CN104795474B - 大功率led芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种大功率LED芯片及其制造方法。通过在氮化镓外延层中形成规则的沟槽，在P型氮化镓层上形成与P电极相连接的第一反射镜，在沟槽中形成与N电极相连接的第二反射镜，保证电流分布均匀，采用不导电、导热良好的键合衬底，解决了大功率芯片散热不良的问题。采用N面出光，利用表面微粗化处理大大提高了出光效率，且使得N电极和P电极都在N氮化镓层的表面，使封装工艺更加简单。

Description

大功率LED芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种大功率LED芯片及其制造方法。
背景技术
近年来，LED作为新一代绿色光源，广泛应用于照明、背光、显示、指示等领域。随着市场的竞争，各个LED企业以提高芯片光效，降低生产成本为目标，逐步提高生产竞争力。
传统的正装LED芯片是最早出现的LED芯片结构，也是小功率芯片中普遍使用的结构。一般而言，电极在上方，自上而下包括P型氮化镓层，量子阱层，N型氮化镓层，衬底。
但是，传统的正装结构LED芯片由于蓝宝石衬底不导电、导热率差的制约性，存在电流分布不均匀、散热性差等先天缺陷，导致难以实现大功率芯片的制作。
其制约性主要体现在：
1.蓝宝石导热性差，大功率芯片散热问题难以解决；
2.蓝宝石不导电，P型氮化镓层的横向导电能力差，需要透明导电层(例如ITO)来帮助做横向电流扩展，ITO越厚电流扩展能力越强，但其吸光会增多。
3.传统正装芯片由于结构特性，始终存在电流分布不均匀问题。
4.传统正装芯片出光面为P面，由于P型氮化镓层较薄，难以实现表面粗化处理以增加出光效率。
因此，能否改善现有的LED芯片结构，获得一种大功率LED芯片，是业内关注的一个焦点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种散热优秀、电流分布均匀的大功率LED芯片及其制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种大功率LED芯片的制造方法，包括：
提供前端结构，所述前端结构包括第一衬底，形成于所述第一衬底上的N型氮化镓层、量子阱层和P型氮化镓层；
刻蚀所述前端结构形成多个沟槽，暴露出N型氮化镓层；
在所述P型氮化镓层上形成第一反射镜，在所述沟槽中形成第二反射镜的伸入端及连接端，所述第二反射镜的伸入端通过所述第二反射镜的连接端在N型氮化镓层表面相连接，所述沟槽的侧壁与第二反射镜之间留出内隔离带，所述沟槽的侧壁与第一反射镜之间留出外隔离带；
在所述内隔离带、外隔离带和第二反射镜上形成绝缘层，在整个前端结构上形成阻挡层和键合层；
提供键合衬底与所述键合层相键合，去除第一衬底，暴露出N型氮化镓层；
对所述N型氮化镓层进行表面粗化处理，刻蚀所述前端结构形成P通孔和N通孔；
在所述P通孔中形成电连接第一反射镜的P电极，在所述N通孔中形成电连接第二反射镜的连接端的N电极。
可选的，对于所述的大功率LED芯片的制造方法，所述内隔离带的宽度为1-10μm，所述外隔离带的宽度为1-10μm。
可选的，对于所述的大功率LED芯片的制造方法，所述绝缘层的材料包括氧化硅、氮化铝或氧化铝。
可选的，对于所述的大功率LED芯片的制造方法，所述第一反射镜和第二反射镜的形成过程包括：
通过光刻工艺在所述前端结构上获得图案化的光阻，获得形成位于P型氮化镓层上的第一反射镜图案和位于沟槽中的第二反射镜图案；
通过蒸镀工艺在光阻图案中形成第一反射镜和第二反射镜；
去除所述光阻。
可选的，对于所述的大功率LED芯片的制造方法，所述键合层的材料包括金、锡或金锡合金。
可选的，对于所述的大功率LED芯片的制造方法，所述键合衬底为绝缘衬底。
可选的，对于所述的大功率LED芯片的制造方法，所述键合衬底的材料包括硅、陶瓷或氮化铝。
可选的，对于所述的大功率LED芯片的制造方法，所述N电极与P电极位于第二反射镜两侧。
相应的，本发明还提供一种由所述的大功率LED芯片的制造方法制得的大功率LED芯片，包括：
键合衬底；
依次位于所述键合衬底上的键合层、阻挡层；
位于所述阻挡层上的第一反射镜和第二反射镜；
