專利名稱：發(fā)光二極管集成矩陣組件及制法的制作方法
發(fā)光二極管(LED)集成矩陣組件，屬半導(dǎo)體電光集成器件及其制備方法。
近年來，發(fā)光二極管(LED)在各種尖端科學(xué)領(lǐng)域及民間的顯示顯像裝置上的應(yīng)用越來越廣泛。組成線陣或面陣的LED組件在空間技術(shù)顯示顯像或信息記錄中已有實際應(yīng)用。LED做為數(shù)字或文字顯示元件可分為筆劃型和點陣型兩類，已提出單板機(jī)控制的LED多功能變色矩陣顯示裝置軟件的設(shè)計方法，此方法亦適用于電致發(fā)光屏，薄膜屏及其他文字點陣屏的顯示裝置，可顯示15×16或15×18的數(shù)字或字符。采用EPROM列表及附加譯碼器等芯片組成的LED顯示器，可組成5×7點陣顯示，并可縮為一位或二位點陣顯示，也可擴(kuò)展成多位點陣顯示。
常規(guī)用于LED的材料有GaAsP/GaAs GaAsP/GaP GaP/GaAsGaP/Gap GaAlAs/GaAs 特別是由于GaAlAs的研制和開發(fā)使得LED的發(fā)光強度大幅度提高，已可在室內(nèi)外進(jìn)行矩陣顯示。為了實現(xiàn)上述目的，只簡單的將多個LED裝在一起構(gòu)成矩陣顯示已遠(yuǎn)不能滿足微型化的需要。自70年代以來，LED微型矩陣組件的研制工作相繼有所報道。
日本烏取三洋電子有限公司電子器件部和大板三洋電子有限公司半導(dǎo)體研究中心(HIROSHI，YAMANE，TATSN-HIKO NIINA，etc.A Low-cost SUPER-HIGH-LUMINANCE GaP GREEN LED MONOLITHIC FLAT-PANEL DISPLAY.(Proceeding of The SID Vol 29/1988)報道了一種疊層鋸溝法GaP材料X-Y交叉控制單片LED微型組件。采用上述技術(shù)較之采用常規(guī)半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，即多次掩膜，多次光刻，進(jìn)行光電隔離，實現(xiàn)X-Y交叉控制，無疑是前進(jìn)了一步，克服了以往常規(guī)工藝復(fù)雜，成品率低達(dá)5%，且存在電極與電極，電極與襯底間漏電等問題，但由于GaP材料的固有問題，點陣間的串光難以解決。這對顯示顯像工作十分不利。
本發(fā)明的目的是采用另外發(fā)光材料，伴以疊層鋸溝-定域擴(kuò)散法制出單片集成矩陣LED組件，它不但克服了常規(guī)工藝制備LED微型矩陣組件的弱點，也克服了串光而帶來顯示工作中分辨率上的難題。
本發(fā)明公開的以GaAsP/GaAs(n)發(fā)光材料與高阻GaAs∶Zn疊層復(fù)合后，以空間鋸溝和P-n結(jié)隔離的新型工藝制備X-Y交叉引線LED矩陣組件是4×9-36元微型組件，本組件芯片的構(gòu)成如

圖1所示1-1 高阻n-GaAs(Te) n-1015-16/cm31-2 P-GaAs(Zn) n 1019-20/cm31-3 Si3N4～1000-2000A°1-4 Au-Ge-Ni 1-2μm1-5 Ag膠粘結(jié)層1-6 Au-Ge-Ni 0.5-1.0μm1-7 n-GaAs(Te) 1-5×1017/cm1-8 n-GaAs0.6P0.4(Te) n-0.5-8×1017/cm3
1-9 P-GaAs0.8P0.4P 1019-20/cm31-10 Si3N41000～2000A°1-11 Al電極 5000-10000A°1-12 隔離溝 寬30-50μ 深5-10μ(深入隔離襯底)1-13 硅鋁絲金絲引線 30-50μ本發(fā)明的LED微型矩陣組件由兩大部分組成，如圖2。
