电容式结构的发光二极管集成芯片及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种电容式结构的发光二极管集成芯片及其制备方法。该芯片包括外部连接端口，具有导电能力的透明电极层，绝缘介质填充层以及发光光源发光二极管芯片。通过将一定数量的发光二极管芯片与绝缘介质层形成电容器结构，在绝缘电介质层两层为导电介质层，由此构成电容式结构，整个结构通过电极上的引线Pad点与外部连接端口连接。该发光二极管集成芯片采用新颖的驱动方式和芯片结构，采用高介电常数绝缘介质材料，芯片可由交流电源直接驱动，制作简单，成本低。
【专利说明】电容式结构的发光二极管集成芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种电容式结构的发光二极管集成芯片及其制备方法，涉及半导体芯片技术制造领域和发光二极管光源【技术领域】，主要应用于大面积光源、柔性显示、喷涂照明和指示照明等。
技术背景
[0002]发光二极管制造【技术领域】通常包括外延、芯片和封装三个部分。外延包括外延片衬底的选取及外延材料层的生长，是发光二极管芯片的核心和基础；芯片包括清洗、光刻、刻蚀、蒸镀、剥离、磨抛等芯片制造工艺，是形成发光器件的重要步骤；封装包括固晶、打线、涂敷荧光粉、盖透镜和注入硅胶等工艺步骤，是实现芯片完整封装并推向应用走向市场化的决定因素。传统的发光二极管芯片需在低压恒直流条件下工作，因此常见的发光二极管产品都配备相对复杂的驱动电路，包含电感、变压器、电阻和电解电容等电子元件，这些都为后续的封装应用以及安全隐患等留下难题，不利于人们追求便捷、简单、灵活的生活方式。并且传统的横向结构、垂直结构发光二极管都无法很好的解决电流扩展能力差的问题。电流的集聚效应尤其在大电流情况下的集聚都会直接导致芯片发光效率的下降，因此解决发光二极管芯片电流扩展已经成为发光二极管行业亟待解决的一大瓶颈。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对现有光源在电流扩展、驱动方式、使用安全等方面存在的技术缺陷，利用现有技术的现状提供制作简单、设计新颖、成本低廉、省略驱动的电容器结构的发光二极管集成芯片。
[0004]一种电容式结构的发光二极管集成芯片及其制备方法，该芯片结构在传统发光二极管器件结构的基础上集成了电容器件结构，该集成电容结构与传统的发光二极管结合在一起，形成新的器件结构。电容器结构包括透明导电层和绝缘介质层，传统发光二极管结构包括平面结构和垂直结构。本发明的系统工作原理图如图1所示，交流源通过电容结构经电容耦合的原理对发光负载实现电注入而发光，由于是交流电，所以无需考虑发光二极管芯片正反转问题，都能实现芯片发光。
[0005]该芯片包括外部连接端口，具有导电能力的透明电极层，绝缘介质填充层以及发光光源发光二极管芯片。通过将一定数量的发光二极管芯片与绝缘介质层形成电容器结构，在绝缘电介质层上层为导电介质层，由此构成电容式结构，整个结构通过电极上的引线Pad点与外部连接端口连接。
[0006]本发明提供一种电容式结构的发光二极管集成芯片的制备方法，包括如下步骤:准备衬底；在衬底上形成发光半导体外延结构层，在生长外延层中生长一层外延绝缘层，继续生长P/N型外延层以及位于P/N外延层中的量子阱发光层；生长完外延结构后需对外延结构用半导体加工技术加工，生长绝缘介质层；在绝缘介质层上制作透明导电层；最后蒸镀金属引线Pad点。
[0007]本发明设计的电容器结构发光二极管集成芯片是基于发光二极管芯片单元为基础，通过发光二极管芯片与具有导电能力的电极层形成的平行板电容，平行板间为一层绝缘介质层而形成的电容器结构。将电容器直接接入交流电源下，具有导电能力的透明电极层将接入的电流传输给绝缘介质层，由于绝缘介质层大的纵向电阻、小的横向电阻，电流能迅速地扩展至整个芯片，由于电容器本身的特有性质，在交流电流驱动下处于导通状态，并通过电容耦合的方式向另一端的发光二极管芯片实现电注入发光。在制作过程中，无需考虑发光二极管芯片的正反向翻转问题，因此，即使发光二极管芯片正负电极朝向不一致，其点亮情况仍然一致。整个电容工作在交流电流下，电容器极板上的电荷极性随着交流电周期变化而变化，发光二极管芯片处于一种闪烁发光的状态。
