一种深紫外led集成芯片及其制备方法
阅读说明：本技术 一种深紫外led集成芯片及其制备方法 (Deep ultraviolet LED integrated chip and preparation method thereof ) 是由 张会雪 郑志华 吴峰 戴江南 陈长清 于 2020-12-01 设计创作，主要内容包括：本发明属于深紫外LED芯片领域公开了一种深紫外LED集成芯片及其制备方法,该芯片是以单一一片外延生长有AlGaN外延片的晶圆衬底为基底,集成有至少2个PN结单元；每一个PN结单元作为一个深紫外LED发光单元,能够实现发光波长λ<280nm的深紫外发光；每一个PN结单元均具有N电极焊盘和P电极焊盘,这些PN结单元彼此构成并联关系和/或串联关系。本发明通过对芯片的集成设计及相应的制备方法等进行改进,在单一一片晶圆基底上进行若干发光单元串联和/或并联的集成,为现有技术中的模组封装提供了另一替代途径。且能够降低每个发光单元所对应的封装材料和人力成本,同时可以大大的减小器件的体积,适用于各种深紫外LED倒装芯片的集成。(The invention belongs to the field of deep ultraviolet LED chips and discloses a deep ultraviolet LED integrated chip and a preparation method thereof, wherein the chip takes a single wafer substrate epitaxially grown with an AlGaN epitaxial wafer as a base and is integrated with at least 2 PN junction units; each PN junction unit is used as a deep ultraviolet LED light emitting unit, and can realize deep ultraviolet light emission with the light emitting wavelength lambda less than 280 nm; each PN junction unit is provided with an N electrode pad and a P electrode pad, and the PN junction units are in parallel connection and/or series connection with each other. The invention improves the chip integration design and the corresponding preparation method, and the like, and integrates a plurality of light-emitting units in series and/or in parallel on a single wafer substrate, thereby providing another alternative way for the module packaging in the prior art. And the packaging material and labor cost corresponding to each light-emitting unit can be reduced, and the size of the device can be greatly reduced, so that the device is suitable for integration of various deep ultraviolet LED flip chips.)
技术领域
本发明属于深紫外LED芯片领域，更具体地，涉及一种深紫外LED集成芯片及其制备方法。
背景技术
