CN101183701A - 一种led芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED芯片及其制备方法。先在外延片的P型GaN层上依次逐层沉积反射层、P电极和绝缘层；在绝缘层和散热层上分别沉积键合金属材料；对准后进行键合；倒装后减薄衬底，再用激光聚焦在外延片的衬底与GaN缓冲层交界面进行衬底剥离；刻蚀GaN缓冲层直到N型GaN裸露并将裸露的N型GaN层图形化，使其上表面为三维凸起阵列；在图形化的N型GaN层上沉积一层ITO作为透明电极并在该结构的四角刻蚀出4个沟槽结构，刻蚀沟槽从顶端N型GaN层刻蚀到P型电极层裸露；在ITO上刻蚀出电极孔并沉积金属制作N电极焊点。本发明能提高出光效率和芯片性能，又能减化工艺过程，可增加单芯片面积和发光面积，提高其出光功率。

Description

一种LED芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种LED芯片及其制备方法，该LED芯片尤其适用于照明。
背景技术
发光二极管(LED)是一种具有较高电光转换效率的半导体发光器件。目前以氮化镓(GaN)材料为代表的III-V族化合物是蓝绿光LED的重要材料体系，在众多领域中的广泛应用促进了研发和商用器件方面的快速发展。现在比较常用的LED芯片结构如图1、图2所示。图1是常用的正装LED芯片结构示意图，其基本结构包括：衬底310，GaN缓冲层320，N型GaN330，P型GaN 340，电极焊点110，120。图2是基于激光剥离的倒装LED芯片结构示意图，其基本结构为连接层210，P型GaN 340，N型GaN330，电极焊点220。这两个结构一般芯片比较小，并且出光功率有待提高。由于自然界缺乏天然GaN单晶，目前GaN基LED普遍采用价格低的蓝宝石作为异质衬底，蓝宝石的导电以及导热性能比金属差，这影响了GaN基LED器件的电学和光学性能。如何克服蓝宝石衬底带来的不利影响，提高GaN基LED器件的光电性能及散热效果，成为目前GaN基LED器件的研究热点。激光剥离技术是解决这一问题的重要方法之一。已经有报道采用硅(Si)或铜(Cu)作为激光剥离的转移衬底实现激光剥离，并在此基础上设计出不同的芯片结构，但是还存在一些问题。在激光剥离前，将GaN与Si或Cu键合在一起，剥离后再将GaN与Si或Cu分离，键合和分离工艺上都比较复杂，并且最后得到的芯片的结构没有很好地解决出光效率和性能的问题，尤其是LED芯片发光功率及发光面积，需要进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种LED芯片，该LED照片芯片既能提高出光效率和芯片性能，又能减化工艺过程，尤其可以增加单片芯片面积，同时增加发光面积和提高单片芯片的出光功率；本发明还提供了该芯片的制备方法。
本发明提供的LED芯片，其特征在于：它自下而上依次包括散热层、键合金属层、绝缘层、P型电极、反射层、P型GaN层、N型GaN层和N型电极；其中N型电极由ITO透明电极和N电极焊点构成，在芯片四角设置有四条P电极沟槽，P电极沟槽由芯片顶层的N型电极区贯穿到芯片的P型区；N型GaN层的上表面为三维凸起阵列。
本发明提供的LED芯片的制备方法，其步骤包括：
(1)在外延片的P型GaN层上依次逐层沉积反射层、P电极、绝缘层，再在绝缘层和散热层上分别沉积键合金属材料，再将二者结构对准后键合，键合温度为100到800℃，压强为1.5到3.5个大气压，键合时间为10到40分钟；其中，反射层厚度为50到500纳米，P电极厚度为50到1000纳米，绝缘层厚度在100到1000纳米左右；散热层厚度在20到300微米，键合金属层的厚度为100到2000纳米；
(2)将步骤(1)所得到的结构倒装；
(3)将外延片的衬底减薄到50到200微米，再用激光聚焦在外延片的衬底与GaN缓冲层交界面，清洗剥离后的结构；
(4)刻蚀GaN缓冲层直到N型GaN裸露；
(5)将裸露的N型GaN图形化，使其上表面为三维凸起阵列；