依次位于所述第一反射镜上的P型氮化镓层、量子阱层和表面粗糙的N型氮化镓层，第二反射镜的伸入端穿过所述P型氮化镓层和量子阱层通过第二反射镜的连接端在N型氮化镓层表面相连接，第二反射镜与P型氮化镓层、量子阱层、第一反射镜及阻挡层之间由绝缘层隔离；
穿过所述P型氮化镓层、量子阱层和N型氮化镓层的P电极，所述P电极电连接第一反射镜，穿过所述N型氮化镓层N电极，所述N电极电连接所述第二反射镜的连接端。
相比现有技术，本发明提供的大功率LED芯片及其制造方法中，通过在氮化镓外延层中形成规则的沟槽，在P型氮化镓层上形成与P电极相连接的第一反射镜，在沟槽中形成与N电极相连接的第二反射镜，保证电流分布均匀，采用不导电、导热良好的键合衬底，解决了大功率芯片散热不良的问题。采用N面出光，利用表面微粗化处理大大提高了出光效率，且使得N电极和P电极都在N氮化镓层的表面，使封装工艺更加简单。
附图说明
图1为本发明实施例中大功率LED芯片的制造方法的流程图；
图2-图11为本发明实施例中大功率LED芯片的制造方法的过程中器件结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的大功率LED芯片及其制造方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，提供一种大功率LED芯片的制造方法，包括：
步骤S101，提供前端结构，所述前端结构包括第一衬底，形成于所述第一衬底上的N型氮化镓层、量子阱层和P型氮化镓层；
步骤S102，刻蚀所述前端结构形成多个沟槽，暴露出N型氮化镓层；
步骤S103，在所述P型氮化镓层上形成第一反射镜，在所述沟槽中形成第二反射镜的伸入端及连接端，所述第二反射镜的伸入端通过所述第二反射镜的连接端在N型氮化镓层表面相连接，所述沟槽的侧壁与第二反射镜之间留出内隔离带，所述沟槽的侧壁与第一反射镜之间留出外隔离带；
步骤S104，在所述内隔离带、外隔离带和第二反射镜上形成绝缘层，在整个前端结构上形成阻挡层和键合层；
步骤S105，提供键合衬底与所述键合层相键合，去除第一衬底，暴露出N型氮化镓层；
步骤S106，对所述N型氮化镓层进行表面粗化处理，刻蚀所述前端结构形成P通孔和N通孔；
步骤S107，在所述P通孔中形成电连接第一反射镜的P电极，在所述N通孔中形成电连接第二反射镜的连接端的N电极。
以下列举所述大功率LED芯片及其制造方法的较优实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
请参考图1，并结合图2-图11，其中图1为本发明实施例中大功率LED芯片的制造方法的流程图；图2～图11为本发明实施例中大功率LED芯片的制造方法的过程中器件结构的示意图。
如图1所示，所述大功率LED芯片的制造方法包括：
首先，请参考图2，执行步骤S101，提供前端结构，所述前端结构包括第一衬底10，形成于所述第一衬底上的N型氮化镓层(N-GaN)11、量子阱层(MQW)12和P型氮化镓层(P-GaN)13。较佳的，第一衬底10的可以选择为蓝宝石衬底，硅衬底、硅碳衬底或者图形化的衬底，本实施例中采用蓝宝石衬底。具体的，N型氮化镓层11、量子阱层12和P型氮化镓层13可以采用MOCVD/MBE分子束外延等生长方法依次形成。
接着，请参考图3a和图3b，执行步骤S102，刻蚀所述前端结构形成多个沟槽14，暴露出N型氮化镓层11。在本发明的较佳实施例中，沟槽14排布呈“山”字型，所形成的沟槽14并不限于如图3b中所示的结构，还可以是其他任意形状，以及其他任意的排布方式。
接着，请参考图4a、图4b和图5，执行步骤S103，在所述P型氮化镓层13上形成第一反射镜16，在所述沟槽14中形成第二反射镜17的伸入端171及连接端172，所述第二反射镜的伸入端171通过所述第二反射镜的连接端172在N型氮化镓层11表面相连接，所述沟槽14的侧壁与第二反射镜17之间留出内隔离带152，所述沟槽14的侧壁与第一反射镜16之间留出外隔离带151。
