CN102931313A - 倒装发光二极管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种倒装发光二极管及其制作方法，其结构包括：基板，其上分布有P、N型焊盘电极；发光外延层倒装形成于所述基板上，其自上而下包括n型半导体层、有源层、p型半导体层，其中n型半导体层划分为发光区、隔离区和电极区，其中发光区和电极区通过所述隔离区实现电性隔离；有源层和p型半导体层位于发光区下方，所述p型半导体层与p型焊盘电极连接，所述n型半导体层的电极区与N型焊盘电极连接；导电连接部，位于所述n型半导体层上，连接所述n型半导体层的电极区和发光区，当接通外部电源时，实现电流垂直注入发光外延层。

Description

倒装发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件及其制作方法，更具体地是一种出光面上无焊盘电极的倒装发光元件及其制作方法。
背景技术
固态发光器件的发光二极管具有低能耗，高寿命，稳定性好，体积小，响应速度快以及发光波长稳定等良好光电特性，被广泛应用于照明、家电、显示屏及指示灯等领域。此类型发光器件在光效及使用寿命等方面均已有可观的进步，有希望成为新一代照明及发光器件主流。
近年来，为了提高LED发光功率和效率，发展了衬底转移技术，例如在蓝宝石衬底上通过MOCVD沉积GaN基薄膜，然后把GaN基薄膜通过晶圆键合技术或电镀技术黏结到半导体或金属基板上，再把蓝宝石衬底用激光剥离方法去除；将器件做成垂直结构。图1为一种传统垂直结构发光二极管的结构示意图，该LED器件包括：导电基板100，由p型半导体层121、有源层122和n型半导体层构成的发光外延层通过高反射P型导电键合层110形成于导电基板100上，通过n电极131和背电极132注入电流形成垂直结构LED。此LED器件在封装时一般利用银胶固晶或者金锡共晶焊接，N电极需要打线至支架，且N电极位于出光面上挡住大量出射光线，不利于出光。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种出光面上无焊盘电极的垂直结构发光元件及其制作方法，相比传统垂直结构发光元件，其N电极下拉至支撑衬底，有利于封装打线操作，并可提高打线稳定型，由于其焊盘电极不在出光面上，避免了上述传统结构N型电极挡光的问题。
根据本发明的第一个方面，一种倒装发光二极管，其包括：基板，其上分布有P、N型焊盘电极；发光外延层倒装形成于所述基板上，其自上而下包括n型半导体层、有源层、p型半导体层，其中n型半导体层划分为发光区、隔离区和电极区，其中发光区和电极区通过所述隔离区实现电性隔离；有源层和p型半导体层位于发光区下方，所述p型半导体层与p型焊盘电极连接，所述n型半导体层的电极区与N型焊盘电极连接；导电连接部，位于所述n型半导体层上，连接所述n型半导体层的电极区和发光区，当接通外部电源时，实现电流垂直注入发光外延层。
优选地，所述隔离区形成于电极区的周围，保证电极区与发光区实现电性上完全隔离。
优选地，所述n型半导体层的隔离区采用离子注入方式形成绝缘部，实现所述发光区和电极区的电性隔离。
优选地，所述电极区的n型半导体层通过一键合接触层与所述基板上的N型焊盘电极连接。
优选地，所述电极区的n型半导体层下方对应的p型半导体层、发光层形成短路连接，用于连接电极区的n型半导体层与基板上的N型焊盘电极。
优选地，所述导电连接部为一透明导电层。进一步地，可在所述透明导电层形成一电流扩展结构，进一步控制电流均匀分布。更进一步地，可在透明导电层上制作低折射率钝化层，不仅起到保护透明导电层的作用，还减少了光线出射的全反射，有利于光逃逸出器件。更进一步地，可在n型半导体层的表面制作光萃取结构，所述透明导电层形成于所述光萃取结构上，可以进一步提高出光效率。
优选地，可在发光区的n型半导体层表面上采用离子注入的方式植入一电极扩展结构，亦可有效促进电流均匀分布。
本发明的第二个方面，一种倒装发光二极管的制作方法，包括步骤：1）提供一生长衬底，在其上外延生长发光外延层，其至下而上至少包括n型半导体层、有源层和p型半导体层；2）将n型半导体层划分为发光区、隔离区和电极区，利用离子注入方式绝缘隔离区的n型半导体层，实现发光区和电极区的电性隔离；3）在电极区的n型半导体层上制作N型键合金属层，在P型半导体层上制作p型键合金属层；4）提供一基板，在其上制作P型焊盘电极、N型焊盘电极；5）将上述发光外延层键合在所述基板上，其中N型键合金属层与N型焊盘电极连接，P型键合金属层与P型焊盘电极连接；6）去除生长衬底，露出N型半导体层表面；7）在N型半导体层表面上制作导电连接部，其连接所述n型半导体层的电极区和发光区，当接通外部电源时，实现电流垂直注入发光外延层。