它們是Al2O3黑瓷基座(2-1，2-2，2-3)和發(fā)光芯片(2-4，2-5)。圖2中2-1 負(fù)極外引線2-2 正極外引線2-3 Al2O3黑瓷基座2-4 環(huán)氧樹脂封裝2-5 36元發(fā)光蕊片本發(fā)明得以實現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵是1、發(fā)光材料需高效率，高吸收，即在保證高發(fā)光亮度的前提下，發(fā)光元之間不串光。
2、p層發(fā)光源之間保證光電隔離。
3、n層列間保證電隔離。
基于上述要求，我們選取n-GaAs0.8P0.4/GaAs發(fā)光材料n＝0.5-8×1017/cm3為宜，在該載流子范圍內(nèi)，反向電壓一般＞10V(50mA)。P型層可以用定域擴(kuò)散實現(xiàn)發(fā)光元之間的光電隔離。因n型層是全導(dǎo)通的，且厚度一般在200μm左右，用通常的刻蝕辦法是難以達(dá)到的。本發(fā)明在于把發(fā)光芯片與高阻GaAs經(jīng)Zn擴(kuò)散后疊合在一起，用鋸溝的方法，將GaAs0.6P0.4/GaAs層，高阻的GaAs P-n結(jié)鋸開。達(dá)到n層襯底p-n結(jié)電阻隔離的目的。
(二)黑陶瓷基座的設(shè)計和制備1、基座材料不反光，以提高顯示工作的清晰度。我們選擇了Al2O3黑瓷材料。
2、外形尺寸和電阻尺寸精度很高。
3、敷設(shè)的電極材料電阻小且要均勻，與外引線的直流電阻＜1Ω。
本發(fā)明的單片集成LED矩陣組件的測試結(jié)果表明，各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計構(gòu)思要求1、發(fā)光元之間的串光估計，如圖3，串光程度可用公式Ix＝I0EXP-αx估計。其中I0為發(fā)光強度，α為發(fā)光材料的吸收系數(shù)，GaAs06P04的吸收系數(shù)為700cm-1，X為傳播距離，本設(shè)計為0.04cm代入上式Ix=IOexp-700×0.04= (IO)/(e28) =0即I0傳到臨近發(fā)光點邊界基本降為0。
2、負(fù)極間隔離電阻測量圖4示出了隔離溝，把高阻GaAs擴(kuò)散的p-n結(jié)分開。用萬用表分別測試各電極間電阻列表1
表1 電極間電阻值
<p>Xi為任意一點發(fā)光亮度。
X發(fā)光亮度平均值。
n發(fā)光元數(shù)。
表2 亮度平均值與均勻性
測試條件 10mA溫度 21℃4、LED發(fā)光亮度與電流的關(guān)系。如圖5所示，在0-40mA條件下，亮度上升較快。60mA以上，亮度呈飽和趨勢。在此載流子范圍內(nèi)10-30mA工作電流比較合適。
本發(fā)明LED單片集成矩陣點陣頭的制備選用發(fā)光材料n-GaAs0.6P0.4/GaAs(Te)，其中載流子濃度n～0.5-8×1017/cm3，此外還可選用GaP/GaP，GaAsP/GaP，GaAlAs/GaAs等其他發(fā)光材料，所用高阻GaAs載片n～1015-16/cm3。也可選用絕緣GaAs，絕緣Si和薄的陶瓷片等。
本發(fā)明36元矩陣組件制備工藝如下(GaAs0.6P0.4/GaAs(Te))一、發(fā)光芯片制備1、選用GaAsP外延片在等離子- 氣相沉積設(shè)備(P-LPCVD)生長Si3N4層。
2、在等離子刻蝕機(jī)中進(jìn)行Si3N4的F離子刻蝕。
3、進(jìn)行鋅的閉管定域擴(kuò)散。
4、蒸鍍鋁電極。
