CN105280777B - Led芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片及制备方法，该LED芯片包括依序设置的衬底、缓冲层、N‑GaN层、量子阱层和P‑GaN层，LED芯片刻蚀形成台阶露出N‑GaN层。P‑GaN层上设有氧化铟锡层。氧化铟锡层上设有掺铝氧化锌层，掺铝氧化锌层上和N‑GaN层的台阶面上分别设有P电极和N电极。上述LED芯片，氧化铟锡层上设有掺铝氧化锌层，P电极设置在掺铝氧化锌层上，P电极和掺铝氧化锌层之间有非常良好的粘附力，从而可以一定程度上提高金属电极与芯片的粘附力，提高了LED芯片的稳定性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及LED领域，特别地，涉及一种LED芯片。此外，本发明还涉及一种上述LED芯片的制备方法。
背景技术
发光二级管作为新型照明光源来说，具有很多优点，节能、环保、使用寿命长等。但是作为一个新生事物，还有很多工作需要做。LED灯具的使用寿命主要取决于两点：一是封装工艺自身的可靠性，灯具本身的散热设计以及封装工艺的优劣都会直接影响灯具使用寿命；二是LED芯片本身的可靠性。芯片制作工艺复杂，工序繁多，芯片制程对芯片自身质量好坏影响较大。对于封装应用端来讲，芯片是否容易焊线，焊线后金属电极是否牢固，是否能经得起高温老化都是需要关注的。一个灯具的成本只有很小一部分成本在芯片，如果由于芯片电极粘附力不佳导致灯具无法使用，对于应用端来讲损伤巨大，因此，芯片制作厂商必须竭尽全力保证芯片的可靠性。
如图1所示，现有的LED芯片包括以下结构：衬底11、缓冲层22、N-GaN层33、量子阱层44、P-GaN层55、ITO层66、P电极88、N电极99和刻蚀台阶层100。目前芯片可靠性不高，在使用过程中容易出现P电极88与ITO层66分离的情况，从而导致灯具无法正常使用。
发明内容
本发明提供了一种LED芯片及制备方法，以解决LED芯片的电极与导电扩展层分离技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供了一种LED芯片，LED芯片包括依序设置的衬底、缓冲层、N-GaN层、量子阱层和P-GaN层，LED芯片刻蚀形成台阶露出N-GaN层，P-GaN层上设有氧化铟锡层；其特征在于，氧化铟锡层上设有掺铝氧化锌层，掺铝氧化锌层上和N-GaN层的台阶面上分别设有P电极和N电极。
进一步地，掺铝氧化锌层的厚度为掺铝氧化锌层中的锌铝比为90:10～98：2。
进一步地，掺铝氧化锌层的厚度为掺铝氧化锌层中的锌铝比为97:3。
进一步地，氧化铟锡层的厚度为氧化铟锡层的铟锡比为90:10～98:2。
进一步地，氧化铟锡层的厚度为氧化铟锡层的铟锡比为95:5。
进一步地，P电极和N电极的厚度为1～4微米；
台阶的深度为1～2μm，台阶的切割道的宽度在10μm～30μm之间。
进一步地，LED芯片的表面覆盖有绝缘保护层，绝缘保护层的厚度为绝缘保护层的材料选自氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种；
衬底的材料选自蓝宝石、碳化硅、硅中的一种。
进一步地，包括以下步骤：
在衬底上制作缓冲层、N-GaN层、量子阱层和P-GaN层；
在P-GaN层上向下刻蚀形成台阶露出N-GaN层；
在P-GaN层上镀膜形成氧化铟锡层；
在氧化铟锡层上镀膜形成掺铝氧化锌层；
在掺铝氧化锌层上和N-GaN层的台阶面上分别设置P电极和N电极。
进一步地，镀膜形成氧化铟锡层的操作具体为：
在腔体温度150～350℃、氧气流量5～15sccm、真空度10-5-10-7Pa的条件下，在P-GaN层上镀膜形成氧化铟锡层。
进一步地，镀膜形成掺铝氧化锌层的操作具体为：
在腔体温度150～350℃、氧气流量5-20sccm、真空度10-5-10-7Pa的条件下，在氧化铟锡层上镀膜形成掺铝氧化锌层。
