CN104241471A - 一种垂直结构的led芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直结构的LED芯片及其制造方法，LED芯片包括衬底；位于衬底上方的N型半导体层、多量子阱层、P型半导体层及P电极；位于衬底下方的N电极层，所述衬底上贯穿设置有若干通孔，所述通孔的孔径为20-100μm，N电极层和N型半导体层通过所述通孔电性导通。本发明LED芯片衬底上设置有通孔，能够使电流扩散更加均匀，减少了电流拥堵；ODR结构能够提高芯片的光取出效率；结构简单，能够有效增大发光面积，且芯片热阻低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是涉及一种垂直结构的LED芯片及其制造方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。
现有技术中正装结构LED芯片制备工艺为：
1)通过MOCVD在蓝宝石衬底上生长GaN外延层；
2)芯片MESA制作；
3)电流阻挡层/绝缘层制作；
4)透明导电层制作；
5)制作SiO2保护层、
6)金属电极制作。
现有技术中正装结构LED芯片仍存在电流拥堵、发光面积小、热阻高、光取出效率低等不足。
垂直结构LED芯片通过激光剥离工艺将GaN外延层转移至Si、Cu等高热导率的衬底，从而克服传统的蓝宝石衬底GaN基LED在效率、散热、可靠性等方面存在技术瓶颈。但是激光剥离工艺良率差，而且对于传统正装芯片 公司需要额外增加激光剥离设备。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的垂直结构的LED芯片及其制造方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种相比正装芯片减少电流拥堵、增大发光面积、热阻低、光取出效率高的垂直结构的LED芯片。相比传统垂直结构芯片，制造过程利用现有生产设备、生产可操控性强，具有较高的制程良率且不增加额外的激光剥离设备成本。本发明在制作N电极的同时，结合DBR层形成了ODR的反射层，即制作出N电极又达到了高反射率的ODR结构。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种垂直结构的LED芯片，包括衬底；位于衬底上方的N型半导体层、多量子阱层、P型半导体层及P电极；位于衬底下方的N电极层，所述衬底上贯穿设置有若干通孔，所述通孔的孔径为20-100um，N电极层和N型半导体层通过所述通孔电性导通。
作为本发明的进一步改进，所述N电极层和衬底之间包括分布式布拉格反射层，所述分布式布拉格反射层中与衬底对应设置有若干通孔，所述分布式布拉格反射层与N电极层形成ODR结构。
作为本发明的进一步改进，所述N电极层下方包括电极保护层。
作为本发明的进一步改进，所述N型半导体层上包括透明导电层，P型半导体层和透明导电层之间在位于P电极下方区域设有电流阻挡层。
作为本发明的进一步改进，所述透明导电层上包括SiO2保护层。
相应地，一种垂直结构的LED芯片的制造方法，所述方法包括：
S1、提供一衬底，在衬底上通过MOCVD制备外延层，所述外延层包括N型半导体层、多量子阱层、P型半导体层；
S2、使用激光切割在外延层上制备切割道；
S3、在外延层上方形成P电极；
S4、对衬底进行减薄；
S5、使用激光打孔机在衬底背面打孔，并采用磷酸和硫酸混合液进行腐蚀性清洁，形成贯穿衬底的通孔；
S6、在衬底背面形成N电极层。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3前还包括：
通过PECVD在透明导电层上形成电流阻挡层；
通过电子束蒸发或磁控溅射在外延层上生长透明导电层。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3后还包括：
在透明导电层上形成SiO2保护层。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S5前还包括：
在衬底下方形成分布式布拉格反射层。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S6后还包括：
在N电极层下方形成电极保护层。
本发明具有以下有益效果：
衬底上设置有通孔，能够使电流扩散更加均匀，减少了电流拥堵；
ODR结构作能够提高芯片的光取出效率；
垂直结构的LED芯片结构简单，能够有效增大发光面积，且芯片热阻低；