基于AlGaN的深紫外LED(λ<280nm)由于其广泛的应用，如消毒，空气和水净化，生化检测和光通信，引起了许多科学家的关注。随着新型冠状病毒肺炎的大爆发，深紫外杀菌消毒产品的市场越来越火爆，然而，深紫外LED的光功率较低，仍然不能满足目前的高功率杀菌消毒应用产品的要求，这主要因为深紫外LED的材料缺陷密度太大，技术门槛很高，目前很难做出高功率的单颗芯片，导致高功率的杀菌产品必须使用多颗灯珠组成的模组，才能达到预期的杀菌消毒的效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种深紫外LED集成芯片及其制备方法，其中通过对芯片的集成设计及相应的制备方法等进行改进，在单一一片晶圆基底上进行若干发光单元串联和/或并联的集成(即，对位于同一基底上的多个PN结单元通过并联关系和/或串联关系进行集成设计)，为现有技术中的模组封装提供了另一替代途径，且能够降低每个发光单元所对应的封装材料和人力成本，同时可以大大的减小器件的体积，适用于各种深紫外LED倒装芯片的集成。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种深紫外LED集成芯片，其特征在于，该芯片是以单一一片外延生长有AlGaN外延片的晶圆衬底为基底，集成有至少2个PN结单元；每一个PN结单元作为一个深紫外LED发光单元，均有独立的倒装焊盘，能够实现发光波长λ<280nm的深紫外发光；相邻的任意2个PN结单元之间通过深槽电隔离，所述深槽的深度到达所述外延片与所述晶圆衬底的接触界面；
所述芯片整体具有一块总P极倒装焊盘和一块总N极倒装焊盘，每一个PN结单元也具有独立的N电极焊盘和P电极焊盘，这些PN结单元彼此构成并联关系和/或串联关系，能够通过所述总P极倒装焊盘和所述总N极倒装焊盘实现对这些PN结单元的供电；其中，
当某2个PN结单元满足一个PN结单元的N电极焊盘与另一PN结单元的P电极焊盘等电位相连，则这2个PN结单元为串联关系，所述芯片具有对应于串联关系的集成方式；
当某2个PN结单元满足一个PN结单元的N电极焊盘与另一PN结单元的N电极焊盘等电位相连，或是一个PN结单元的P电极焊盘与另一PN结单元的P电极焊盘等电位相连，则这2个PN结单元为并联关系，所述芯片具有对应于并联关系的集成方式。
作为本发明的进一步优选，所述芯片同时具有对应于串联关系和并联关系的集成方式，所述芯片集成有m×n个PN结单元，对应形成有n个并联支路，每一个并联支路由m个PN结单元通过串联关系形成；其中，m、n均为大于等于2的整数；
优选的，所述集成芯片上的总P极倒装焊盘和总N极倒装焊盘，分别位于这n个并联支路的连接交汇处。
作为本发明的进一步优选，所述一个PN结单元的N电极焊盘与另一PN结单元的P电极焊盘等电位相连，具体是通过导电金属材料相连，对应形成电连接金属层；
所述一个PN结单元的N电极焊盘与另一PN结单元的N电极焊盘等电位相连，具体是通过导电金属材料相连，对应形成电连接金属层；
所述一个PN结单元的P电极焊盘与另一PN结单元的P电极焊盘等电位相连，具体是通过导电金属材料相连，对应形成电连接金属层；
此外，这些电连接金属层中的2者是作为所述总P极倒装焊盘和所述总N极倒装焊盘。
作为本发明的进一步优选，所述电连接金属层位于所述AlGaN外延片的外部，通过钝化材料与所述AlGaN外延片连接；所述钝化材料选自SiO2、Si3N4、HfO2、布拉反射镜DBR结构，其中，所述布拉反射镜DBR结构是由SiO2及Ti2O5周期性排列得到的。
作为本发明的进一步优选，任意一个所述PN结单元的N电极端和P电极端均位于所述AlGaN外延片内，通过刻蚀AlGaN材料并蒸镀电极材料形成。
作为本发明的进一步优选，任意一个所述PN结单元的N电极端和P电极端均经过电极加厚处理，使这些N电极端和P电极端突出于所述AlGaN外延片上表面所在平面，并与所述AlGaN外延片上方的PAD电极相连，所述PAD电极即焊盘电极。
作为本发明的进一步优选，相邻所述PAD电极之间填充有钝化材料；任意一个PAD电极的上方与所述电连接金属层相连；所述钝化材料选自SiO2、Si3N4、HfO2、布拉反射镜DBR结构，其中，所述布拉反射镜DBR结构是由SiO2及Ti2O5周期性排列得到的。
作为本发明的进一步优选，所述晶圆衬底为蓝宝石晶圆或AlN单晶晶圆。
按照本发明的另一方面，本发明提供了上述深紫外LED集成芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)将洁净的一片外延生长有AlGaN深紫外外延片的晶圆衬底为作为基底，通过光刻、刻蚀及金属蒸镀工艺在所述AlGaN深紫外外延片的目标区域形成位于所述AlGaN深紫外外延片内的N电极端和P电极端；接着，对这些N电极端和P电极端进行电极加厚处理，使所述N电极端和所述P电极端突出于所述AlGaN深紫外外延片上表面所在平面；
(S2)在所述基底的目标区域通过光刻及刻蚀工艺形成深槽，所述深槽的深度到达所述深紫外外延片与所述晶圆衬底的接触界面；接着，沉积钝化材料，使这些钝化材料填充所述深槽并覆盖所述深紫外外延片形成钝化层；然后，在所述钝化层的目标区域进行光刻及刻蚀形成开孔，接着在开孔位置进行光刻，然后进行金属蒸镀，形成PAD电极，即焊盘电极，如此单一PN结功能单元即制作完成；