本发明具有以下有益效果：上述LED芯片，氧化铟锡层上设有掺铝氧化锌层，P电极设置在掺铝氧化锌层上，P电极和掺铝氧化锌层之间有非常良好的粘附力，从而可以一定程度上提高金属电极与芯片的粘附力，提高了LED芯片的稳定性和使用寿命。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有的LED芯片的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的LED芯片的结构示意图。
附图标记说明：1、衬底；2、缓冲层；3、N-GaN层；4、量子阱层；5、P-GaN层；6、氧化铟锡层；7、掺铝氧化锌层；8、P电极；9、N电极；10、台阶。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种LED芯片，LED芯片包括依序设置的衬底1、缓冲层2、N-GaN层3、量子阱层4和P-GaN层5，LED芯片刻蚀形成台阶10露出N-GaN层3，P-GaN层5上设有氧化铟锡层6；其特征在于，氧化铟锡层6上设有掺铝氧化锌层7，掺铝氧化锌层7上和N-GaN层3的台阶面上分别设有P电极8和N电极9。
申请人发现现有的LED芯片制程中电流扩展层大部分使用氧化铟锡，用来导电的P电极压在氧化铟锡表层，由于氧化铟锡与P电极之间粘附力不是十分良好，在使用过程中当使用电流过大，使用到一定时间时，会出现金属与ITO之间脱离的情况，严重影响芯片在应用端的可靠性和使用寿命。而且LED芯片需要在氧化铟锡开孔，小孔的底部露出P型GaN，P电极设置内小孔内。
本发明提出导电扩展层用两种氧化物来制作，氧化铟锡层6为第一导电层，AZO为第二导电层。先在P-GaN层5镀制氧化铟锡层6作为导电和接触层，然后在氧化铟锡层6镀制一层掺铝氧化锌AZO作为导电扩展层，金属P电极8直接在AZO表面制作，金属P电极8与AZO之间有非常良好的粘附力，从而可以一定程度上提高金属电极与芯片的粘附力。本发明LED芯片在制作过程中，相比现有的LED芯片减少一次光刻，不需要在导电扩展层上开孔，降低光刻成本，提高了生产效率。
衬底1、缓冲层2、N-GaN层3、量子阱层4、P-GaN层5及刻蚀形成的台阶10其结构和形成的过程为现有技术，在此不再赘述。
本发明具有以下有益效果：上述LED芯片，氧化铟锡层6上设有掺铝氧化锌层7，P电极8设置在掺铝氧化锌层7上，P电极8和掺铝氧化锌层7之间有非常良好的粘附力，从而可以一定程度上提高金属电极与芯片的粘附力，提高了LED芯片的稳定性和使用寿命。
可选地，掺铝氧化锌层7的厚度为掺铝氧化锌层7中的锌铝比为90:10～98：2。铝含量过低过高都会影响掺铝氧化锌层7导电性能和表面形貌。并且掺铝氧化锌层过厚会影响芯片亮度，过薄则对P电极和掺铝氧化锌层之间粘附力的提升较小。
可选地，掺铝氧化锌层7的厚度为掺铝氧化锌层7中的锌铝比为97:3。在该条件下，掺铝氧化锌层7导电性能和表面形貌更好。
可选地，氧化铟锡层6的厚度为氧化铟锡层6的铟锡比为90:10～98:2。锡含量过高或过低都不利于氧化铟锡层6导电性和表面形貌。
可选地，氧化铟锡层6的厚度为氧化铟锡层6的铟锡比为95:5。在该条件下氧化铟锡层6导电性和表面形貌更好。
可选地，P电极8和N电极9的厚度为1～4微米。台阶10的深度为1～2μm，台阶10的切割道的宽度在10μm～30μm之间。
台阶的深度为外延层厚度确定，刻蚀台阶需刻到N-GaN。优选P电极8和N电极9的厚度为1.3微米，优选台阶10的切割道的宽度为20μm。
可选地，LED芯片的表面覆盖有绝缘保护层，绝缘保护层的厚度为绝缘保护层的材料选自氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种。衬底1的材料选自蓝宝石、碳化硅、硅中的一种。
根据本发明的另一方面，还提供了一种上述LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
在衬底1上制作缓冲层2、N-GaN层3、量子阱层4和P-GaN层5。
在P-GaN层5上向下刻蚀形成台阶10露出N-GaN层3。