制造方法简单，制造过程利用现有生产设备即可实现，生产可操控性强，具有较高的制造良率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，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为本发明一具体实施方式中垂直结构LED芯片的剖视结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式中垂直结构LED芯片的正面结构示意图；
图3为本发明一具体实施方式中垂直结构LED芯片的背面结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
此外，在不同的实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关联性。
本发明公开了一种垂直结构的LED芯片，包括衬底；位于衬底上方的N型半导体层、多量子阱层、P型半导体层及P电极；位于衬底下方的N电极层；衬底上贯穿设置有若干通孔，通孔的孔径为20-100um，N电极层和N型半导体层通过所述通孔电性导通。
进一步地，N电极层和衬底之间包括分布式布拉格反射层，分布式布拉格反射层中与衬底对应设置有若干通孔；N电极层下方包括电极保护层；N 型半导体层上包括透明导电层，P型半导体层和透明导电层之间在位于P电极下方区域设有电流阻挡层。；透明导电层上包括SiO2保护层。
本发明还公开了一种垂直结构的LED芯片的制造方法，包括：
S1、提供一衬底，在衬底上通过MOCVD制备外延层，外延层包括N型半导体层、多量子阱层、P型半导体层；
S2、使用激光切割在外延层上制备切割道；
S3、在外延层上方形成P电极；
S4、对衬底进行减薄；
S5、使用激光打孔机在衬底背面打孔，并采用磷酸和硫酸混合液进行腐蚀性清洁，形成贯穿衬底的通孔；
S6、在衬底背面形成N电极层。
进一步地，步骤S3前还包括：
通过PECVD在透明导电层上形成电流阻挡层；
通过电子束蒸发或磁控溅射在外延层上生长透明导电层。
步骤S3后还包括：
在透明导电层上形成SiO2保护层。
步骤S5前还包括：
在衬底下方形成分布式布拉格反射层。
步骤S6后还包括：
在N电极层下方形成电极保护层。
以下结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
参图1～3所示，本发明一具体实施方式中垂直结构的LED芯片包括：
衬底7，衬底可以为蓝宝石、Si、SiC、GaN、ZnO等，本实施方式中以蓝宝石衬底进行说明。
N型半导体层6，N型半导体层6位于衬底7的上方，优选地，本实施 方式中N型半导体层的材料为GaN。
多量子阱层5，多量子阱层5位于N型半导体层6的上方，优选地，本实施方式中多量子阱层的材料为GaN，在其他实施方式中也可以为InGaN等材料。
P型半导体层4，P型半导体层4位于多量子阱层5的上方，优选地，本实施方式中N型半导体层的材料为GaN。
N型半导体层6、多量子阱层5和P型半导体层4共同组成GaN外延层(N-GaN/MQW/P-GaN)。
透明导电层3，透明导电层一般为ITO、ZnO、CdO、Cd2SnO4中的一层或多层的组合，本实施方式中透明导电层选用ITO。
P电极1，P电极位于透明导电层上。
SiO2保护层2，SiO2保护层2位于透明导电层3上P电极以外的区域。
电流阻挡层13，电流阻挡层13位于P型半导体层4与透明导电层3之间，一般选用SiO2等绝缘材料。电流阻挡层可以阻隔与P电极相对应的透明导电层与P型半导体层的电连接，仅通过P电极外的透明导电层与P型半导体层进行电连接，有利于控制注入电流。
分布式布拉格反射层9(DBR层，Distributed Bragg Reflective)，布拉格反射层是两种折射率不同的材料周期交替生长的层状结构，它位于N电极层和衬底之间，能够将射向衬底的光利用布拉格反射原理反射回上表面。分布式布拉格反射层可以直接利用电子束蒸发设备进行生长，其生产成本低。
N电极层10，N电极层10的材料可以为金属Al层等，Al层既可以作为电极层，也可以作为增强反射层，结合上方的DBR层形成了高反射率的ODR结构。
电极保护层11，电极保护层为金属层，其材料可以为金属Ti、Au等。
其中，衬底及分布式布拉格反射层的背面使用激光打孔机进行打孔，打 孔的深度至外延的N型半导体层，并采用磷酸和硫酸混合液进行腐蚀性清洁，形成贯穿衬底的通孔8，通孔的孔径范围为20-100um。通孔的位置和个数根据P电极的设计而定，通过通孔的设置，可以使电流扩散更加均匀。
进一步地，LED芯片上还包括切割道12，切割道呈V型，用于将晶圆进行背裂，形成若干LED芯片。切割道12的深度从P型半导体层延伸到N型半导体层或衬底上。
