GaN有源区的损伤，最后对两种工艺制备的LED器件的电流-电压特性(I-V特性)以及光输出功率(LOP-I特性)进行了测试与分析。

2 结果与讨论

图3为ICP深刻蚀后的SEM形貌。可以看出，隔离侧墙具有良好的陡直性，从而可以减少有源区的损失。此外，隔离槽比较干净，没有刻蚀残留物。可以证明ICP深刻蚀具有较高的灵活性，且芯片形状可以根据需要变化，但难点在于其实施需要较厚及较高质量的掩膜。

图4激光划槽后的隔离形貌。从图中可以看出，激光划槽过程中激光熔融的蓝宝石重新凝固的部分仍残留在隔离槽中[18, 19]，而且很难清洗干净。

我们对ICP深刻蚀以及激光划槽两种方法进行了对比。可以观察到，两种隔离方法均刻蚀到蓝宝石衬底层，可以形成良好的芯片隔离。不同的是，ICP隔离槽比较干净，没有刻蚀残留物，而激光划槽的隔离槽中有反应物残留。

图3 陡直性良好的ICP深刻蚀形貌Fig.3 The morphology of steep isolation trench by ICP deep etching

图4 激光隔离槽SEM形貌Fig.4 The morphology of isolation trench by laser scribing

此外，我们使用PL对深刻蚀以及激光划槽对p-GaN有源区损伤进行了表征，如图5所示。从PL结果来看，与隔离之前相比，隔离之后的PL强度明显降低。这说明两种隔离方法对外延材料均有一定的损伤[20]，并且损伤程度大致相当。

图5 深刻蚀以及激光划槽前后PL强度对比Fig.5 The PL measurements from p-GaN before and after deep etching and laser scribed

最后，我们通过ICP深刻蚀以及激光划槽两种隔离工艺制备了阵列式高压交/直流LED器件，并对其光电性能进行了对比，如图6所示。从图6(a)中可以看出，深刻蚀与激光划槽器件在I-V特性上差距不大，20 mA注入电流下，其工作电压分别为52.8 V和53.0 V。但从图6(b)中可以观察到，深刻蚀工艺器件光学特性较好，在20 mA电流下，其光输出功率比激光划槽工艺的器件高出12.1%。这主要是因为激光划槽的跑道未清洗干净，对光有一定的吸收。

图6 深刻蚀以及激光划槽倒装HV LED的光电性能Fig.6 The photoelectric performances of HV LEDs by deep etching and laser scribing

3 结论

我们通过对阵列式高压交/直流LED制备过程中的芯片隔离工艺的具体分析，对比了ICP深刻蚀与激光划槽两种芯片隔离技术。通过SEM表征、PL测试以及最终制备的阵列式高压交/直流LED的电学性能，我们可以得到，ICP深刻蚀工艺灵活性较高，且能获得陡直的隔离侧壁，其制备的LED器件具有更好的光电特性。对于高压及交流的LED器件，ICP深刻蚀工艺能起到更好的芯片隔离作用。