(S3)接着，第二次沉积钝化材料，使这些钝化材料覆盖所述基底形成第二钝化层；然后，在所述第二钝化层的目标区域进行光刻及刻蚀形成开孔，接着在开孔位置进行光刻，然后进行金属蒸镀，形成电连接金属层，由此完成深紫外LED集成芯片的制备；这些电连接金属层中的2者作为总P极倒装焊盘和总N极倒装焊盘。
通过本发明所构思的以上技术方案，为了推动和促进深紫外LED光源的广泛应用，本发明在深紫外LED的前段工艺中采用芯片集成技术，能够在COW(chip on wafer)上制作多种组合形式的集成芯片，该集成芯片能够达到模组的效果。本发明能有效的降低生产物料成本、人力成本及时间成本，以两并两串为例，器件的体积只有原来模组的30％左右，甚至可以做的更小。本发明应用在LED尤其是深紫外LED芯片制备及封装领域。
本发明通过在单一一片晶圆基底上进行若干发光单元串联和/或并联的集成芯片的设计，相当于在单芯片的COW制备工艺完成后的基础上，通过增加两道光刻工艺(这两道光刻工艺分别用于配合第二沉积层的沉积，以及电连接金属层的蒸镀)、一道钝化层工艺，一道电极的连接工艺实现芯片的集成，达到与现有技术模组相当的技术效果。
本发明适用于多种方式的集成，如两串两并、三串两并、三串三并、四串四并、四串两并等m串n并集成方式(当然，最少可适用于2个发光单元的集成)。以两串两并为例(即，m＝2、n＝2)，若采用常规现有技术中的模组，是将4个单芯灯珠组成模组(即，先将每个单发光单元的芯片封装成灯珠，然后再将各个灯珠进行组装形成模组)；而利用本发明只需要将两串两并集成的芯片封装成的灯珠即可，封装材料和人力成本只有模组的1/4(即1/(m×n)，其它m×n的情况也适用)，同时可以大大的减小器件的体积。
另外，由于本发明芯片集成方法非常灵活，由于深紫外外延片的不均匀性，可以根据COW测试数据来灵活选择需要的集成方式，有效地降低不良率。也就是说，由于本发明中的这种集成芯片的设计，是将单一PN结器件完成后进行集成制作，此种设计可对单一PN结工艺完成后进行光电参数的测试，通过测试数据的分布及良率来灵活选择集成方式。
综上，本发明的集成芯片设计及其集成方法，适用于各种深紫外LED倒装芯片的集成。本发明芯片集成方式灵活，减小体积，降低封装成本，在深紫外杀菌消毒应用产品端能更好的集成和组装，适用于规模生产，在深紫外LED模组封装中具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的深紫外LED芯片集成的结构示意图，图中所示结构对应两串两并集成芯片。
图2为本发明实施例的深紫外LED芯片集成制备工艺流程图。
图1中各附图标记的含义如下：1-钝化层开孔，2-两芯片P电极连接及集成芯片的P极倒装焊盘，3-钝化层SiO2，4-两芯片P-N电极串联，5-两芯片N电极连接及集成芯片的N极倒装焊盘。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
总的来说，如图2所示，本发明深紫外LED芯片集成的制备方法，主要材料是深紫外外延材料，主要制备工艺流程包括化学清洗、9道光刻工艺、干法刻蚀、湿法刻蚀、电子束蒸发、金属合金、沉积二氧化硅钝化层。具体包括如下步骤：
(1)清洗AlGaN基深紫外外延片，材料为蓝宝石为衬底生长的AlGaN基深紫外外延片，尺寸为直径5.08厘米的圆片；该深紫外外延片，满足常规定义，即，在晶圆衬底(如蓝宝石、AlN、GaN衬底)上外延生长有AlN缓冲层、AlN/AlGaN超晶格、N-AlGaN、有源区AlGaN多量子阱、P-AlGaN、P-GaN层，既可以直接采用市售产品，也可以参照现有技术已知的方法自行制备；
(2)mesa光刻及刻蚀，刻蚀到N-AlGaN，为了制作N电极；
(3)制备N电极端，即：N电极光刻、N区金属电极蒸镀及N电极合金，N电极合金工艺为了形成金属-半导体界面处的欧姆接触，从而降低芯片电压；
(4)制备P电极端，即：P电极光刻、P区金属电极蒸镀及P电极合金，P电极合金工艺也是为了形成金属-半导体界面处的欧姆接触，从而降低芯片电压；
(5)N区及P区的加厚电极光刻及金属蒸镀，为了N-P电极有更好地电流扩展和散热性；
(6)深槽光刻及深槽刻蚀，将外延层材料刻穿，防止芯片间漏电
(7)第一层钝化层沉积及开孔刻蚀；
(8)制备焊盘电极，即：单个PN结N-P电极的PAD光刻及电极蒸镀；
(9)二次钝化层沉积及开孔刻蚀；
(10)总焊盘及芯片电极连接光刻及金属电极蒸镀，完成总倒装焊盘及集成芯片之间的电极连接，如图1所示。图1所示为两串两并集成的芯片，当然也可以是m串n并的其他集成方式，甚至可以是仅有m串联、或是仅有n并联的集成方式(其中，m、n均为大于等于2的整数)。
以下为具体实施例：
实施例1
本实施例包括如下步骤：
(1)AlGaN外延材料清洗：分别将质量百分比为98％的浓硫酸和30％双氧水溶液混合，体积比约为5：1，温度约90℃清洗10min；