本发明的制作方法中，所述步骤3）中N型键合接触层与P型键合接触层高度相当。在去除生长衬底，在N型面上进行N型半导体层上表面酸洗、电流扩展结构制作、粗化、干蚀刻处理等操作。
本发明相比传统垂直结构芯片，本发明的优势在于出光面上没有焊盘电极，且P电极以及N电极同面位于绝缘基板上，有效提高封装固晶打线的良率；另外可通过在出光面上制作电流阻挡层、粗化N型外延表面、增加钝化层等操作进一步提高芯粒的外量子效率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为一种传统垂直结构发光元件的侧面剖视图。
图2为本发明第一个实施例的侧面剖视图。
图3～10为图2所示的发光二极管的制作过程示意图。
图11为本发明第二个实施例的侧面剖视图。
图12为本发明第三个实施例的侧面剖视图。
图13为本发明第四个实施例的侧面剖视图。
图14为本发明第五个实施例的侧面剖视图。
图15为本发明第六个实施例的侧面剖视图。
图中部件符号说明：
100：导电基板；110：高反射P型导电键合层；121 ：P型半导体层；122：有源层；123： N型半导体层，131：n电极；132：背电极；200：生长衬底；211：p型半导体层；212：有源层；213：n型半导体层；213a：电极区；213b：隔离区；213c：发光区；221：p型键合金属层；222：N型键合金属层；230：绝缘透光材料；240：基板；241：242：金属键合层；250：透明导电层；260：电流扩展结构；271：P型焊盘电极；272：N型焊盘电极；280：钝化层。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。 
下面各实施例公开了一种出光面上无焊盘电极的垂直结构发光二极管及其制作方法，将n型半导体层划分为发光区、隔离区和电极区，其中发光区和电极区通过所述隔离区实现电性隔离。在一些优选实施例中，可通过离子注入方式将部分N型半导体层绝缘，使电极区与发光区的隔离，并利用管芯键合以及激光剥离等技术裸露发光元件出光面，并通过透明导电层连接上述离子注入绝缘隔离区的两端，使电流流向按照所设计的结构注入有源区，最终形成一种出光面上无焊盘电极的垂直结构发光元件。
下面结合具体实施例对本发明的更多细节做详细说明。
如图2所示，一种倒装发光二极管，包括永久基板240；由p型半导体211、有源层212和n型半导体层213构成的发光外延层倒装形成于基板240上，其中n型半导体层213划分为电极区213a、隔离区213b和发光区213c，其中隔离区213b采用离子注入将n型半导体层绝缘化，用于电隔离电极区213a和发光区213c；透明导电层250形成于所述n型半导体层的表面上，作为导电连接部用于连接n型半导体层的电极区213a和发光区213c。
永久基板240为绝缘基板，其上分布有金属键合层图案241、242及P、N型焊盘电极271、273，其中金属键合层241与P型焊盘电极271连接，金属键合层242与N型焊盘电极272连接。一般还可在金属键合层图案中填充绝缘隔离层，其高度与金属键合层等高。
n型半导体层213分为电极区213a、隔离区213b和发光区213c，其中隔离区213b位于电极区213a的周围，保证电极区213a与发光区213c实现电性上完全隔离。p型半导体层211和有源层212位于发光区n型半导体层213c的下方。p型半导体层211通过高反射的p型键合金属层221及金属键合层241键合在基板240上，电极区的n型半导体层213a通过n型键合金属层222及金属键合层242键合在基板240上。可在N型键合金属层222周围填充绝缘透光材料230，辅助键合金属支撑整个外延层，同时保证N型键合金属层222与p型半导体层211、有源层212和p型键合金属层221实现电隔离。
透明导电层250，采用透明的导电材料（例如ITO），形成于N型半导体层213上，同时接触至电极区213a和发光区213c，实现主体发光区上n型半导体层与电极区的n型半导体层的电性连接，从而保证了电流垂直注入发光外延层。