[0008]此种设计方法的发光二极管发光器件结构无需太多复杂的封装工艺和结构，降低了封装成本，简化了产业链。并且，此种设计方法的发光二极管发光器件结构可直接工作于交流电源下，无需额外驱动电路，能够很好的实现大面积芯片下电流均匀扩展。这种新型的驱动方式及芯片结构给后端的产品设计带来了极大的灵活性，给予更大的创新空间。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0010]图1为系统工作原理图；
[0011]图2为以垂直结构Top-Down式发光二极管芯片为实施例的电容式结构发光二极管芯片；
[0012]图3为以正装结构lateral式发光二极管芯片为实施例的电容式结构发光二极管芯片。
【具体实施方式】
[0013]图2、图3所示分别为以垂直结构Top-Down式电容式结构发光二极管芯片和以正装结构lateral式电容式结构发光二极管芯片，包括衬底I，发光二极管外延结构层，在生长外延层中生长一层P/N型掺杂半导体材料外延层3，位于P/N型掺杂半导体材料外延层之中的外延绝缘层2和量子阱发光层4，其中垂直结构P/N型掺杂半导体材料外延层3分别是N型掺杂半导体材料在上，P型掺杂半导体材料在下，正装结构P/N型外延层3分别是P型掺杂半导体材料在上，N型掺杂半导体材料在下，生长完外延结构后需对外延结构用半导体加工技术加工，生长绝缘介质层5，在绝缘介质层5上制作透明导电层6，最后蒸镀金属引线Pad 点 7 ο
[0014]其中，衬底I可以是三氧化二铝、SiC, GaAs, S1、GaN, Cu、钨铜合金中的一种或其任意组合；通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)或分子束外延(MBE)中的一种方法或其任意组合生长发光二极管外延结构层；在生长外延层中生长一层外延绝缘层2，可以是A1N、氮化硼中的一种或其任意组合。
[0015]继续生长P/N型掺杂半导体材料外延层3以及量子阱发光层4，P/N型掺杂半导体材料外延层3以及量子阱发光层4都可以是GaN、GaAs、AlGaN、InGaN、AlGaInP中的一种或其任意组合，P/N型掺杂半导体材料外延层3以及量子阱发光层4都是利用MOCVD等技术通过控制温度、气体组分、气体源和载气流量、ν/ΙΙΙ流量比、反应室压力等条件进行外延生长。
[0016]生长完外延结构后需对外延结构用半导体加工技术加工生长绝缘介质层5，绝缘介质层5可以为氮化铝、氮化硼、氧化铝、氮化硅、氧化胆、氧化硅、钛酸锶钡、氧化钛、氧化铪中的一种或其任意组合，使用的镀膜方法包括等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、电子束蒸镀(EB)、派射(sputter)等方法。
[0017]在绝缘介质层5上制作透明导电层6，透明导电层6的材料可以为铟锡氧化物(ITO)、石墨稀、氧化锌、Ni金属薄膜中的一种或其任意组合。
[0018]半导体加工技术包括光刻、ICP刻蚀、蒸镀、电镀、PECVD、溅射、清洗、激光剥离、化学腐蚀、退火、合金、磨抛、划裂等。
[0019]通过以上工艺形成导电板-绝缘体-导电板的电容结构，并通过金属引线接入外部连接端口 AC交流电源，工作频率范围可为ΙΗζ-ΙΜΗζ之间的任意值，通过电容耦合原理对芯片实现电注入发光。
[0020]实施例1 (参照图2):
[0021]步骤1:选择一蓝宝石衬底I ;
[0022]步骤2:利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底I上外延生长外延层3，自下而上分别为N型氮化镓、量子阱发光层4、AlN绝缘层2、P型氮化镓；
