CN103682004B - 一种改善出光率的发光二极管倒装芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善出光率的发光二极管倒装芯片及其制备方法，用于改善芯片的出光率，提高光效。本发明提出在没有Ag反射层覆盖的发光二极管边缘区域设置了金属反射层，使有源层发出的光更多的被反射后通过蓝宝石衬底射出，提高了器件的发光效率。本发明主要应用于蓝宝石衬底LED倒装芯片。

Description

一种改善出光率的发光二极管倒装芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及发光二极管技术，特别是蓝宝石衬底LED倒装芯片技术。
背景技术
目前大功率高亮度LED已成为LED行业发展的重点，广泛应用于室内外照明。传统的正装蓝宝石衬底大功率芯片考虑到P型GaN层电导率不高，需要在P型层上表面沉积一层半透明的Ni/Au导电层使电流更加均匀分布，该电流扩散层会吸收一部分光而降低光效，同时蓝宝石热导系数较低导致芯片热阻高。为克服上述不足，提出了倒装芯片。传统的倒装芯片结构仅仅是将普通的LED芯片倒置在基板上，通过金球将P电极和N电极焊接到基板上。这样有源区发出的光线经透明的蓝宝石衬底取出，消除了电流扩散层和电极对光的吸收，并且其中向下的部分经反射层反射之后向上射出，大大提高了光效，同时热量通过电极直接传导到基板上，导热性能良好。但是基板与芯片之间的连接仅仅通过数目有限的金球，导电性能和散热性能都不够理想。为改善倒装芯片的性能，在蓝宝石衬底上制备GaN多层结构后，制备一层Ag作为反射镜和P电极，去除芯片边缘的Ag，在Ag层上部分区域刻蚀至N型GaN层作为N电极。使用时将芯片倒置在基板上，并用共晶焊固定。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种改善出光率的发光二极管倒装芯片结构，该结构用于提高芯片的光效。
本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种改善出光率的发光二极管倒装芯片的制备方法，该方法用于提高芯片的光效。
为解决上述第一个技术问题，本发明提出一种改善出光率的发光二极管倒装芯片结构，包括蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上形成的InGaAlN多层结构，所述InGaAlN多层结构从下至上包括N型GaN层、有源层和P型GaN层，在所述P型GaN层上形成的去除器件边缘的Ag层，在Ag层表面形成的保护金属层，在保护金属层表面部分区域刻蚀直至暴露出N型GaN层形成的N电极孔，形成于所述N电极孔中的金属N电极，形成于保护金属层上的钝化层，形成于N电极孔侧壁和金属N电极之间的钝化层，还包括形成在器件边缘的金属反射层，所述器件边缘的金属反射层位于P型GaN层和保护金属层之间，覆盖了Ag层被去除的边缘区域。
优选的，所述半导体发光器件还包括形成在N电极孔边缘的金属反射层，所述N电极孔边缘的金属反射层位于N电极孔边缘P型GaN层和保护金属层之间。
优选的，所述金属反射层的材料为Al。
优选的，所述保护金属层的材料为Ti/W合金。
优选的，所述半导体发光器件具有多个呈阵列状排列的N电极孔。
优选的，所述N电极孔的形状为圆形、四边形、六边形中的一种或多种。
为解决上述第二个技术问题，本发明提出一种改善出光率的发光二极管倒装芯片的制备方法，包括以下步骤：在蓝宝石衬底上制备InGaAlN多层结构，所述InGaAlN多层结构从下至上包括N型GaN层、有源层和P型GaN层；在所述P型GaN层上形成Ag层；去除器件边缘的Ag层；在器件边缘形成金属反射层；在Ag层表面制备保护金属层；在保护金属层表面部分区域刻蚀直至暴露出N型GaN层，形成N电极孔；在保护金属表面，反射金属层表面和N电极孔内侧壁制备钝化层；在N电极孔中制备金属N电极。
优选的，所述的制备半导体发光器件的方法还包括在N电极孔的边缘制备金属反射层。
优选的，所述金属反射层的材料为Al。
优选的，所述保护金属层的材料为Ti/W合金。
优选的，所述形成金属反射层工艺为蒸镀或溅射。
优选的，所述形成N电极孔的过程包括，在Ag层表面部分区域刻蚀至暴露P型GaN层形成孔；在孔内及Ag层表面沉积保护金属层；刻蚀孔内的保护金属层使P型GaN层露出，并在Ag层侧壁保留一层保护金属层；在孔内使用ICP干法刻蚀至暴露N型GaN层形成N电极孔。
优选的，所述形成N电极孔的过程包括，在Ag层表面部分区域刻蚀至暴露P型GaN层形成孔；在孔内及Ag层表面沉积保护金属层；使用ICP干法刻蚀至暴露N型GaN层，并在Ag层侧壁保留一层保护金属层，形成N电极孔。