(6)在图形化的N型GaN上沉积一层ITO作为透明电极，ITO透明电极的厚度为100到1000纳米；
(7)在步骤(6)所得到的结构四角刻蚀出4个沟槽结构，刻蚀沟槽从顶端N型GaN刻蚀到P型电极层裸露；在ITO上刻蚀出4个电极孔，P电极焊点的孔直径为20到80微米；
(8)在ITO的上述电极孔内的沉积金属作为N电极焊点。
本发明要求实现衬底激光剥离后，表面图形化N型GaN技术并制作ITO(铟锡金属氧化物)透明电极，既可以通过电极微结构提高出光效率，又可以提高大功率芯片载流子注入效率。衬底激光剥离后GaN缓冲层暴露，但是GaN缓冲层没有掺杂所以导电率不高，在它上面直接做电极会影响LED出光效率和性能，所以选择先刻蚀掉GaN缓冲层后图形化N型GaN，然后在其上沉积透明电极ITO，并在ITO上内嵌Ni/Au电极焊点。为了在P电极上引出焊点，需在剥离衬底后在芯片四角刻蚀出沟槽结构，从顶端直接刻蚀到P电极上层。
本发明方法在将外延片进行激光剥离衬底的基础上制作新型倒装LED芯片，可获得高性能的LED芯片，尤其是可以提高单个LED芯片的发光面积和单个LED芯片的出光功率及效率。具体而言，本发明具有以下技术效果：
(1)引入散热层，既可作为激光剥离时的散热材料，又可提高大功率LED芯片的散热效果。
(2)激光剥离衬底后，结合表面图形化技术制作ITO透明电极，既可以通过电极微结构提高出光效率，又可以解决大功率芯片载流子注入问题。
(3)改进电极结构设计，可以使得芯片面积可以增加，不仅增加发光面积同时增加单片发光功率。
附图说明
图1为常用的正装LED芯片结构示意图。其基本结构包括：衬底310，GaN缓冲层320，N型GaN330，P型GaN 340，电极焊点110，120；
图2是常见的基于激光剥离的倒装LED芯片结构示意图。基本结构为连接层210，P型GaN 340，N型GaN330，电极焊点220；
图3为本发明的LED芯片的结构示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图；
图4是本发明方法的工艺路程图；
图5是本发明各个工艺流程得到的结构示意图；
图5A是在P型GaN层340上沉积反射层350、P电极360、绝缘层370并键合散热层390后的结构，其中380为键合金属层；
图5B是倒装后的结构；
图5C是用激光器照射衬底/GaN缓冲层交界面实现激光剥离衬底的过程；
图5D是衬底剥离后的结构；
图5E是是刻蚀掉GaN缓冲层后的结构；
图5F是对N型GaN做图形化后的结构，其中335为图形化的N型GaN结构；
图5G是在图形化的N型GaN上沉积ITO透明电极后的结构，ITO透明电极325；
图5H是在ITO上刻蚀出小孔并沉积N电极焊点并在芯片四角刻蚀出P电极沟槽后的结构，其中345为P电极沟槽；
图5I是最后得到结构的正视图，其中325a为刻蚀图形化后的ITO透明电极，325b为P电极焊点；
图5J是划片前多个芯片的阵列，该图以三个芯片示意。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图3所示，本发明的LED芯片自下而上依次为：散热层390、键合金属层380、绝缘层370、P型电极360、反射层350、P型GaN340、N型GaN330和N型电极，其中N型GaN层330的上表面为三维凸起阵列，如圆锥或圆台结构，阵列中的三维凸起的结构会因工艺条件不同而有所差异。N型电极由ITO透明电极325a和N电极焊点325b构成，本发明的结构还包括P电极沟槽345，P电极沟槽是在芯片结构四角刻蚀出4个P电极沟槽后，从N型GaN刻蚀到P型GaN上。
如图4所示，本发明方法包括以下步骤：
(1)首先在外延片的P型GaN层340上逐层沉积反射层350、P电极360、绝缘层370，接着在绝缘层和散热层上沉积焊接金属，最后将二者结构对准后，在高温高压条件下实现键合。得到如图5A所示的结构；