[0023]步骤3:通过在P型氮化镓上电镀Cu和激光剥离技术将衬底转移到Cu (如图中I处所示)上；
[0024]步骤4:在N型氮化镓上利用溅射技术淀积一层氧化硅5，氧化硅的厚度范围在10nm ；
[0025]步骤5:用电子束蒸发工艺在氧化硅上蒸镀透明电极ITO层6和Pad点7 ；
[0026]步骤6:用引线将芯片与外电路连接；
[0027]实施例2 (参照图3):
[0028]步骤1:选择一蓝宝石衬底I ;
[0029]步骤2:利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上外延生长外延层3，自下而上分别为N型氮化镓、AlN绝缘层2、量子阱发光层4、P型氮化镓；
[0030]步骤3:利用光刻、ICP刻蚀技术刻蚀N型氮化镓台面，形成N型氮化镓、P型氮化镓在同一面的正装结构；
[0031]步骤4:在P型氮化镓上利用溅射技术淀积一层氧化硅5，氧化硅的厚度范围在10nm ；
[0032]步骤5:用电子束蒸发工艺在氧化硅和N型氮化镓面上蒸镀透明电极ITO层6和Pad 点 7 ；
[0033]步骤6:用引线将芯片与外电路连接。
[0034]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电容式结构的发光二极管集成芯片，包括: 一衬底； 一位于衬底上面的发光二极管外延层，该发光二极管外延层包括P/N型外延层，位于P/N型外延层之中的外延绝缘层，和量子阱发光层； 一在外延层上生长透明绝缘介质层； 一在绝缘介质层上制作透明导电层； 一金属引线Pad点； 其特征在于:发光二极管芯片和绝缘介质层形成电容器结构，通入交流源对发光负载实现电注入而发光。
2.如权利要求1所述的电容式结构的发光二极管集成芯片，其中电容式结构的发光二极管芯片包括平面结构和垂直结构。
3.如权利要求1所述的电容式结构的发光二极管集成芯片，其中发光光源发光二极管芯片的结构为正装发光二极管结构，垂直发光二极管结构中的一种或其任意组合。
4.如权利要求3所述的电容式结构的发光二极管集成芯片，其中发光光源发光二极管芯片的发光波长范围为300nm-700nmo
5.如权利要求4所述的电容式结构的发光二极管集成芯片，其中绝缘介质层为氮化铝、氮化硼、氧化铝、氮化娃、氧化胆、氧化娃、钛酸锁钡、氧化钛和氧化給中的一种或其任意组合，绝缘层的厚度为lnm-100um。
6.如权利要求5所述的电容式结构的发光二极管集成芯片，其中透明电极层为铟锡氧化物、石墨烯、氧化锌和Ni金属薄膜中的一种或其任意组合。
7.如权利要求6所述的电容式结构的发光二极管集成芯片，其中交流电源工作频率范围在IHz-1MHz之间。
8.如权利要求1-7任一所述的电容式结构的发光二极管集成芯片的制备方法，包括如下步骤: 准备衬底； 在衬底上形成发光半导体外延结构层，在生长外延层中生长一层外延绝缘层，继续生长P/N型外延层以及位于P/N外延层中的量子阱发光层； 生长完外延结构后需对外延结构用半导体加工技术加工，生长绝缘介质层； 在绝缘介质层上制作透明导电层； 最后蒸镀金属引线Pad点。
9.如权利要求8所述的电容式结构的发光二极管集成芯片的制备方法，其特征在于:其中通过金属有机物化学气相沉积、氢化物气相外延或分子束外延中的一种方法或其任意组合生长发光二极管外延结构层。
10.如权利要求8所述的电容式结构的发光二极管集成芯片的制备方法，其特征在于:其中半导体加工技术包括光刻、ICP刻蚀、蒸镀、电镀、PECVD、溅射、清洗、激光剥离、化学腐蚀、退火、合金、磨抛或划裂。
【文档编号】H01L33/00GK104465921SQ201410817479
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】詹腾, 马骏, 刘志强, 伊晓燕, 王军喜, 李晋闽 申请人:中国科学院半导体研究所