5、常規(guī)濕法光刻鋁電極。
6、燒結(jié)鋁電極制歐姆接觸。
7、將GaAsP外延片GaAs層一側(cè)減薄并蒸鍍Au-Ge-Ni電極。
8、燒結(jié)Au-Ge-Ni電極成歐姆接觸。
二、高阻GaAs p-n結(jié)隔離襯底的制備1、將高阻GaAs片進(jìn)行封管Zn擴(kuò)散。
2、在擴(kuò)散層表面用P-LPCVD設(shè)備生長Si3N4膜;
3、在SiN4表面蒸發(fā)Au電極;
4、燒結(jié)使Au與Si3N4層牢固結(jié)合;
5、減薄;
三、疊層，鋸溝裁芯片1、將上述制備的發(fā)光芯片和P-n結(jié)高阻GaAs底片按要求尺寸裁片;
2、將銀膠涂到發(fā)光芯片的GaAs一側(cè)并粘到高阻GaAs襯底上，兩片一端對齊，另一端留出0.7mm左右的Au電極表面;
3、烘烤;
4、將烘好的片子鋸溝并裁出36元芯片。
四、組裝1、清洗予先制備好的Al2O3黑瓷基座，2、用環(huán)氧樹脂把選好合格的矩陣芯片粘接到黑瓷基座的適當(dāng)位置，3、固化粘接劑，用硅鋁金絲將芯片正負(fù)極連接到基座的正負(fù)極，
4、將電極引線接好的組件檢測選出光電參數(shù)達(dá)標(biāo)者進(jìn)行封裝，5、用事先制好的硅橡膠模具把組件用透明度好的環(huán)氧樹脂封裝成型。
五、檢測和老化1、進(jìn)行光電參數(shù)測試，2、通電老化。
3、復(fù)檢光電參數(shù)本發(fā)明64元 GaAlAs/GaAs矩陣組件，由于發(fā)光材料的不同而采用與GaAsP/GaAs不同的工藝，但其核心仍是采用鋸溝法或鋸溝與p-n結(jié)結(jié)合法實現(xiàn)集成化。
本發(fā)明的實施例如下實施例1 GaAsP 36元矩陣組件制備一、發(fā)光芯片制備1、選用面積約為20×15mm2的GaAsP外延片，經(jīng)表面清洗在P-LPCVD設(shè)備上生長厚1000-1500A°的Si3N4層，生長溫度～400℃，生長時間～30分鐘。
2、在等離子刻蝕機(jī)中，用F離子將Si3N4刻出擴(kuò)散窗口。
3、進(jìn)行Zn的定域擴(kuò)散(閉管擴(kuò)散)封管真空度＞5×10-5，擴(kuò)散源ZnAs2(自合成)擴(kuò)散溫度670℃，擴(kuò)散時間5小時。擴(kuò)散深度3～5μ。
4、在真空鍍膜機(jī)上，蒸鍍Al電極，襯底溫度250℃，厚度5000～10000A°。
5、用常規(guī)濕法光刻Al電極，Al電極復(fù)蓋發(fā)光點的面積占25%。
6、燒結(jié)Al電極制歐姆接觸。溫度540℃，10分鐘。
7、將GaAsP外延片GaAs層一側(cè)減薄到～200μ進(jìn)行拋光，并在此面蒸鍍Au-Ge-Ni電極。
8、燒結(jié)Au-Ge-Ni做成為歐姆接觸。溫度400℃，時間10分鐘。
二、高阻GaAs P-n結(jié)隔離襯底制備。
1、將載流子濃度n為1015-16/cm3面積20×20mm2的高阻GaAs片表面拋光，清洗后，進(jìn)行Zn擴(kuò)散，封管真空度＞5×105μ，擴(kuò)散源ZnAs2，擴(kuò)散溫度720℃，約120分鐘，Xj＝3～5μ。
2、在擴(kuò)散層表面用P-LPCVD生長1500～2000A°氮化硅膜，溫度400℃，時間40分。
3、在Si3N4表面蒸發(fā)AU電極，襯底溫度250℃，厚度1-2μm。
4、燒結(jié)，使Au與Si3N4層牢固結(jié)合，溫度400℃時間10分鐘。
5、減薄到200μm。
三、疊層、鋸溝、裁芯片。
1、將上述制備的發(fā)光芯片和p-n結(jié)高阻GaAs底片分別裁成4.5mm和5.2mm條形。