(2)mesa光刻：旋涂光刻胶RD-2900，旋涂厚度约2.8um，软烘120℃70s；覆盖光刻板，365nm的紫外光源投影曝光，曝光时间5.5s，AZ400K：H2O＝4:1显影90s，坚膜120℃的热板5min；Mesa干法刻蚀，在Cl2和BCl3的混合气氛中等离子体蚀刻AlGaN材料，时间570s；去胶液85℃去胶清洗。
(3)N电极光刻、N金属蒸镀及N电极RTA退火：旋涂光刻胶RD-NL700(85CP)，旋涂厚度约4.5um，软烘110℃100s；覆盖光刻板，365nm的紫外光源投影曝光，曝光时间3.5s，AZ400K：H2O＝4:1显影70s，坚膜120℃的热板2min，显影80s，氧等离子体打胶200W3min，甩干机甩干，用电子束蒸发金属Ti/Al/Ti/Au，蓝膜剥离，去胶液85℃去胶清洗。N电极快速合金退火，退火温度950℃-1min。
(4)P电极光刻、P金属蒸镀及P电极RTA退火:旋涂光刻胶RD-NL700(85CP)，旋涂厚度约4.5um，软烘110℃100s；覆盖光刻板，365nm的紫外光源投影曝光，曝光时间3.5s，AZ400K：H2O＝4:1显影70s，坚膜120℃的热板2min，显影80s，氧等离子体打胶200W3min，甩干机甩干，用电子束蒸发金属Ni/Au，蓝膜剥离，去胶液85℃去胶清洗。P电极快速合金退火，退火温度550℃-3min。
(5)加厚电极NP-THICK光刻及金属蒸镀：旋涂光刻胶RD-NL700(85CP)，旋涂厚度约4.5um，软烘110℃100s；覆盖光刻板，365nm的紫外光源投影曝光，曝光时间3.5s，AZ400K：H2O＝4:1显影70s，坚膜120℃的热板2min，显影80s，氧等离子体打胶200W3min，甩干机甩干，用电子束蒸发金属Cr/Al/Ti/Pt/Au/Ti，蓝膜剥离，去胶液85℃去胶清洗。
(6)深槽光刻及深槽刻蚀：旋涂光刻胶RD-6100，旋涂厚度约12um，软烘120℃150s；覆盖光刻板，365nm的紫外光源投影曝光，曝光时间10s，AZ400K：H2O＝4:1显影200s，坚膜120℃的热板5min；深槽干法刻蚀，在Cl2和BCl3的混合气氛中等离子体蚀刻AlGaN材料，时间1260s；去胶液85℃去胶清洗。
(7)PECVD沉积钝化层SiO2及钝化层开孔光刻及刻蚀：PECVD沉积钝化层SiO2厚度为旋涂光刻胶RD-6100，旋涂厚度约12um，软烘120℃150s；覆盖光刻板，365nm的紫外光源投影曝光，曝光时间10s，AZ400K：H2O＝4:1显影200s，坚膜120℃的热板5min；SiO2干法刻蚀，在CF4和BCl3的混合气氛中等离子体蚀刻SiO2材料，时间1600s；去胶液85℃去胶清洗。
(8)PAD光刻及PAD电极蒸镀：旋涂光刻胶RD-NL700(85CP)，旋涂厚度约4.5um，软烘110℃100s；覆盖光刻板，365nm的紫外光源投影曝光，曝光时间3.5s，AZ400K：H2O＝4:1显影70s，坚膜120℃的热板2min，显影80s，氧等离子体打胶200W3min，甩干机甩干，用电子束蒸发金属Cr/Al/Ti/Pt/Au/Ti，蓝膜剥离，去胶液85℃去胶清洗，即单芯的COW完成。
(9)第二次PECVD沉积钝化层SiO2及钝化层开孔光刻及刻蚀：PECVD沉积钝化层SiO2厚度为旋涂光刻胶RD-6100，旋涂厚度约12um，软烘120℃150s；覆盖光刻板，365nm的紫外光源投影曝光，曝光时间10s，AZ400K：H2O＝4:1显影200s，坚膜120℃的热板5min；SiO2干法刻蚀，在CF4和BCl3的混合气氛中等离子体蚀刻SiO2材料，时间1600s；去胶液85℃去胶清洗。
(10)集成芯片电极连接光刻及电极蒸镀：旋涂光刻胶RD-NL700(85CP)，旋涂厚度约4.5um，软烘110℃100s；覆盖光刻板，365nm的紫外光源投影曝光，曝光时间3.5s，AZ400K：H2O＝4:1显影70s，坚膜120℃的热板2min，显影80s，氧等离子体打胶200W3min，甩干机甩干，用电子束蒸发金属Cr/Al/Ti/Pt/Ti/Pt/Au，蓝膜剥离，去胶液85℃去胶清洗，即集成芯片的COW完成。
在后续封装过程中，由两串两并集成的芯片封装成的灯珠就可以替代传统四个单芯灯珠所组成的模组，但其封装材料和人力成本只有模组的1/4，大大的缩短了模组生产的周期，同时可以大大的减小器件的体积。
上述实施例中所采用的各种试剂均可直接由市售购得。另外，上述实施例中的具体参数、条件设置仅为示例，基于本发明，也可以采用其他参数、条件设置，不作穷举。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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