在P-GaN层5上镀膜形成氧化铟锡层6。
在氧化铟锡层6上镀膜形成掺铝氧化锌层7。
在掺铝氧化锌层7上和N-GaN层3的台阶10面上分别设置P电极8和N电极9。
在外延衬底1上生长外延层，将衬底1表面清洁后先沉积缓冲层2，然后生长n型GaN，接着生长多量子阱和P型GaN层。在外延层上制作芯片图形，可用干法刻蚀设备ICP刻蚀出台阶10，露出N型GaN层。在GaN层表面镀一层氧化铟锡薄膜，然后在氧化铟锡薄膜表层蒸镀一层掺铝氧化锌AZO。继而在掺铝氧化锌AZO表面制作P电极8，在N型台阶10上制作N电极9。在电极制作完后，还可在芯片表面沉积一层绝缘保护膜。最后可将制作好的芯片进行减薄、划片、测试、分选。制作好的芯片进行减薄、划片、测试、分选过程为常规技术，在此不再赘述。上述的LED芯片的制备方法方法简单，制备的LED芯片稳定性好，使用寿命长。
可选地，镀膜形成氧化铟锡层6的操作具体为：
在腔体温度150～350℃、氧气流量5～15sccm、真空度10-5-10-7的条件下，在P-GaN层5上镀膜形成氧化铟锡层6。
根据反复实验结果，在该条件下得到的氧化铟锡层6质量较好。可采用电子束蒸发设备在上述条件蒸镀得到氧化铟锡层6。氧化铟锡层6的厚度优选为
可选地，镀膜形成掺铝氧化锌层7的操作具体为：
在腔体温度150～350℃、氧气流量5-20sccm、真空度10-5-10-7的条件下，在氧化铟锡层6上镀膜形成掺铝氧化锌层7。
根据反复实验结果，在该条件下得到的掺铝氧化锌层7质量较好。可采用电子束蒸发设备在上述条件蒸镀得到掺铝氧化锌层7。掺铝氧化锌层7的厚度优选为
绝缘保护膜即钝化层，制作所用设备为PECVD或者其他蒸发镀膜设备，膜层厚度沉积温度100-400℃。
以下实施案例以蓝宝石衬底GaN基LED蓝光芯片制作为例，每个案列1000片晶圆样品，样品尺寸为18*35mil2。
实施例1
在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，外延层厚度6μm，用电子束蒸发机台在腔体温度250℃、氧气流量10sccm、真空度10-6Pa的条件下，蒸镀一层厚度的ITO导电扩层，ITO导电扩层的铟锡比为98:2。
接着在ITO层上在腔体温度250℃、氧气流量10sccm、真空度10-6Pa的条件下，蒸镀一层的掺铝氧化锌层，掺铝氧化锌层的铟锡比为98:2。
接着进行光刻工艺暴露出多余部分导电扩展层，用FeCl3与HCl的混合溶液湿法蚀刻掉暴露的导电扩展层，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶和N型GaN层，刻蚀深度1.3-1.5μm，在导电扩展层上制作P型电极，在N型GaN上制作N型电极。P电极和所述N电极的厚度为1.3μm。
然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，然后测试金属电极与导电扩展层之间的粘附力，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等。
粘附力测试内容主要包括测试焊线后推金球直至金球脱落所需要的推力大小，金球通过焊线机焊接在金属电极表面，金球与电极的结合力大，而金属电极与芯片结合力相对较小，金球从焊盘脱落时实际为金属电极与芯片分离。测试将金球从焊盘上推掉所需要的力的大小，来判断金球与芯片粘附力大小，所需要的力越大，说明两者粘附力越好。每个晶圆测试5个点，晶圆外周等距离选择4个点，晶圆中心选择一个点，测试数据如下：
| 推力(g) | 拉力(g) | 点测亮度(mw) |
| 54.6 | 18.3 | 175.5 |
实施例2
在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，外延层厚度6μm，用电子束蒸发机台在腔体温度150℃、氧气流量5sccm、真空度10-5Pa的条件下，蒸镀一层厚度的ITO导电扩展层，ITO导电扩层的铟锡比为90:10。
