CN104103733B - 一种倒装发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倒装发光二极管芯片及其制造方法，属于半导体技术领域。所述芯片包括外延片、透明导电层、P型电极、N型电极，外延片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的N型层、有源层、P型层，透明导电层层叠在P型层上，N型电极设置在N型层上，P型电极设置在透明导电层上，芯片还包括由至少两种折射率不同的非Ag材料层组成的布拉格反射层、以及P型焊点、N型焊点，布拉格反射层层叠在外延片、透明导电层、N型电极、以及P型电极的与衬底相反的表面上，布拉格反射层中设置有至少两个沿芯片的生长方向的通孔，P型焊点通过至少一个通孔与P型电极连接，N型焊点通过至少一个通孔与N型电极连接。本发明避免了芯片亮度和良率降低的情况。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种倒装发光二极管及其制造方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种半导体发光器件，广泛用于背光、照明和显示屏等领域。LED芯片包括正装芯片和倒装芯片。倒装芯片是在GaN表面制备反光层，使光从蓝宝石表面出射，热量通过GaN传导。由于GaN材料的导热系数比较高，厚度较小，因此空穴和电子复合发光产生的热量能及时传导，散热效果优越，提高了芯片的内量子效率，应用越来越广泛。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
现有的倒装芯片都是采用金属中反射率最高的Ag作为反光层材料，Ag是不稳定金属，容易氧化，氧化之后反射率会下降，进而导致芯片亮度降低。而且Ag容易迁移，形成漏电通道，降低芯片的良率。
发明内容
为了解决现有技术导致芯片亮度降低、降低芯片的良率的问题，本发明实施例提供了一种倒装发光二极管芯片及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种倒装发光二极管芯片，所述芯片包括外延片、透明导电层、P型电极、N型电极，所述外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的N型层、有源层、P型层，所述透明导电层层叠在所述P型层上，所述N型电极设置在所述N型层上，所述P型电极设置在所述透明导电层上，其特征在于，所述芯片还包括由至少两种折射率不同的非Ag材料层组成的布拉格反射层、以及P型焊点、N型焊点，所述布拉格反射层层叠在所述外延片、所述透明导电层、所述N型电极、以及所述P型电极的与所述衬底相反的表面上，所述布拉格反射层中设置有至少两个沿所述芯片的生长方向的通孔，所述P型焊点通过至少一个所述通孔与所述P型电极连接，所述N型焊点通过至少一个所述通孔与所述N型电极连接；
所述P型焊点和所述N型焊点均包括非Ag的第一金属层、以及依次层叠在所述第一金属层上的第二金属层、焊料层，所述第一金属层和所述布拉格反射层构成全方位反射膜，所述P型焊点和所述N型焊点对称分布在所述布拉格反射层上；
所述N型电极和所述P型电极均包括依次层叠的Cr层、Ti层、Al层，所述布拉格反射层由交替的SiO2层和Ti2O3层组成，所述第一金属层为Al层，所述第二金属层为Ni层，所述焊料层为AuSn层。
另一方面，本发明实施例提供了一种倒装发光二极管芯片的制造方法，所述方法包括：
在衬底上依次沉积N型层、有源层、P型层，构成外延片；
在所述P型层上沉积透明导电层，并在N型层上设置N型电极，在所述透明导电层上设置P型电极；
在所述外延片、所述透明导电层、所述N型电极、以及所述P型电极的与所述衬底相反的表面上沉积布拉格反射层，所述布拉格反射层由至少两种折射率不同的非Ag材料层组成；
在所述布拉格反射层中设置至少两个沿所述芯片的生长方向的通孔，并形成P型焊点和N型焊点，所述P型焊点通过至少一个所述通孔与所述P型电极连接，所述N型焊点通过至少一个所述通孔与所述N型电极连接；
所述P型焊点和所述N型焊点均包括非Ag的第一金属层、以及依次沉积在所述第一金属层上的第二金属层、焊料层，所述第一金属层和所述布拉格反射层构成全方位反射膜，所述P型焊点和所述N型焊点对称分布在所述布拉格反射层上；