外延片由衬底310、GaN缓冲层320、N型GaN层330和P型GaN层340构成。本发明可应用与市售各类外延片，包括以蓝宝石，碳化硅或硅等为衬底的外延片。反射层可选择Ag/Ni、Ag/Al等其他类似金属合金，厚度为50到500纳米，P电极可选择Ni/Au、Ti/Au/Ni等其他类似金属合金，厚度为50到1000纳米。绝缘层370选择导热性好但不导电的材料，可选择硅胶、SiN、或环氧树脂等，绝缘层厚度在100到1000纳米左右。键合金属层所使用的焊接金属可以是Al/Ti/Au、Ti/Au等其他类似金属合金，厚度为100到2000纳米。散热材料可以选用散热性好但成本低的Cu、硅等，散热层厚度在20到300微米。键合时温度可以为100到800℃，压强为1.5到3.5个大气压，键合时间可以是10到40分钟。沉积反射层、P电极、绝缘层和焊接金属的方法可以是溅射、蒸发或CVD等。
(2)用倒装系统将整个结构倒装，得到如图5B所示的结构；
(3)先将衬底减薄到50到200微米以利于激光剥离，接着用激光聚焦在衬底/GaN缓冲层交界面，如图5C所示，最后将实现剥离后的结构放于清洗溶液中清洗，得到如图4D所示的结构。衬底减薄可以采用研磨抛光法等。激光器为紫外光受激准分子激光器等，激光器的波长对应的能量应小于衬底带隙能，但是大于GaN的带隙能，脉冲宽度在10到50ns，激光器功率密度在200到1000J/m2。清洗溶液可是稀盐酸、稀硫酸等溶液；
(4)将整个GaN缓冲层刻蚀掉，得到如图5E所示的结构。要保证刻蚀GaN缓冲层直到N型GaN裸露。刻蚀的方法可以是增强等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)等干法刻蚀的方法；
(5)将裸露的N型GaN图形化，使N型GaN顶层刻蚀出现梯形锥台结构，得到如图5F所示的结构。刻蚀的方法可以是增强等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)等其他干法刻蚀的方法；
(6)在图形化的N型GaN上沉积一层ITO做透明电极325a，ITO会沉积到图形化的GaN梯形锥台空隙中去，得到如图5G所示的结构。ITO透明电极的厚度为100到1000纳米，沉积的方法可以是溅射、蒸发或CVD等；
(7)为了在P电极上引出焊点，需在入图5I所示的芯片结构四角刻蚀出4个沟槽结构，沟槽边长为20到100微米，要求刻蚀沟槽从顶端N型GaN刻蚀到P型电极层裸露。为了在ITO上引出N电极焊点，用刻蚀的方法在ITO上如图5I所示的位置刻蚀4个电极孔，P电极焊点的孔直径为20到80微米。两次刻蚀的方法可以是增强等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)等其他干法刻蚀的方法。
在ITO小孔内的沉积金属做N电极焊点325b，金属电极材料可以是Ni/Au或Ti/Au/Ni等其他类似金属合金，沉积金属的方法可以是溅射、蒸发或CVD等。在P电极上也引出电极焊点。最后得到如图5I所示的结构；
(8)图5K所示：最后通过划片工艺得到单个的LED芯片，划片的方法可以是激光划片、干法刻蚀、劈削、切割等。
图5A到图5J都是这个结构工艺实现的剖面图，其中图5A到图5I所表示的工艺过程都是在外延片上实现工艺过程，但图示的都是以一个芯片为例所画的示意图，3K也是为了表明划片的工艺，示意的画了3个结构。实例：
(1)在外延片的P型GaN层340上用溅射的方法逐层沉积反射层350、P电极360。反射层为Ag/Ni合金，厚度为200纳米。P电极是Ni/Au合金，厚度为250纳米；
(2)在P电极360上用溅射的方法沉积绝缘层370，绝缘层选择导热性好但不导电的硅胶材料，厚度为500纳米；
(3)在硅胶上逐层沉积焊接金属。散热材料选用散热性好但成本低的Cu，散热层Cu厚度在50微米左右。在散热层上沉积焊接金属。两次的焊接金属都为Ti/Au/In，厚度为200纳米，沉积金属的方法都是溅射；
(4)将二者置于N2环境下，结构对准后，在高温(温度约为200℃)高压(压强约为2个大气压)条件下放置20分钟左右实现键合；
(5)用倒装系统将整个结构倒装；