接着进行光刻工艺暴露出多余部分导电扩展层，用FeCl3与HCl的混合溶液湿法蚀刻掉暴露的导电扩展层，同时在导电扩展层上开出小孔，小孔的底部露出P型GaN，经过涂覆光刻胶处理后用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶10和N型GaN层，刻蚀深度1.3-1.5μm，在导电扩展层上制作P型电极，在N型GaN上制作N型电极。P电极和所述N电极的厚度为1μm。
然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，然后测试金属电极与导电扩展层之间的粘附力，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等。
粘附力测试内容主要包括焊线后推金球直至金球脱落所需要的推力大小、将金线拉断所需要拉力大小。每个晶圆测试5个点，晶圆外周等距离选择4个点，晶圆中心选择一个点，测试数据如下：
| 推力(g) | 拉力(g) | 点测(mw) |
| 48.8 | 15.7 | 173.6 |
从案例1和2的比较看，导电扩展层推力、拉力值都有明显优势，相对传统LED制备方法来看，还减少了一次光刻，节省了成本，同时点测亮度值略有提升。
实施例3
在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，外延层厚度6μm，用电子束蒸发机台在腔体温度150℃、氧气流量5sccm、真空度10-5Pa的条件下，蒸镀一层厚度的ITO导电扩层，ITO导电扩层的铟锡比为90:10。
接着在ITO层上在腔体温度150℃、氧气流量5sccm、真空度10-5Pa的条件下，蒸镀一层的掺铝氧化锌层。其中掺铝氧化锌层的锌铝比为90:10。
接着进行光刻工艺暴露出多余部分导电扩展层，用FeCl3与HCl的混合溶液湿法蚀刻掉暴露的导电扩展层，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶10和N型GaN层，刻蚀深度1.3-1.5μm，在导电扩展层上制作P型电极，在N型GaN上制作N型电极。P电极和所述N电极的厚度为2μm。然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，然后测试金属电极与导电扩展层之间的粘附力，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等。粘附力测试内容主要包括焊线后推金球直至金球脱落所需要的推力大小、将金线拉断所需要拉力大小。每个晶圆测试5个点，晶圆外周等距离选择4个点，晶圆中心选择一个点，测试数据如下：
| 推力(g) | 拉力(g) | 点测(mw) |
| 55.2 | 18.9 | 173.7 |
实施例4
在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，外延层厚度6μm，用电子束蒸发机台在腔体温度350℃、氧气流量15sccm、真空度10-7Pa的条件下，蒸镀一层厚度的ITO导电扩层，，ITO导电扩层的铟锡比为98:2。
接着在ITO层上在腔体温度350℃、氧气流量15sccm、真空度10-7Pa的条件下，蒸镀一层的掺铝氧化锌层。掺铝氧化锌层的锌铝比为98:2。
接着进行光刻工艺暴露出多余部分导电扩展层，用FeCl3与HCl的混合溶液湿法蚀刻掉暴露的导电扩展层，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶10和N型GaN层，刻蚀深度1.3-1.5μm，在导电扩展层上制作P型电极，在N型GaN上制作N型电极，P电极和所述N电极的厚度为4μm。然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，然后测试金属电极与导电扩展层之间的粘附力，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等。粘附力测试内容主要包括焊线后推金球直至金球脱落所需要的推力大小、将金线拉断所需要拉力大小。每个晶圆测试5个点，晶圆外周等距离选择4个点，晶圆中心选择一个点，测试数据如下：