2、將DAD-54銀膠涂到發(fā)光芯片的GaAs一側(cè)并粘到高阻GaAs襯底上，注意兩個片子一端對齊留出0.7mm Au電極面。
3、在烘箱中烘烤。溫度140℃，時間2小時。
4、將粘好的片子進(jìn)行鋸溝，并裁出36元芯片。
四、矩陣芯片的篩選。
1、在雙目立體顯微鏡下，選出鋸口齊整、無裂痕、發(fā)光窗口干凈，電極，Si3N4完整的發(fā)光芯片。
2、將目測好的芯片，測量四個負(fù)極間的電阻，選出R＞1MΩ以上的芯片。
3、用探針和圖示儀檢測芯片各發(fā)光點的亮度和均勻性及正向工作電極曲線是否一致。選出達(dá)到光電性能的芯片備用。
五、矩陣組件的組裝1、將事先制備的Al2O3黑瓷基座進(jìn)行清洗。
2、將選好的矩陣芯片清洗后，用室溫環(huán)氧樹脂粘接到黑瓷基座的適用位置。
3、固化粘牢后用Φ30-50μm的硅鋁絲分別將芯片的正負(fù)極連接到基座的正負(fù)極上。
4、將電極引線連接好的組件，在圖示儀上進(jìn)行檢測，選出光電參數(shù)達(dá)到要求的組件，進(jìn)行封裝。
5、用事先制備的硅橡膠模具把組件用透明度好的環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝成型，固化溫度140℃，時間50分鐘。
六、組件的檢測和老化1、把封裝好的微型矩陣組件，用穩(wěn)壓電源和發(fā)光二極管光電測試儀進(jìn)行光電參數(shù)測試。
2、在單元工作電流10-20mA條件下老化4小時。
3、重新檢測光電參數(shù)，將合格組件交付用戶。
實施例2GaAlAs/GaAs 64元矩陣組件制備。
采用液相外延生長的P-n結(jié)GaAlAs/GaAs發(fā)光材料及絕緣Si襯底材料。
一、發(fā)光芯片電極制備1、用鍍膜機(jī)在發(fā)光層一側(cè)蒸鍍Al或Au-Zn電極。
2、刻Al或Au-Zn電極圖形。
3、燒結(jié)電極成為歐姆接觸。
4、把GaAs-側(cè)減薄200μ蒸鍍Au-Ge-Ni。
5、燒結(jié)Au-Ge-Ni成為歐姆電極。
二、在Si絕緣襯底作電極制備1、用鍍膜機(jī)在Si表面蒸鍍Au厚1μ。
2、燒結(jié)后Au與絕緣Si粘牢3、把Si襯底減薄約200μ三、裁片、粘接、鋸溝1、將GaAlAs/GaAs發(fā)光芯片裁成包括8×8個單元芯片即4×4mm2面積的正方形片子。
2、將絕緣硅片、裁成4.8～4.8的正方形片子。
3、用銀膠進(jìn)行粘接，兩個片子兩端分別對齊，另外兩端留出0.8寬的Au層。
4、X、Y方向分別鋸溝。
其他步驟同實施例1。
應(yīng)用本發(fā)明中的36元單片集成矩陣LED微型組件，已成功用于高速微型攝影機(jī)，作貼片式信息記錄顯示光源，采用本技術(shù)所制備的線陣、矩陣系列產(chǎn)品還可用于尖端科學(xué)的很多領(lǐng)域，如大小型光電經(jīng)緯儀，紅外夜視、前視、熱成像系統(tǒng)中，在民用上。高速體育攝影，LED打印機(jī)等，都離不開這種微型發(fā)光二極管組件。