所述N型电极和所述P型电极均包括依次层叠的Cr层、Ti层、Al层，所述布拉格反射层由交替的SiO2层和Ti2O3层组成，所述第一金属层为Al层，所述第二金属层为Ni层，所述焊料层为AuSn层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过两种折射率不同的非Ag材料层组成布拉格反射层，相对于采用Ag制作的反射层，具有更高的可靠性，反射率在300摄氏度以下都不会改变，因此可以避免不稳定金属Ag氧化之后反射率下降而造成芯片亮度降低的情况。而且非Ag材料层不存在如Ag那样容易迁移的导电物质，因此可以避免出现由于反射层迁移形成漏电通道而降低芯片的良率的情况。另外，由两种折射率不同的非Ag材料层组成的布拉格反射层，比用Ag制作的反射层的反射率更高，提高了LED芯片的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种倒装LED芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种倒装LED芯片的制造方法的流程图；
图3a-3f是本发明实施例二提供的倒装LED芯片在制造过程沿其生长方向的结构示意图；
图4a-4e是本发明实施例二提供的倒装LED芯片在制造过程从衬底的相反侧观察的俯视结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种倒装LED芯片，参见图1，该芯片包括外延片、透明导电层5、P型电极6、N型电极7，该外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的N型层2、有源层3、P型层4，透明导电层5层叠在P型层4上，N型电极6设置在N型层2上，P型电极7设置在透明导电层5上。该芯片还包括由至少两种折射率不同的非Ag材料层组成的布拉格反射层8、以及P型焊点9、N型焊点10。
在本实施中，布拉格反射层8层叠在外延片、透明导电层5、N型电极6、以及P型电极7的与衬底1相反的表面上(图1中用粗线表示)。布拉格反射层8中设置有至少两个沿芯片的生长方向的通孔，P型焊点9通过至少一个通孔与P型电极7连接，N型焊点10通过至少一个通孔与N型电极6连接。
可以理解地，在形成P型层4时，该芯片上开设有从P型层4延伸到N型层2的凹槽，从而可以在N型层2上设置N型电极6，在P型层4上的透明导电层5上设置P型电极7。
在制作N型焊点10时，N型焊点10一般会将凹槽填平，直到N型焊点10的与衬底1相反的表面与P型焊点9的与衬底1相反的表面在同一直线上(如图1所示)，从而有利于后续的倒装焊接工艺。
具体地，N型层2可以为N型GaN，有源层3可以为多量子阱，P型层4可以为P型GaN。
在本实施例中，透明导电层5为ITO(Indium Tin Oxides，纳米铟锡金属氧化物)。
在其它实施例中，透明导电层5可以为ITO、ZnO、In掺杂的ZnO、Al掺杂的ZnO、Ga掺杂的ZnO中的一种或多种。
可选地，透明导电层5的厚度可以为10-200nm。一般透明导电层5的厚度越小，透过率越低，但达到某个阈值时，透明导电层5的透过率会下降，光吸收会增加，因此10-200nm是一个优选的范围，在此范围内，透明导电层5在400nm-700nm波段的透过率可超过85％。由于透过率越高，对光的吸收越小，芯片的发光效率越高，因此超过85％的透过率，可有效提高芯片的发光效率。
在本实施例中，N型电极6和P型电极7均为Cr/Ti/Al，即N型电极6和P型电极7分为三层，沿芯片的生长方向，最下面的一层为Cr，中间的一层为Ti，最上面的一层为Al。
在其它实施例中，N型电极6也可以为Ni/Au、Cr/Pt/Au、Ti/Al/Ti/Au中的任一种。P型电极7也可以为Ti/Au、Pt/Au、Ti/Al/Ti/Au中的任一种。
优选地，透明导电层5与P型层4之间、P型电极7与透明导电层5之间、N型电极6与N型层2之间形成欧姆接触，从而降低接触电阻。
在本实施例中，布拉格反射层8由折射率不同的SiO2、Ti2O3组成。
在其它实施例中，布拉格反射层8可以由交替的高折射率材料层和低折射率材料层组成。高折射率材料层为TiO、TiO2、Ti3O5、Ti2O3、Ta2O5、ZrO2中的一种或多种，低折射率材料层为SiO2、SiNx、Al2O3中的一种或多种。
优选地，P型焊点9和N型焊点10可以对称分布在布拉格反射层8上，以利于后续的倒装焊接工艺。
在本实施例的一种实现方式中，P型焊点9和N型焊点10均可以包括非Ag的第一金属层、以及依次层叠在第一金属层上的第二金属层、焊料层。第一金属层可以与布拉格反射层构成全方位反射膜，与Ag相比，具有更高的反射效率，进一步提高了芯片的发光效率。第二金属层可以提高电流的扩展，焊料层可以用于与导热基板的绑定。另外，第一金属层为非Ag，因此不会被氧化，一方面可以避免在界面处形成很高的接触电阻而导致芯片产生大量的热量，提高了芯片的发光效率，另一方面避免氧化后与布拉格反射层的粘附性变差而容易脱落，提高了芯片的稳定性。