相应地，本实施方式中垂直结构的LED芯片的制造方法具体如下：
1、外延层制作：提供一蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上通过MOCVD制备GaN外延层，GaN外延层为N-GaN/MQW/P-GaN结构，包括N型GaN层、多量子阱GaN层、P型GaN层。
2、切割道制作：在外延片生长一层SiO2，使用激光切割出芯片的大小，然后使用硫酸和磷酸混合溶液清洗切割残留物。
3、电流阻挡层制作：通过PECVD进行SiO2沉积，再通过光刻、刻蚀等步骤得到电流阻挡层，该电流阻挡层位于P电极下方区域。
4、透明导电层制作：通过电子束蒸发或磁控溅射等沉积ITO薄膜，再通过退火、光刻、刻蚀等步骤得到透明导电层。
5、P电极制作：生长SiO2保护层、光刻、并刻蚀，然后蒸镀金属后剥离，在外延层上方形成P电极。
6、减薄衬底：机械研磨、抛光，将衬底减薄至100-200um。
7、DBR层制作：在衬底下方背镀形成DBR层。
8、通孔制作：使用激光打孔机在衬底背面打孔，并采用磷酸和硫酸混合液进行腐蚀性清洁，露出N-GAN层，形成贯穿衬底和DBR层的通孔，通孔的孔径范围为20-100um。通孔的位置和个数根据P电极的设计而定。
9、N电极层制作：通过电子束蒸发或磁控溅射等沉积直接在DBR层上沉积金属Al，形成N电极层，N电极层也可以作为增强反射层。
10、电极保护层制作：通过电子束蒸发或磁控溅射等沉积直接在N电极层背面加镀金属保护层(如：Ti、Au等)。
11、芯片分离：使用裂片机沿切割道进行背裂，然后扩膜，得到LED芯片。
由上述实施方式可以看出，本发明垂直结构的LED芯片及其制造方法具有以下有益效果：
衬底上设置有通孔，能够使电流扩散更加均匀，减少了电流拥堵；
ODR结构能够提高芯片的光取出效率；
垂直结构的LED芯片结构简单，能够有效增大发光面积，且芯片热阻低；
制造方法简单，制造过程利用现有生产设备即可实现，生产可操控性强，具有较高的制造良率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种垂直结构的LED芯片，包括衬底；位于衬底上方的N型半导体层、多量子阱层、P型半导体层及P电极；位于衬底下方的N电极层，其特征在于，所述衬底上贯穿设置有若干通孔，所述通孔的孔径为20-100um，N电极层和N型半导体层通过所述通孔电性导通。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述N电极层和衬底之间包括分布式布拉格反射层，所述分布式布拉格反射层中与衬底对应设置有若干通孔，所述分布式布拉格反射层与N电极层形成ODR结构。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述N电极层下方包括电极保护层。
4.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述N型半导体层上包括透明导电层，P型半导体层和透明导电层之间在位于P电极下方区域设有电流阻挡层。
5.根据权利要求4所述的LED芯片，其特征在于，所述透明导电层上包括SiO2保护层。
6.一种垂直结构的LED芯片的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、提供一衬底，在衬底上通过MOCVD制备外延层，所述外延层包括N型半导体层、多量子阱层、P型半导体层；
S2、使用激光切割在外延层上制备切割道；
S3、在外延层上方形成P电极；
S4、对衬底进行减薄；
S5、使用激光打孔机在衬底背面打孔，并采用磷酸和硫酸混合液进行腐蚀性清洁，形成贯穿衬底的通孔；
S6、在衬底背面形成N电极层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S3前还包括：
通过PECVD在透明导电层上形成电流阻挡层；
通过电子束蒸发或磁控溅射在外延层上生长透明导电层。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S3后还包括：在透明导电层上形成SiO2保护层。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S5前还包括：在衬底下方形成分布式布拉格反射层。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S6后还包括：在N电极层下方形成电极保护层。
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