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管集成矩陣組件，本發(fā)明的特征是它由GaAsP/GaAs(n)與本征GaAs∶Zn疊層復(fù)合，以空間隔離溝和p-n結(jié)隔離技術(shù)形成的發(fā)光芯片與Al2O3黑瓷厚膜電路基座組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成矩陣組件，其特征是所述的矩陣組件芯片由1-1高阻摻Te的n型GaAs，1-2 P型摻Zn的GaAs，1-3 Si3N4層，1-4 Au-Ge-Ni導(dǎo)電層，1-5銀膠粘層，1-6Au-Ge-Ni導(dǎo)電層，1-7摻Te的n型GaAs層，1-8摻Te的n型GaAs0.6P0.4層，1-9 P型GaAs0.6P0.4層，1-10 Si3N4層，1-11鋁電極，1-12 隔離溝及1-13硅鋁絲金絲引線構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成矩陣組件，其特征是所用的發(fā)光材料n型摻Te GaAs0.6P0.4/GaAs(Te)其載流子濃度在0.5-8×1017/cm3，也可選用GaP/GaP，GaAsP/GaP或GaAlAs/GaAs。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矩陣集成組件，其特征是它可以按下述工藝流程制備1、發(fā)光芯片制備a.選用GaAsP 外延片在P-LPCVD設(shè)備上生長Si3N4層，b.在等離子刻蝕機(jī)中進(jìn)行Si3N4的F離子刻蝕，c.進(jìn)行Zn的閉管定域擴(kuò)散，d.蒸鍍Al電極，e.常規(guī)法濕法光刻Al電極，f.燒結(jié)Al電極制歐姆接觸，g.將GaAsP 外延片GaAs一側(cè)減薄并蒸鍍Au-Ge-Ni電極，h.燒結(jié)Au-Ge-Ni電極成歐姆接觸，2.高阻GaAs P-n結(jié)隔離襯底的制備a.將高阻GaAs片進(jìn)行封管擴(kuò)散Zn，b.在擴(kuò)散層表面用等離子-液相氣相蒸汽沉積生成Si3N4c.在Si3N4膜表面蒸發(fā)Au電極，d.燒結(jié)使Au與Si3N4層牢固結(jié)合，e.減薄，3、疊層，鋸溝裁芯片a.將上述制備的發(fā)光芯片和p-n結(jié)高阻GaAs底片按尺寸裁片，b.將銀膠涂到發(fā)光芯片的GaAs一側(cè)并粘到高阻GaAs襯底上，兩片一端對齊，另一端留出0.7mm左右的Au電極表面，c.將烘好的片子鋸溝并裁出所需元數(shù)芯片，4、組裝a.清洗事先制備好的Al2O3黑瓷座，b.用環(huán)氧樹脂把合格的矩陣芯片粘接到黑瓷基座的適當(dāng)位置，c.固化粘接劑，用硅鋁金絲將芯片正負(fù)極連接到基座的正負(fù)極，d.將電極引線好的組件檢測選出電參數(shù)達(dá)標(biāo)者進(jìn)行封裝，e.用硅橡膠模具把組件用透明環(huán)氧樹脂封裝成型，5、檢測和老化a.進(jìn)行光電參數(shù)測試，b.通電老化，c.復(fù)檢光電參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成矩陣組件，其特征是絕緣襯底材料選用高阻GaAs，還可選用絕緣Si，絕緣GaAs或薄的陶瓷片。
全文摘要
發(fā)光二極管集成矩陣組件及制法，屬半導(dǎo)體電光集成器件及其制備方法，本發(fā)明以發(fā)光材料GaAs(P/)GaAs(N)與本征GaAs:Zn疊層復(fù)合，以空間隔離溝和P-N結(jié)隔離技術(shù)形成發(fā)光矩陣芯片再與黑瓷厚膜電路基座組成為組件，可用作貼片式信息記錄顯示光源，用于大小型光電經(jīng)緯儀，紅外夜視等領(lǐng)域。
文檔編號H01L21/98GK1056379SQ9010467
公開日1991年11月20日 申請日期1990年7月15日 優(yōu)先權(quán)日1990年7月15日
發(fā)明者盧景貴, 張富文, 侯鳳勤, 王運復(fù), 黃漢生, 楊玉憲 申請人:中國科學(xué)院長春物理研究所