优选的，所述的制备半导体发光器件的方法进一步包括，制备完成后将器件倒装到基板上，然后采用激光剥离的方法去除蓝宝石衬底。
本发明的有益效果如下：
与现有技术相比，本发明在蓝宝石衬底LED倒装芯片的制备过程中，在没有反射镜覆盖的器件边缘区域设置了金属反射层，使有源层发出的光更多的被反射后通过蓝宝石衬底射出，提高了器件的发光效率。
进一步的，在电极孔边缘设置金属反射层，更加增大了反射面积，提高器件的发光效率。
此外，可以在器件制备完成之后安装到基板上，然后采用激光剥离的方法去除蓝宝石衬底，减小了蓝宝石衬底对发光的影响，更进一步提高器件的发光效率。
附图说明
图1为本发明一个实施例的俯视图。
图2为本发明一个实施例的结构示意图。
图3-图11为本发明一个实施例的制造过程的示意图。
图中标识说明：
发光二极管1，蓝宝石衬底 2，N型GaN层 3，有源层 4，P型GaN层 5，Ag层 6，金属反射层7，保护金属层 8， N电极孔9，钝化层 10，金属N电极 11，P型焊接电极 12，N型焊接电极 13。
具体实施方式
本发明提出一种改善出光率的发光二极管倒装芯片结构，包括蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上形成的InGaAlN多层结构，所述InGaAlN多层结构从下至上包括N型GaN层、有源层和P型GaN层，在所述P型GaN层上形成的去除器件边缘的Ag层，在Ag层表面形成的保护金属层，在保护金属层表面部分区域刻蚀直至暴露出N型GaN层形成的N电极孔，形成于所述N电极孔中的金属N电极，形成于保护金属层上的钝化层，形成于N电极孔侧壁和金属N电极之间的钝化层，还包括形成在器件边缘的金属反射层，所述器件边缘的金属反射层位于P型GaN层和钝化层之间，覆盖了Ag层被去除的边缘区域。
下面通过实施例结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为本发明一个实施例的俯视图，发光二极管1可以设置单个N电极孔9，也可以设置多个呈阵列状的N电极孔9。多个N电极孔结构不仅能够改善芯片的电流分布，还能有效的提高散热效率。本实施例就以4×4个N电极孔的发光二极管器件为例说明。N电极孔9的形状可以如图1所示为圆形，也可以为四边形、六边形或者以上形状的任意组合。
如图2所示，发光二极管1由下向上依次为：蓝宝石衬底2， N型GaN层3，有源层4，P型GaN层5，在P型GaN层5上制备有一层Ag层6作为反射镜和P电极金属，器件边缘的部分Ag层6被去除，在Ag层6表面形成有保护金属层8，所述保护金属层8的材料为Ti/W合金。
在保护金属层8表面部分区域刻蚀至暴露出N型GaN层3形成有N电极孔9，金属N电极11位于N电极孔9中。在保护金属层8表面设有钝化层10，并且钝化层10延伸至N电极孔9内侧壁和金属N电极11之间。器件边缘的金属反射层7位于P型GaN层5和钝化层10之间，覆盖了Ag层6被去除的边缘区域，其高度可以低于Ag层6的高度，也可以与Ag层6的高度相同，也可以高于Ag层6的高度甚至覆盖Ag层6的表面并位于Ag层6与保护金属层8之间，覆盖于Ag层6表面的金属反射层7不会影响到Ag层6以及保护金属层8的作用。N电极孔9边缘的金属反射层7位于N电极孔9边缘的P型GaN层5和保护金属层8之间。所述金属反射层7的材料优选为Al。
进一步的，发光二极管1还包括在电极孔9中形成的金属N电极11，在钝化层10被部分刻蚀暴露出的保护金属层8上形成的P型焊接电极12，其形状如图1中虚线框121所示；在钝化层表面形成的连接所有金属N电极11的N型焊接电极13，其形状如图1中虚线框131所示。 P型焊接电极12 和N型焊接电极13之间由钝化层10相互隔离。
图3-图11说明了上述实施例所描述的发光二极管1的制备方法。
如图3所示，在蓝宝石衬底2上制备InGaAlN多层结构，从下至上依次为N型GaN层3，有源层4，P型GaN层5。
如图4所示，使用蒸镀或者溅射工艺在P型GaN层5表面沉积一层Ag层6。
如图5所示，去除器件边缘区域的Ag层6，并且在Ag层6表面部分区域刻蚀至暴露P型GaN层5形成孔。
如图6所示，使用蒸镀或者溅射工艺在Ag层6未覆盖的器件边缘和孔内形成金属反射层7。所述金属反射层7的材料优选为Al。所述金属反射层7的高度可以低于Ag层6的高度，也可以与Ag层6的高度相同，也可以高于Ag层6的高度甚至覆盖Ag层6的表面。
