集成有混合传感器的led芯片及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发光二极管(LED)芯片，其中，混合传感器形成在氮化物基LED结构中。
【背景技术】
[0002]传感器的重要作用之一是检测源自生物的各种化学品或材料，诸如，各种离子的浓度、诸如氧气或者二氧化碳等气体的浓度。为了监测在我们周围环境中可能发生的水污染、空气污染等等，经常使用能够测量各种气体(诸如，C0、COx等等)、离子和湿度的传感器。在气体传感器的情况下，从约翰逊于1923年提出催化燃烧式起已经开发了众多的传感器。在半导体气体传感器的情况下，它们主要被分成电阻型传感器和非电阻型传感器，并且由于半导体气体传感器可以检测各种类型的气体，所以它们是非常有用的。
[0003]由于已使用诸如聚合物、半导体、陶瓷等的材料开发了具有优越性能的高技术元件，也开发了将湿度转换成电信号的形式的湿度传感器，并且具体地，转换湿度并输出阻抗、导电率、热导率、静电电容等的传感器。
[0004]将测量湿度的方法分成直接测量方法和间接测量方法。直接测量方法包括基于饱和、吸收或蒸发法的各种湿度计。间接测量方法包括评估水分吸收或光谱特性的方法，以及导电率、表面导电率、介电常数的变化、近红外吸收、扩散速度的压力差、电离电位的变化以及与其对应的参数等的测量。
[0005]虽然LED目前被广泛使用并且将它们的应用领域逐渐延伸到与亮度相关的特定范围中，但作为传感器的功能通过与以上描述的LED不相关的各个传感器执行。因此，在现有技术中未能发现传感器形成在与LED集成的结构中，并且尤其是，现在不存在用于以此结构测量特定污染物或测量温度或压力并且告知污染度的LED传感器。
【发明内容】
[0006]技术问题
[0007]因此，已作出本发明以提供一种氮化物基发光二极管(LED)，其可被用于在作为照明元件操作的LED的持续发光时通过感测周围环境的污染水平来确定周围环境是否被污染。
[0008]技术解决方案
[0009]根据本发明的一个方面，提供一种集成有混合传感器的LED芯片，LED芯片包括:蓝宝石衬底；n型半导体层，形成在衬底上；两个或更多LED单元，形成在η型半导体层上；Ρ型电极，形成在LED单元的ρ型半导体层上，以及ρ型电极极板(electrode pad)，通过延伸P型电极形成在绝缘层上，该绝缘层形成在η型半导体层上；η型电极极板，面向彼此并且形成在在通过蚀刻移除绝缘层的区域中所暴露的η型半导体层的一部分上；η型极板对极板电极，在连接两侧上的η型电极极板的同时穿过中央部分；以及空白空间，形成在η型极板对极板电极(η型电极极板连接单元或混合电极)之下。
[0010]本发明的LED芯片可包括与在连接两侧上的极板电极的η型电极极板连接单元以下具有空气间隙的混合传感器连接的输出装置。在这一点上，用于显示电流值的变化的装置可以是输出装置。此外，作为显示装置工作的安培表可以是模拟型的装置或数字型装置并且可以在小于预定电流值或大于预定电流值的值处闪烁的方式操作，并且可以应用不同于上述输出装置的一个或多个输出设备。
[0011]在本发明的LED芯片中，当在连接两侧的极板电极的连接单元下方具有空白空间(empty space)的混合传感器被特定污染物损坏时，由于一定的变化被传送至与电极连接的输出装置，所以能够感测到污染。变化可以是电流值的变化或者电流变化率的增加或减少。
[0012]在本发明的LED芯片中，当在连接两侧的η型电极极板的η型极板电极连接单元(η型混合电极)下方具有空白空间的混合传感器受到特定污染物损坏时，一定的变化被传送至与其连接的输出装置，并且同时，用作照明元件的LED芯片(例如，由图中由六个单元构成)由于进入下面半导体层的电流的流动被保持而进行发光。
[0013]在本发明的LED芯片中，包括连接两侧的极板电极的η型极板电极连接单元(η型混合电极)的混合传感器在混合传感器下方具有空白空间。这种η型混合电极可以包括对化学气体(诸如，神经毒气、无色气体和无味气体)、特定环境污染气体(HC1、H2S04、硝酸、HF和王水)、一般环境污染物等起反应的一种或多种金属(Al、Au、Sn、N1、Cr等)。
[0014]本发明的LED芯片在η型电极极板连接单元上方具有空间，这是因为η型电极极板连接单元的顶部低于η型极板电极或ρ型极板电极的高度。因为，空白空间由于此构造而形成在η型电极极板连接单元的上方和下方，所以有助于流动包含污染物的空气。
[0015]根据本发明的另一方面，提供一种集成有混合传感器的LED芯片的制造方法，该方法包括步骤:制备衬底；堆叠包含MQW外延层的半导体层；形成两个或更多LED单元；在形成绝缘层之后，蚀刻将要形成两个或更多η型电极极板、两个或更多ρ型电极极板和η型横跨电极(traversing electrode)的区域的二氧化娃，以便将η型电极部分和与ρ型电极对应的区域电隔离；形成在LED单元之间横跨的桥形的PR图案；形成覆盖PR图案的金属桥形的η型横跨电极；以及移除桥形的PR。
[0016]在制造LED芯片的方法中，形成η型横跨电极的步骤可以是使用掩模形成金属桥的沉积步骤。