在本实施例中，第一金属层为Al，第二金属层为Au，焊料层为AuSn。
在其它实施例中，第二金属层可以为Al、Au、Ni中的一种或多种，焊料层可以为Au或Au的合金。
本发明实施例通过两种折射率不同的非Ag材料层组成布拉格反射层，相对于采用Ag制作的反射层，具有更高的可靠性，反射率在300摄氏度以下都不会改变，因此可以避免不稳定金属Ag氧化之后反射率下降而造成芯片亮度降低的情况。而且非Ag材料层不存在如Ag那样容易迁移的导电物质，因此可以避免出现由于反射层迁移形成漏电通道而降低芯片的良率的情况。另外，由两种折射率不同的非Ag材料层组成的布拉格反射层，比用Ag制作的反射层的反射率更高，提高了芯片的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种倒装LED芯片的制造方法，用于制造如实施例一所述的倒装LED芯片，参见图2，该方法包括：
步骤201：在衬底上依次沉积N型层、有源层、P型层，构成外延片。
图3a为执行步骤201后得到的芯片沿其生长方向的结构示意图。其中，1表示衬底，2表示N型层，3表示有源层，4表示P型层。
具体地，N型层可以为N型GaN，有源层可以为多量子阱，P型层可以为P型GaN。
步骤202：在P型层上沉积透明导电层，并在N型层上设置N型电极，在透明导电层上设置P型电极。
在本实施例的一种实现方式中，该步骤202可以包括：
开设从P型层延伸到N型层的凹槽；
在P型层上制备透明导电层；
分别在N型层上设置N型电极，在透明导电层上设置P型电极。
图3b为开设凹槽后得到的芯片沿其生长方向的结构示意图，图3c为形成透明导电层后得到的芯片沿其生长方向的结构示意图，图3d为设置N型电极和P型电极后得到的芯片沿其生长方向的结构示意图。图4a为开设凹槽后得到的芯片从衬底的相反侧观察的俯视结构示意图，图4b为形成透明导电层后得到的芯片从衬底的相反侧观察的俯视结构示意图，图4c为设置N型电极和P型电极后得到的芯片从衬底的相反侧观察的俯视结构示意图。其中，1表示衬底，2表示N型层，3表示有源层，4表示P型层，5表示透明导电层，6表示N型电极，7表示P型电极。
在本实施例中，透明导电层为ITO。
在其它实施例中，透明导电层可以为ITO、ZnO、In掺杂的ZnO、Al掺杂的ZnO、Ga掺杂的ZnO中的一种或多种。
可选地，透明导电层的厚度可以为10-200nm。一般透明导电层的厚度越小，透过率越低，但达到某个阈值时，透明导电层的透过率会下降，光吸收会增加，因此10-200nm是一个优选的范围，在此范围内，透明导电层在400nm-700nm波段的透过率可超过85％。由于透过率越高，对光的吸收越小，芯片的发光效率越高，因此超过85％的透过率，可有效提高芯片的发光效率。
在本实施例中，N型电极和P型电极均为Cr/Ti/Al，即N型电极和P型电极分为三层，沿芯片的生长方向，最下面的一层为Cr，中间的一层为Ti，最上面的一层为Al。
在其它实施例中，N型电极也可以为Ni/Au、Cr/Pt/Au、Ti/Al/Ti/Au中的任一种。P型电极也可以为Ti/Au、Pt/Au、Ti/Al/Ti/Au中的任一种。
优选地，透明导电层与P型层之间、P型电极与透明导电层之间、N型电极与N型层之间形成欧姆接触，从而降低接触电阻。
步骤203：在外延片、N型电极、以及P型电极的与衬底相反的表面上沉积布拉格反射层，布拉格反射层由至少两种折射率不同的非Ag材料层组成。
具体地，外延片、N型电极、以及P型电极的与衬底相反的表面可以如图3d中的粗线所示，也可以如图4c所示。
图3e为执行步骤203后得到的芯片沿其生长方向的结构示意图，图4d为执行步骤203后得到的芯片从衬底的相反侧观察的俯视结构示意图。其中，1表示衬底，2表示N型层，3表示有源层，4表示P型层，5表示透明导电层，6表示N型电极，7表示P型电极，8表示布拉格反射层。
在本实施例中，布拉格反射层由折射率不同的SiO2、Ti2O3组成。
在其它实施例中，布拉格反射层可以由交替的高折射率材料层和低折射率材料层组成。高折射率材料层为TiO、TiO2、Ti3O5、Ti2O3、Ta2O5、ZrO2中的一种或多种，低折射率材料层为SiO2、SiNx、Al2O3中的一种或多种。
步骤204：在布拉格反射层中设置至少两个沿芯片的生长方向的通孔，并形成P型焊点和N型焊点，P型焊点通过至少一个通孔与P型电极连接，N型焊点通过至少一个通孔与N型电极连接。
可以理解地，在布拉格反射层中设置通孔时，为了保证布拉格反射层完全刻蚀干净，一般会过刻蚀。由于P型焊点通过通孔与P型电极连接，N型焊点通过通孔与N型电极连接，P型电极和N型电极的厚度一般由2um，因此即使过刻蚀(一般为0.2um)，也不会对芯片性能造成损伤。