具体的，如图4a和图4b所示，首先通过光刻工艺在所述前端结构上获得图案化的光阻15，获得形成位于P型氮化镓层13上的第一反射镜图案和位于沟槽14中的第二反射镜图案。例如在本实施例中，第二反射镜17包括深入沟槽14中的第二反射镜的伸入端171以及第二反射镜的连接端172，从俯视图上看，第二反射镜的图案为“山”字型，当然，依据沟槽14的不同，第二反射镜的图案也会变动。那么首先使得光阻覆盖整个前端结构，并填充满沟槽14，之后显影去掉沟槽14中间的光阻，暴露出N型氮化镓层11，也即形成第二反射镜的图案，沟槽14的侧壁依旧被光阻保护，并相应的去掉形成第一反射镜处的光阻。如此获得的第一反射镜的图案和第二反射镜的图案被剩余光阻所分离。
然后，如图5所示，通过蒸镀工艺在光阻图案中形成第一反射镜16和第二反射镜17。具体的，可以是采用溅镀机进行金属银的蒸镀，当然，还可以是其他材质，例如金属铝等，从而实现将金属形成在沟槽14中，并与N型氮化镓层11电连接，以及形成在P型氮化镓层13上的光阻图案中。其中第二反射镜的伸入端171是填满沟槽14(此时沟槽侧壁尚存在光阻)并超过沟槽14上端，而第二反射镜的连接端则可以是较薄一层，连接第二反射镜的伸入端171并与N型氮化镓层11电连接。
之后，去除剩余的光阻。那么沟槽14的侧壁与第二反射镜的伸入端171之间存在间隙，作为了内隔离带152，沟槽14与第一反射镜16之间则是外隔离带151。所述内隔离带152的宽度为1-10μm，所述外隔离带151的宽度为1-10μm。
之后，请参考图6a、图6b和图7，其中图6b为图6a中沿X-X线的剖视图，执行步骤S104，在所述内隔离带152、外隔离带151和第二反射镜17上形成绝缘层18，在整个前端结构上形成阻挡层19和键合层20。所述绝缘层18的材料例如可以是氧化硅(SiO2)、氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2O3)等不导电的材料，完全覆盖第二反射镜17。在绝缘层18形成后，形成阻挡层(barrier layer)19，阻挡层19完全包裹第一反射镜16和绝缘层18，然后在阻挡层19上蒸镀键合层20，键合层20的材料例如可以是金(Au)、锡(Sn)或者金锡合金。
然后，请参考图8，执行步骤S105，提供键合衬底21与所述键合层20相键合，去除第一衬底10，暴露出N型氮化镓层11。在本发明中，所述键合衬底21为绝缘衬底，例如可以是硅、陶瓷、氮化铝等不导电，却具备良好导热性的材料。第一衬底10的剥离可以采用常规手段进行，再次省略描述。
然后，请参考图9和图10，执行步骤S106，对所述N型氮化镓层11进行表面粗化处理，刻蚀所述前端结构形成P通孔22和N通孔23。其中对N型氮化镓层11进行的表面粗化处理可以采用氢氧化钾(KOH)溶液、硫酸(H2SO4)溶液等进行湿法刻蚀，获得粗糙表面111，以提高出光率。对于存在无掺杂氮化镓层(U-GaN)的结构，则还需先进行无掺杂氮化镓层的整体刻蚀或者图形化刻蚀。在粗糙表面111形成后，通过光刻刻蚀工艺，形成通孔22，其中，通孔22的刻蚀按照如图6a中的Y-Y线方向进行，即在第二反射镜17两侧。具体的，包括刻蚀N型氮化镓层11、量子阱层12及P型氮化镓层13形成P通孔22，暴露出第一反射镜16；以及刻蚀N型氮化镓层形成N通孔23，暴露出第二反射镜的连接端172。
最后，请参考图11，执行步骤S107，在所述P通孔22中形成电连接第一反射镜16的P电极24，在所述N通孔23中形成电连接第二反射镜的连接端172的N电极25。电极的材质例如可以是镍(Ni)/金(Au)，铝(Al)/钛(Ti)/铂(Pt)/金(Au)，铬(Cr)/铂(Pt)/金(Au)等。由此可见，本发明中制得的P电极24和N电极25皆在N型氮化镓层11表面，即都在N侧，且分别位于第二反射镜17两侧，优化了封装过程。在电极形成后，还可以继续蒸镀钝化层26，覆盖表面粗化后的N型氮化镓层11，并隔离电极24、25与通孔侧壁，所述钝化层26的材料例如可以是氧化硅、氧化铝等透光性高，且折射率介于氮化镓和空气之间的材料。