[0017]在制造LED芯片的方法中，形成η型横跨电极的步骤可包括:形成金属桥的金属的沉积步骤；以及将沉积金属形成为桥的光刻步骤，并且在光刻工艺中可以移除桥形的PR。
[0018]在制造LED芯片的方法中，ρ型电极极板和η型电极极板的高度被设定为高于金属桥。
[0019]有益效果
[0020]在本发明中，两个或更多单元通以下各项同时发光:由两个或更多LED单元结构构成的η型电极和形成在在衬底上所形成的η型半导体层上的两个或更多η型极板电极以及从η型电极极板延伸以连接η型电极极板的η型电极极板连接单元、在ρ型氮化物半导体层上形成的Ρ型电极、以及通过延伸Ρ型极板形成在在η型半导体上形成的绝缘层上的Ρ型极板电极，并且在包括这种多个发光单元的芯片中，穿过芯片中心的η型电极极板连接单元下方的空间内部被形成为空白。在这一点上，如果η型电极暴露于周围污染环境达预定时间段，导电性可能会发生变化，并且随着暴露于周围污染物的时间延长，通过穿过形成在芯片中心的η型电极极板连接单元的电流的变化能够感测环境中的污染度和污染物。同时，虽然操作LED在发光时产生细微变化，但可不影响使用期限地进行操作。嵌入有这种混合传感器的芯片结构可用作能够检测环境污染的LED发光传感器并且具有根据电极材料的类型作为各种环境污染传感器进行使用的效果。
【附图说明】
[0021]图1是示出作为本发明实施方式的嵌入有混合传感器的六单元LED芯片结构的示图。
[0022]图2是示出本发明中的包括连接到传感器的安培表的电路图的示图。
[0023]图3是示出在本发明中的包括LED元件、安培表和电源的配置的示图。
[0024]图4是示出包括η型电极极板连接单元(η型横跨电极，η型电极极板之间的电极或混合电极:同时双向工作)的芯片和切割线Α-Α’的顶面示图。
[0025]图5是沿着示出在η型横跨电极下方形成的空白空间的芯片的截面Α-Α’截取的截面图。
[0026]图6是示出包括η型横跨电极的芯片和切割线Β-Β’的顶面示图。
[0027]图7是沿着三个单元的线Β-Β’截取的示出Ρ区域、η区域、发光区域和η型极板电极的截面图。
[0028]图8是示出包括衬底和MQW外延层的堆叠结构的示图。
[0029]图9示出了在一个芯片中形成六个单元的光刻步骤完成时的示图。
[0030]图10示出了当沉积用作干蚀刻掩模的金属时的示图。
[0031]图11是示出在Ρ型GaN层上暴露的金属掩模的示图。
[0032]图12示出了在进行蚀刻直至暴露η型GaN层时的示图。
[0033]图13示出了移除金属掩模时的示图。
[0034]图14示出了沉积P型电极的光刻步骤完成时的示图。
[0035]图15是示出在P型层上沉积的ΙΤ0的示图。
[0036]图16是示出在剥离后剩下的ΙΤ0的示图。
[0037]图17示出了在沉积二氧化娃(silicon oxide)之后当在将要形成η型电极、ρ型电极和η型横跨电极的区域中蚀刻二氧化硅时的示图。
[0038]图18是示出在形成横跨元件内部的金属桥之前施加的PR的状态的示图。
[0039]图19是示出形成包括横跨元件内部的金属桥的η型极板和η型电极的状态的示图。
[0040]图20是示出形成势皇金属和反射器金属的状态的示图。
[0041 ] 图21是示出在η型极板和ρ型极板上形成一次焊料金属(primary solder metal)的状态的示图。
[0042]图22是示出形成用于连接ρ型极板和ρ型电极的二次焊料金属(secondarysolder metal)的状态的示图。
【具体实施方式】
[0043]本发明涉及氮化物基发光二极管(LED)，其中，在具有多个发光单元的芯片中，在穿过芯片中心的η型电极下方的空间形成为空白(empty，空)，使得LED能在发光时能够通过流过电极的电流的变化感测污染物。以此方式操作的LED具有的LED芯片结构虽然在发光时可能发生细微变化，但不会影响LED的使用期限。即，本发明的氮化物基发光二极管(LED)涉及具有结构嵌入式传感器与一般发光结构的混合芯片。
[0044]图1是示出嵌入有混合传感器的六单元LED芯片结构的示图，作为本发明的实施方式，并且单元的数目不会影响本发明的范围。例如，嵌入有混合传感器的LED芯片作为示例而示出并且配置如下。LED芯片包括形成在蓝宝石衬底1上的η型半导体层2 ;形成在半导体层上的六个LED单元；穿过六个LED单元的中心的混合(η型)电极23 ；η型电极极板，形成在通过蚀刻绝缘层暴露的η型氮化物半导体层的一些区域中的混合(η型)电极的两端；以及Ρ型电极极板，连接到被形成在Ρ型氮化物半导体层4上并由焊料金属14和15构成的Ρ型电极，该Ρ型电极极板覆盖被形成在上绝缘层上的势皇金属12，绝缘层形成在η型半导体层上。
[0045]图2的电路图示出了在本发明中用作传感器的配置的实施方式。LED是自身具有本发明提出的混合传感器的六个单元的LED芯片，并且用作传感器并且也用作负(_)电极的混合η型电极部分被表示为可变电阻器。根据本发明的嵌入有混合传感器的六个单元的LED芯片被配置为即使当混合(η型)电极由于污染而完全损坏时也不改变LED的光输出。
[0046]图3是示出根据本发明实施方式的包括LED芯片的配置的示图。在图4至图7中示出电极的配置作为本发