(6)先采用研磨抛光机将蓝宝石衬底减薄到100微米左右以利于激光剥离。然后用激光照射蓝宝石衬底/GaN缓冲层交界面，最后将实现剥离后的结构放于稀HCL中清洗。激光器选用波长在250nm左右的短脉冲(脉冲宽度在25ns左右)紫外光受激准分子激光器，其照射功率密度在600J/m2左右。激光扫描辐照的时间按照一定的频率和速度在一个步进的扫描平台上进行，扫描平台通过计算机控制；
(7)将整个GaN缓冲层刻蚀掉，要保证刻蚀GaN缓冲层直到N型GaN裸露，可微量刻蚀N型GaN。刻蚀的方法是反应离子刻蚀(RIE)；
(8)将裸露的N型GaN图形化，使N型GaN顶层刻蚀出现梯形锥台结构。具体工艺流程是在N型GaN上涂光刻胶，接着光刻出所需要的图形，然后去光刻胶并刻蚀N型GaN。刻蚀的方法是反应离子刻蚀(RIE)；
(9)在图形化的N型GaN上沉积一层ITO做透明电极325a，厚度在500纳米左右。ITO会沉积到图形化的GaN梯形锥台空隙中去，沉积的方法是溅射；
(10)在ITO上涂一层光刻胶，接着在所图5I所示的位置即四边中间位置光刻出四个对称的小孔，然后用刻蚀的方法在ITO上刻蚀出N电极孔，小孔的直径为50微米。刻蚀的方法是反应离子刻蚀(RIE)。在光刻胶上用溅射的方法沉积金属电极Ni/Au合金，同时小孔里面也会充满金属。最后去光刻胶。在光刻胶上的金属也被去除，只留下ITO小孔内的金属做N电极焊点325b；
(11)在ITO上涂一层光刻胶，接着在所图5I所示的位置即四角位置光刻出4个方型图形，图形的大小为50微米。然后在芯片结构的四角刻蚀出四个电极沟槽，电极沟槽必须从N型GaN直接刻蚀到P电极上层。最后在P电极上沉积P电极焊点；
(12)最后通过激光划片工艺得到单个的LED芯片。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，均应包含在权利要求书。

Claims (5)

1.一种LED芯片，其特征在于：它自下而上依次包括散热层、键合金属层、绝缘层、P型电极、反射层、P型GaN层、N型GaN层和N型电极；其中N型电极由ITO透明电极和N电极焊点构成，在芯片四角设置有四条P电极沟槽，P电极沟槽由芯片顶层的N型电极区贯穿到芯片的P型区；N型GaN层的上表面为三维凸起阵列。
2.权利要求1所述的LED芯片的制备方法，其步骤包括：
(1)在外延片的P型GaN层上依次逐层沉积反射层、P电极、绝缘层，再在绝缘层和散热层上分别沉积键合金属材料，再将二者结构对准后键合，键合温度为100到800℃，压强为1.5到3.5个大气压，键合时间为10到40分钟；其中，反射层厚度为50到500纳米，P电极厚度为50到1000纳米，绝缘层厚度在100到1000纳米左右；散热层厚度在20到300微米，键合金属层的厚度为100到2000纳米；
(2)将步骤(1)所得到的结构倒装；
(3)将外延片的衬底减薄到50到200微米，再用激光聚焦在外延片的衬底与GaN缓冲层交界面，清洗剥离后的结构；
(4)刻蚀GaN缓冲层直到N型GaN裸露；
(5)将裸露的N型GaN图形化，使其上表面为三维凸起阵列；
(6)在图形化的N型GaN上沉积一层ITO作为透明电极，ITO透明电极的厚度为100到1000纳米；
(7)在步骤(6)所得到的结构四角刻蚀出4个沟槽结构，刻蚀沟槽从顶端N型GaN刻蚀到P型电极层裸露；在ITO上刻蚀出4个电极孔，P电极焊点的孔直径为20到80微米；
(8)在ITO的上述电极孔内的沉积金属作为N电极焊点。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：散热层采用Cu作为散热材料。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：键合金属层采用Al/Ti/Au合金。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：绝缘层所使用的材料为硅胶。
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