请继续参考图11，并结合图1-图10，本发明获得的大功率LED芯片，包括：键合衬底21；依次位于所述键合衬底21上的键合层20、阻挡层19；位于所述阻挡层19上的第一反射镜16和第二反射镜17；依次位于所述第一反射镜16上的P型氮化镓层13、量子阱层12和表面粗糙的N型氮化镓层11，第二反射镜的伸入端171穿过所述P型氮化镓层13和量子阱层12通过第二反射镜的连接端172在N型氮化镓层11表面相连接，第二反射镜17与P型氮化镓层13、量子阱层12、第一反射镜16及阻挡层19之间由绝缘层18隔离；穿过所述P型氮化镓层13、量子阱层12和N型氮化镓层11的P电极24，所述P电极24电连接第一反射镜16，穿过所述N型氮化镓层11的N电极25，所述N电极25电连接所述第二反射镜的连接端172，从而实现与N型氮化镓层11的欧姆接触。
由此，本发明的大功率LED芯片制造完成，相比现有技术，本发明具备如下优点：
1、通过形成规则的沟槽，并形成与N电极相连接的第二反射镜，解决了电流分布不均匀问题；
2、使得N电极和P电极在同一侧，同时采用不导电、导热良好的键合衬底，使封装工艺更加简单；
3、通过在P-GaN表面蒸镀具有高反射率的Ag镜，Ag与P-GaN形成良好欧姆接触，既保证了优秀的电流扩展，又避免了传统工艺中的透明导电层的吸光，提高了出光效率；
4、通过衬底转移技术，将氮化镓外延层(N-GaN、MQW、P-GaN)从导热性差的蓝宝石衬底转移至导热性良好的键合衬底上面，解决散热问题；
5、衬底转移后，N-GaN面为出光面，可在较厚的N-GaN面进行表面粗化处理，增加出光。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种大功率LED芯片的制造方法，包括：
提供前端结构，所述前端结构包括第一衬底，形成于所述第一衬底上的N型氮化镓层、量子阱层和P型氮化镓层；
刻蚀所述前端结构形成多个沟槽，暴露出N型氮化镓层；
在所述P型氮化镓层上形成第一反射镜，在所述沟槽中形成第二反射镜的伸入端及连接端，所述第二反射镜的伸入端通过所述第二反射镜的连接端在N型氮化镓层表面相连接，所述沟槽的侧壁与第二反射镜之间留出内隔离带，所述沟槽的侧壁与第一反射镜之间留出外隔离带；所述第一反射镜和第二反射镜的形成过程包括：通过光刻工艺在所述前端结构上获得图案化的光阻，获得形成位于P型氮化镓层上的第一反射镜图案和位于沟槽中的第二反射镜图案；通过蒸镀工艺在光阻图案中形成第一反射镜和第二反射镜；去除所述光阻，获得所述内隔离带和所述外隔离带；所述第二反射镜的图案为“山”字型；
在所述内隔离带、外隔离带和第二反射镜上形成绝缘层，在整个前端结构上形成阻挡层和键合层；
提供键合衬底与所述键合层相键合，去除第一衬底，暴露出N型氮化镓层；
对所述N型氮化镓层进行表面粗化处理，刻蚀所述前端结构形成P通孔和N通孔；
在所述P通孔中形成电连接第一反射镜的P电极，在所述N通孔中形成电连接第二反射镜的连接端的N电极。
2.如权利要求1所述的大功率LED芯片的制造方法，其特征在于，所述内隔离带的宽度为1-10μm，所述外隔离带的宽度为1-10μm。
3.如权利要求1所述的大功率LED芯片的制造方法，其特征在于，所述绝缘层的材料包括氧化硅、氮化铝或氧化铝。
4.如权利要求1所述的大功率LED芯片的制造方法，其特征在于，所述键合层的材料包括金、锡或金锡合金。
5.如权利要求1所述的大功率LED芯片的制造方法，其特征在于，所述键合衬底为绝缘衬底。
6.如权利要求5所述的大功率LED芯片的制造方法，其特征在于，所述键合衬底的材料包括硅或陶瓷。
7.如权利要求5所述的大功率LED芯片的制造方法，其特征在于，所述键合衬底的材料包括氮化铝。
8.如权利要求1所述的大功率LED芯片的制造方法，其特征在于，所述N电极与P电极位于第二反射镜两侧。
9.一种由权利要求1-8中任意一项所述的大功率LED芯片的制造方法制得的大功率LED芯片，其特征在于，包括：
键合衬底；
依次位于所述键合衬底上的键合层、阻挡层；
位于所述阻挡层上的第一反射镜和第二反射镜；
依次位于所述第一反射镜上的P型氮化镓层、量子阱层和表面粗糙的N型氮化镓层，第二反射镜的伸入端穿过所述P型氮化镓层和量子阱层通过第二反射镜的连接端在N型氮化镓层表面相连接，第二反射镜与P型氮化镓层、量子阱层、第一反射镜及阻挡层之间由绝缘层隔离；
穿过所述P型氮化镓层、量子阱层和N型氮化镓层的P电极，所述P电极电连接第一反射镜，穿过所述N型氮化镓层N电极，所述N电极电连接所述第二反射镜的连接端。
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