下面结合附图3~10对前述倒装发光二极管的制作方法进行详细说明。
如图3所示，利用MOCVD在生长衬底700（例如蓝宝石）上依次成长n型半导体层213与304、有源层212和p型半导体层211。
如图4所示，定义台面，露出部分n型半导体层213。具体工艺如下：利用光罩图形化保护大部分P型半导体层211，利用ICP干法刻蚀，露出n型半导体层213，最佳蚀刻深度为1um。
如图5所示，将n型半导体层划分为电极区213a、隔离区213b和发光区213c。如图6所示，在露出的n型半导体层台面上定义电极区213a和隔离区213b，采用离子注入法将隔离区的n型半导体层绝缘化形成隔离部，由p型半导体层和有源层覆盖的n型半导体层区域为发光区。具体工艺如下：利用光罩图形化以及离子注入法在露出的N型半导体层上部分区域213b注入使N型半导体层钝化绝缘的离子，注入深度达到生长衬底，注入离子可以是N离子、Ar离子或者是O离子中的一种或者组合。
如图7所示，在P型半导体层211上制作图案化的高反射键合金属层221，在电极区的n型半导体层213a上制作N型键合金属层222。其具体工艺如下：利用光罩图案化露出需要制作高反射键合金属层221的区域，利用真空电子束蒸发镀膜蒸镀高反射键合金属层221，该高反射键合金属层可包含Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种，其总体厚度不小于1um，最佳厚度为2um。采用光罩图形化露出电极区的n型半导体层213a，利用真空电子束蒸发镀膜蒸镀n型键合金属层222，该键合金属层可包含Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种，其总体厚度不小于2um，最佳厚度为3um。
如图8所示，采用绝缘透光填充材料230填充N型键合金属层222周围，该填充材料可以是SOG，BCB等材料，填充高度与N型键合金属层222、高反射P型金属键合层201平齐。
减薄生长衬底200，利用激光划片以及裂片机分开各个芯粒备用。
提供一永久绝缘基板240，利用PECVD在其上生长绝缘层243，其材料可以是SiO2，SiNx，SiOxNy的一种或者多种组合，其厚度不小于0.5um，最佳厚度为1um；利用光罩图案化该绝缘材料、化学湿法蚀刻该绝缘材料，并利用真空电子束蒸发镀膜在其上蒸镀与绝缘层130厚度相当的键合金属层241、242，该金属层可包含Cr、Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种。其中键合金属层241与键合金属层242由绝缘层130隔开，形成电性隔离；接着在键合金属层241上制作P型焊盘电极271，在键合金属层242上制作N型焊盘电极272。
如图8所示，利用管芯键合方式，将上述备用芯粒键合于永久绝缘基板240上，具体实施方式如下：将P型高反射键合金属层221与永久基板240上的键合金属层241对准键合，与此同时，将N型键合金属层242与永久基板240上的键合金属层242对准键合。
如图9所示，采用248nm KrF准分子激光器，剥离生长衬底200，用盐酸清洗激光剥离残留的Ga金属，如此，发光区上的N型半导体层213c、电极区上的N型半导体层213b以及电性隔离绝缘区213b同时裸露在表面上。
如图10所示，在露出的发光区上的N型半导体层213c、电极区上的N型半导体层213b以及电性隔离绝缘区213b上制作透明导电层250，该透明导电层可以为ITO或者ZnO2，其最佳厚度为5000埃，其至少同时连接发光区的n型半导体213c与电极区上的n型半导体层213a。至此形成一个在出光面上无金属电极、电流垂直注入发光外延层的倒装发光二极管芯粒。
在本实施例中，LED器件中电流采用垂直方式注入发光外延层，有效解决了水平结构的LED器件中的电流堵塞问题。进一步地，出光面上没有焊盘电极，避免了电极吸光问题；且P电极以及N电极同面位于绝缘基板上，有效提高封装固晶打线的良率。
图11体现了本发明的第二个实施例。本实例中在透明导电层250制作之前先在n型半导体层213表面上制作电流扩展结构260。该电流扩展结构260由一系列绝缘部构成，其材料为绝缘透光材料，如SiO2，Ga2O3等。进一步地，电流扩展结构260的绝缘部可呈阶梯状分布，靠近电极区一侧分布最密，远离电极区的一侧分布最疏。