在制作N型焊点时，N型焊点一般会将原先开设的凹槽填平，直到N型焊点的与衬底相反的表面与P型焊点的与衬底相反的表面在同一直线上，从而有利于后续的倒装焊接工艺。
图3f为执行步骤204后得到的芯片沿其生长方向的结构示意图，图4e为执行步骤204后得到的芯片从衬底的相反侧观察的俯视结构示意图。其中，1表示衬底，2表示N型层，3表示有源层，4表示P型层，5表示透明导电层，6表示N型电极，7表示P型电极，8表示布拉格反射层，9表示P型焊点，10表示N型焊点。
优选地，P型焊点和N型焊点可以对称分布在布拉格反射层上，以利于后续的倒装焊接工艺。
在本实施例的一种实现方式中，P型焊点和N型焊点均可以包括非Ag的第一金属层、以及依次沉积在第一金属层上的第二金属层、焊料层。第一金属层可以与布拉格反射层构成全方位反射膜，与Ag相比，具有更高的反射效率，进一步提高了芯片的发光效率。第二金属层可以提高电流的扩展，焊料层可以用于与导热基板的绑定。另外，第一金属层为非Ag，因此不会被氧化，一方面可以避免在界面处形成很高的接触电阻而导致芯片产生大量的热量，提高了芯片的发光效率，另一方面避免氧化后与布拉格反射层的粘附性变差而容易脱落，提高了芯片的稳定性。
在本实施例中，第一金属层为Al，第二金属层为Au，焊料层为AuSn。
在其它实施例中，第二金属层可以为Al、Au、Ni中的一种或多种，焊料层可以为Au或Au的合金。
本发明实施例通过两种折射率不同的非Ag材料层组成布拉格反射层，相对于采用Ag制作的反射层，具有更高的可靠性，反射率在300摄氏度以下都不会改变，因此可以避免不稳定金属Ag氧化之后反射率下降而造成芯片亮度降低的情况。而且非Ag材料层不存在如Ag那样容易迁移的导电物质，因此可以避免出现由于反射层迁移形成漏电通道而降低芯片的良率的情况。另外，由两种折射率不同的非Ag材料层组成的布拉格反射层，比用Ag制作的反射层的反射率更高，提高了芯片的发光效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种倒装发光二极管芯片，所述芯片包括外延片、透明导电层、P型电极、N型电极，所述外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的N型层、有源层、P型层，所述透明导电层层叠在所述P型层上，所述N型电极设置在所述N型层上，所述P型电极设置在所述透明导电层上，其特征在于，所述芯片还包括由至少两种折射率不同的非Ag材料层组成的布拉格反射层、以及P型焊点、N型焊点，所述布拉格反射层层叠在所述外延片、所述透明导电层、所述N型电极、以及所述P型电极的与所述衬底相反的表面上，所述布拉格反射层中设置有至少两个沿所述芯片的生长方向的通孔，所述P型焊点通过至少一个所述通孔与所述P型电极连接，所述N型焊点通过至少一个所述通孔与所述N型电极连接；
所述P型焊点和所述N型焊点均包括非Ag的第一金属层、以及依次层叠在所述第一金属层上的第二金属层、焊料层，所述第一金属层和所述布拉格反射层构成全方位反射膜，所述P型焊点和所述N型焊点对称分布在所述布拉格反射层上；
所述N型电极和所述P型电极均包括依次层叠的Cr层、Ti层、Al层，所述布拉格反射层由交替的SiO2层和Ti2O3层组成，所述第一金属层为Al层，所述第二金属层为Ni层，所述焊料层为AuSn层。
2.一种倒装发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
在衬底上依次沉积N型层、有源层、P型层，构成外延片；
在所述P型层上沉积透明导电层，并在N型层上设置N型电极，在所述透明导电层上设置P型电极；
在所述外延片、所述透明导电层、所述N型电极、以及所述P型电极的与所述衬底相反的表面上沉积布拉格反射层，所述布拉格反射层由至少两种折射率不同的非Ag材料层组成；
在所述布拉格反射层中设置至少两个沿所述芯片的生长方向的通孔，并形成P型焊点和N型焊点，所述P型焊点通过至少一个所述通孔与所述P型电极连接，所述N型焊点通过至少一个所述通孔与所述N型电极连接；
所述P型焊点和所述N型焊点均包括非Ag的第一金属层、以及依次层叠在所述第一金属层上的第二金属层、焊料层，所述第一金属层和所述布拉格反射层构成全方位反射膜，所述P型焊点和所述N型焊点对称分布在所述布拉格反射层上；
所述N型电极和所述P型电极均包括依次层叠的Cr层、Ti层、Al层，所述布拉格反射层由交替的SiO2层和Ti2O3层组成，所述第一金属层为Al层，所述第二金属层为Ni层，所述焊料层为AuSn层。
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