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，伊曉燕 ，袁國棟 ，王軍喜 ，李晉閩

(1.中國科學院半導體研究所半導體照明研發中心，北京 100083; 2.鶴壁市大華實業有限公司，河南 鶴壁 458000)

引言

近年來，隨著LED封裝芯片成本的降低，LED驅動電源以及散熱元件成本將會成為整個燈具成本的主導因素。由于LED為單向導通器件，因此傳統LED都是以直流電(direct current，DC)進行驅動。而我們日常生活中的用電，大多以交流電(alternating current,AC)的方式提供。因此在使用LED時，必須使用驅動電源進行AC/DC轉換，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現多個LED微晶粒的串并聯，來實現交流高壓供電，與傳統封裝級高壓LED相比，陣列式高壓LED更節省空間，并且大大減小了LED的封裝成本。

1975年，Spitzer等[6]實現了多節的GaP基交直流LED 的集成。1998年，德國亞琛工業大學的研究人員對AlGaInP 基陣列式LED器件進行了初步的研究[7]。2002年，Ao等[4]成功研制了交流操作的GaN基LED陣列，其采用兩條串聯的LED陣列反方向并聯的設計方式。此后，關于AC LED的研究與報道逐漸增加。高壓LED在結構上僅使用串聯連接的方式，在驅動電源中集成了一個整流器。

高壓交直流LED與傳統LED的一大區別在于隔離工藝，即將單顆芯片的發光區分離成多個相互絕緣的發光單元，目前普遍采用干法刻蝕方法進行微晶粒間的隔離[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。Ao[2]提出了重金屬擴散的概念，并且實現了在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中引入深受主雜質使其半絕緣或者絕緣，從而達到器件隔離的效果，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鍵工藝——芯片隔離進行了研究，并對感應耦合等離子體(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 實驗內容

要實現HV LED及AC LED，需將單顆芯片的發光區分離成多個相互絕緣的發光單元。在現有芯片工藝中，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寶石絕緣襯底的GaN LED結構，要實現陣列式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定性和化學穩定性，很難被化學溶液所腐蝕，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[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型半導體中引入深受主雜質，n型半導體中的施主雜質被深受主俘獲，使得材料出現高阻特性，最終實現隔離的目的。1995年，Pearton等[15]使用N+注入并結合熱退火，在n-GaN以及p-GaN中分別獲得了5×109Ω/m2的高阻區域，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。

1.1 ICP深刻蝕

根據現有的實驗條件及可操作性，我們首先使用ICP刻蝕技術來實現微晶粒間的隔離。由于實驗中所使用的GaN藍光LED外延層的厚度均在6 μm以上，因此需要優化光刻膠的涂覆工藝，同時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，它被廣泛應用于微細加工技術中，具有分辨率高、深寬比大、吸收系數小等優點[17]。它與GaN材料的刻蝕比為1∶1。勻膠轉速為4 500 r/min，光刻膠厚度大約為5 μm。SiO2選用等離子體增強化學氣相沉積(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。在實驗中，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，因為長時間的刻蝕會造成溫度過高，可能導致光刻膠的碳化，從而失去掩膜作用，并且會給后期清洗帶來困難。刻蝕總時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，因此我們設計了一種規則分布的倒裝HV LED版圖，如圖2所示，其微晶粒排布整齊規則，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備為德龍激光的LED劃片機，激光波長為355 nm，脈沖重復頻率為60 kHz，脈沖持續時間為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，去除掉激光劃槽內在劃片過程中產生的反應物顆粒。

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行了表征，并通過光致發光(photoluminescence,PL)研究了兩種工藝對p-GaN有源區的損傷，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)進行了測試與分析。

2 結果與討論

圖3為ICP深刻蝕后的SEM形貌。可以看出，隔離側墻具有良好的陡直性，從而可以減少有源區的損失。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需要變化，但難點在于其實施需要較厚及較高質量的掩膜。

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行了對比。可以觀察到，兩種隔離方法均刻蝕到藍寶石襯底層，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有源區損傷進行了表征，如圖5所示。從PL結果來看，與隔離之前相比，隔離之后的PL強度明顯降低。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。

圖5 深刻蝕以及激光劃槽前后PL強度對比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%。這主要是因為激光劃槽的跑道未清洗干凈，對光有一定的吸收。

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。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。