图12体现了本发明的第三个实施例。区别于第二个实施例，本实施例在透明导电层250制作之前先采用离子注入法在n型半导体层表层制作一系列绝缘部形成电流扩展结构。
图13体现了本发明的第四个实施例。在本实施例中，透明导电层501制作之前先对n型半导体层213表面做粗化处理，接着在粗化面上制作透明导电层250。
图14体现了本发明的第五个实施例。在本实施例中，在透明导电层260制作完毕后，在透明导电层上形成钝化层280，该钝化层材料为低折射率的绝缘透光材料，首选SiO2。
图15体现了本发明的第六个实施例。在本实施例中，短接电极区的p型半导体及有源层，代替实施例一中的厚N型键合金属层，如此p、n电极等高，更有利于电极制作。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的全部实施方式。

Claims (11)

1.倒装发光二极管，其包括：
基板，其上分布有P、N型焊盘电极；
发光外延层倒装形成于所述基板上，其自上而下包括n型半导体层、有源层、p型半导体层，其中n型半导体层划分为发光区、隔离区和电极区，其中发光区和电极区通过所述隔离区实现电性隔离；有源层和p型半导体层位于发光区下方，所述p型半导体层与p型焊盘电极连接，所述n型半导体层的电极区与N型焊盘电极连接；
导电连接部，位于所述n型半导体层上，连接所述n型半导体层的电极区和发光区，当接通外部电源时，实现电流垂直注入发光外延层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：在n型半导体层中，所述隔离区形成于电极区的周围，保证电极区与发光区实现电性上完全隔离。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：还包括一个电流扩展结构，其分布在所述发光区的n型半导体层内。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述导电连接部为一透明导电层。
5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：还包括一个电流扩展结构，其分布在透胆导电层内。
6.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于：还包括一钝化层，其覆盖在所述透明导电层上。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述n型半导体层的隔离区采用离子注入方式形成绝缘部，实现所述发光区和电极区的电性隔离。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述电极区的n型半导体层通过一键合金属层与所述基板上的N型焊盘电极连接。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述电极区的n型半导体层下方对应的p型半导体层、发光层形成短路连接，用于连接电极区的n型半导体层与基板上的N型焊盘电极。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光区的n型半导体层和电极区的n型半导体层为同一材质外延层。
11.倒装发光二极管的制作方法，包括步骤：
1）提供一生长衬底，在其上外延生长发光外延层，其至下而上至少包括n型半导体层、有源层和p型半导体层；
2）将n型半导体层划分为发光区、隔离区和电极区，利用离子注入方式绝缘隔离区的n型半导体层，实现发光区和电极区的电性隔离；
3）在电极区的N型半导体层上制作N型键合接触层，在P型半导体层上制作p型键合接触层；
4）提供一基板，在其上制作P型焊盘电极、N型焊盘电极；
5）将上述发光外延层键合在所述基板上，其中N型键合金属层与N型焊盘电极连接，P型键合金属层与P型焊盘电极连接；
6）去除生长衬底，露出N型半导体层表面；
7）在N型半导体层表面上制作导电连接部，其连接所述n型半导体层的电极区和发光区，当接通外部电源时，实现电流垂直注入发光外延层。
Figure 2012103145732100001DEST_PATH_IMAGE001
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