| 推力(g) | 拉力(g) | 点测(mw) |
| 55.4 | 17.6 | 172.3 |
从案例1、3、4的比较看，新型导电扩展层膜层厚度加厚，推力、拉力值没有明显变化，点测亮度反而下降，说明导电扩展层过后会对光有吸收，不利于光的透过。
从以上实施例可以看出，与传统LED芯片导电扩展层制作工艺相比，本发明制作工艺对电极粘附力大大提高，推力大小提升13％左右，拉力大小提升20％左右，本发明制作工艺比传统制作方法减少一次光刻，不需要在导电扩展层上开孔，为生产降低光刻成本。同时掺铝氧化锌透光率优于传统的氧化铟锡，在掺铝氧化锌层和氧化铟锡层厚度相同的情况下，芯片亮度也有一定提升。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)
1.一种LED芯片，所述LED芯片包括依序设置的衬底(1)、缓冲层(2)、N-GaN层(3)、量子阱层(4)和P-GaN层(5)，所述LED芯片刻蚀形成台阶(10)露出所述N-GaN层(3)，所述P-GaN层(5)上设有氧化铟锡层(6)；其特征在于，所述氧化铟锡层(6)上设有掺铝氧化锌层(7)，所述掺铝氧化锌层(7)上和所述N-GaN层(3)的台阶面上分别设有P电极(8)和N电极(9)；所述掺铝氧化锌层(7)的厚度为所述掺铝氧化锌层(7)中的锌铝比为90:10～98：2。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述掺铝氧化锌层(7)的厚度为所述掺铝氧化锌层(7)中的锌铝比为97:3。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述氧化铟锡层(6)的厚度为所述氧化铟锡层(6)的铟锡比为90:10～98:2。
4.根据权利要求3所述的LED芯片，其特征在于，所述氧化铟锡层(6)的厚度为所述氧化铟锡层(6)的铟锡比为95:5。
5.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述P电极(8)和所述N电极(9)的厚度为1～4微米；
所述台阶(10)的深度为1～2μm，所述台阶(10)的切割道的宽度在10μm～30μm之间。
6.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片的表面覆盖有绝缘保护层，所述绝缘保护层的厚度为所述绝缘保护层的材料选自氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种；
所述衬底(1)的材料选自蓝宝石、碳化硅、硅中的一种。
7.一种权利要求1的LED芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底(1)上制作缓冲层(2)、N-GaN层(3)、量子阱层(4)和P-GaN层(5)；
在P-GaN层(5)上向下刻蚀形成台阶(10)露出所述N-GaN层(3)；
在所述P-GaN层(5)上镀膜形成氧化铟锡层(6)；
在所述氧化铟锡层(6)上镀膜形成掺铝氧化锌层(7)；
在掺铝氧化锌层(7)上和所述N-GaN层(3)的台阶(10)面上分别设置P电极(8)和N电极(9)。
8.根据权利要求7所述的LED芯片的制备方法，其特征在于，镀膜形成氧化铟锡层(6)的操作具体为：
在腔体温度150～350℃、氧气流量5～15sccm、真空度10-5-10-7Pa的条件下，在所述P-GaN层(5)上镀膜形成氧化铟锡层(6)。
9.根据权利要求7所述的LED芯片的制备方法，其特征在于，镀膜形成掺铝氧化锌层(7)的操作具体为：
在腔体温度150～350℃、氧气流量5-20sccm、真空度10-5-10-7Pa的条件下，在氧化铟锡层(6)上镀膜形成掺铝氧化锌层(7)。
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