如图7-图9所示，在Ag层6表面制备保护金属层8，在保护金属层8表面部分区域刻蚀直至暴露出N型GaN层3，形成N电极孔9。该过程可以采用以下工艺：如图7所示，在Ag层6表面及金属反射层7表面沉积保护金属层8；如图8所示，刻蚀孔内的保护金属层8使P型GaN层5露出，并在Ag层6侧壁保留一层保护金属层8；如图9所示，在孔内使用ICP干法刻蚀至暴露N型GaN层3形成N电极孔9。也可以简化工艺，去掉如图8所示的步骤，在完成沉积保护金属层8之后，直接使用ICP干法刻蚀至暴露N型GaN层3，并在Ag层6侧壁保留一层保护金属层8，形成N电极孔9。
如图10所示，在器件表面沉积一层钝化层10，所述钝化层10的材料可以为氮化硅、氧化硅或者氮氧化硅。在N电极孔区域之外的部分表面，刻蚀钝化层10至暴露保护金属层8；在N电极孔9内，刻蚀钝化层10至暴露N型GaN层3同时保留N电极孔9侧壁的钝化层10。
如图11所示，在N电极孔9内沉积Al或Pt至与器件表面齐平，形成金属N电极11。
随后，在钝化层表面沉积Au或AuSn合金作为N型焊接电极13，所述N型焊接电极13连接所有金属N电极11，其形状如图1中虚线框131所示；在钝化层10被刻蚀暴露出的保护金属层8上沉积Au或AuSn合金作为P型焊接电极12，其形状如图1中虚线框121所示。制备完成后的芯片剖面结构如图2所示。
此外，将器件安装到基板上后，采用激光剥离的方法去除蓝宝石衬底2，可以进一步提高芯片的光效。

Claims (13)

1.一种半导体发光器件，包括蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上形成的InGaAlN多层结构，所述InGaAlN多层结构从下至上包括N型GaN层、有源层和P型GaN层，在所述P型GaN层上形成的去除器件边缘的Ag层，在Ag层表面形成的保护金属层，在保护金属层表面部分区域刻蚀直至暴露出N型GaN层形成的N电极孔，形成于所述N电极孔中的金属N电极，形成于保护金属层上的钝化层，形成于N电极孔侧壁和金属N电极之间的钝化层，其特征在于：所述半导体发光器件还包括形成在器件边缘的金属反射层，所述器件边缘的金属反射层位于P型GaN层和保护金属层之间，覆盖了Ag层被去除的边缘区域。
2.如权利要求1所述的半导体发光器件，其特征在于：所述半导体发光器件还包括形成在N电极孔边缘的金属反射层，所述N电极孔边缘的金属反射层位于N电极孔边缘的P型GaN层和保护金属层之间。
3.如权利要求1或2所述的半导体发光器件，其特征在于：所述金属反射层的材料为Al。
4.如权利要求1或2所述的半导体发光器件，其特征在于：所述保护金属层的材料为Ti/W合金。
5.如权利要求1或2所述的半导体发光器件，其特征在于：所述半导体发光器件具有多个呈阵列状排列的N电极孔。
6.如权利要求1或2所述的半导体发光器件，其特征在于：所述N电极孔的形状为圆形、四边形、六边形中的一种或多种。
7.一种制备半导体发光器件的方法，包括以下步骤：
在蓝宝石衬底上制备InGaAlN多层结构，所述InGaAlN多层结构从下至上包括N型GaN层、有源层和P型GaN层；
在所述P型GaN层上形成Ag层；
去除器件边缘的Ag层；
在器件边缘形成金属反射层；
在Ag层表面制备保护金属层；
在保护金属层表面部分区域刻蚀直至暴露出N型GaN层，形成N电极孔；
在保护金属表面，反射金属层表面和N电极孔内侧壁制备钝化层；
在N电极孔中制备金属N电极。
8.如权利要求7所述的制备半导体发光器件的方法，其特征在于：所述的制备半导体发光器件的方法还包括在N电极孔的边缘制备金属反射层。
9.如权利要求7或8所述的制备半导体发光器件的方法，其特征在于：所述金属反射层的材料为Al。
10.如权利要求7或8所述的制备半导体发光器件的方法，其特征在于：所述形成金属反射层工艺为蒸镀或溅射。
11.如权利要求7或8所述的制备半导体发光器件的方法，其特征在于：所述形成N电极孔的过程包括，在Ag层表面部分区域刻蚀至暴露P型GaN层而形成孔；在孔内及Ag层表面沉积保护金属层；刻蚀孔内的保护金属层使P型GaN层露出，并在Ag层侧壁保留一层保护金属层；在孔内使用ICP干法刻蚀至暴露N型GaN层形成N电极孔。
12.如权利要求7或8所述的制备半导体发光器件的方法，其特征在于：所述形成N电极孔的过程包括，在Ag层表面部分区域刻蚀至暴露P型GaN层形成孔；在孔内及Ag层表面沉积保护金属层；使用ICP干法刻蚀至暴露N型GaN层，并在Ag层侧壁保留一层保护金属层，形成N电极孔。
13.如权利要求7或8所述的制备半导体发光器件的方法，其特征在于：所述的制备半导体发光器件的方法进一步包括，制备P电极和N电极后将器件倒装到基板上，然后采用激光剥离的方法去除蓝宝石衬底。
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