CN105322068B - 发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种发光二极管芯片，其包含：第一类型半导体层、第二半导体层和夹在两者之间的有源层；介电层，位于所述发光外延叠层的下表面，具有一导电通孔阵列；金属导电层，位于所述介电层的下表面，并填充所述导电通孔，与所述发光外延叠层形成欧姆接触；导电基板，位于所述金属电导层的下表面，用于支撑所述发光外延叠层；第一电极，位于所述发光外延叠层的上表面，包括焊盘电极和指形电极；所述导电通孔阵列与所述指形电极之间有一旋转角，所述旋转角的选择为使得优选数量的导电通孔不被所述焊盘电极和指形电极遮挡。还发明还提供了一种制作前述发光二极管芯片的方法。

Description

发光二极管芯片及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，具体的说是一种发光二极管芯片及其制作方法。
背景技术
近几年，发光二极管（light emitting diode, 简称LED）得到了广泛的应用，在各种显示系统、照明系统、汽车尾灯等领域起着越来越重要的作用。
图1显示了现有的一种垂直发光二极管结构，其采用键合技术将生长衬底转换成具有镜面系统的导电基板以达到增加亮度的方法。在上述结构中，顶面电极通常遮住发光外延叠层下方的导电通孔，导致部分光无法被萃取出来，影响芯片的亮度。
在现有技术中，为达到顶面电极和发光外延叠层下方的导电通孔尽量不重叠，一般采用电极对位方式使得顶面电极与下方的欧姆接触电极错开分布，如中国专利文献CN103890981A公开了一种发光二极管，其欧姆接触电极7 被设置在与表面电极12 的焊盘部12a 不重叠的位置，且在欧姆电极11 的线状部位间的中间位置上。该文献公开的技术方案虽然解决了顶部面电极遮挡问题，但是一方面需要进行电极对位，增了工艺的复杂性，且其对对位的精准度要求很高，否则容易因对位不准造成良率低下等问题；另一方面在LOP提升的同时伴随着VF变高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种发光二极管芯片及其制作方法，在发光外延叠层的上表面形成由焊盘电极和指形电极构成的顶面电极，在发光外延叠层的下表面形成导电通孔阵列，其中导电通孔阵列与指形电极之间有一旋转角，一方面减少了导电通孔被顶部电极遮挡的数量，有效提高了位于有源层下方的导电通孔有效利用率，可以增加出光效率的同时，降低正向电压值VF；另一方面无需进行对位，简化工艺，提高产品的成品率。
本发明的技术方案为： 发光二极管芯片，包括：发光外延叠层，具有相对的上、下表面，包含：第一类型半导体层、第二半导体层和夹在两者之间的有源层；介电层，位于所述发光外延叠层的下表面，具有一导电通孔阵列；金属导电层，位于所述介电层的下表面，并填充所述导电通孔，与所述发光外延叠层形成欧姆接触；导电基板，位于所述金属电导层的下表面，用于支撑所述发光外延叠层；第一电极，位于所述发光外延叠层的上表面，包括焊盘电极和指形电极。其中，所述导电通孔阵列与所述指形电极之间有一旋转角，所述旋转角的选择为使得优选数量的导电通孔不被所述焊盘电极和指形电极遮挡。
优选地，所述旋转角为10°~30°。
优选地，所述旋转角为~23°。
优选地，所述优选数量为最大数量。
优选地，所述优选数量为使得VF达到极小值的数量。
优选地，所述优选数量为使得LOP达到极大值的数量。
优选地，所述焊盘电极位于所述芯片的中间区域，所述指形电极由所述焊盘电极向芯片的边缘区域延伸。
优选地，指形电极为中心对称图形。
所述指形电极的中心和所述导电通孔阵列的中心对齐。
本发明还提供了一种发光二极管的制作方法，包括步骤：1）提供一发光外延叠层，具有相对的上、下表面，包含第一类型半导体层、第二半导体层和夹在两者之间的有源层；2）在所述发光外延叠层的下表面制作一介电层，其具有一导电通孔阵列；3）在所述介电层的表面制作金属导电层，其填充所述导电通孔，与所述发光外延叠层形成欧姆接触；4）提供一导电基板，将其与所述金属导电层连接，以支撑所述发光外延叠层；5）在所述发光外延叠层的上表面制作第一电极，包括焊盘电极和指形电极，其中，所述指形电极与步骤2）形成的导电通孔阵列之间有一旋转角，所述旋转角的选择为使得优选数量的导电通孔不被所述焊盘电极和指形电极遮挡。
在一些实施例中，所述步骤2）可以通过下面方法形成：在所述发光外延叠层的下面表面覆盖介电层；提供一光罩版，具有光罩图案阵列，所述光罩图案阵列与所述光罩版的边沿平行；将所述光罩版与所述介电层对齐，旋转所述光罩版使其与所述介电层之间具有前述旋转角，进行曝光。
在一些实施例中，所述步骤2）通过下面方法形成：在所述发光外延叠层的下面表面覆盖介电层；提供一光罩版，具有光罩图案阵列，所述光罩图案阵列与所述光罩版的边沿平行；将所述光罩版与所述介电层对齐，旋转所述具有介电层的发光外延叠层使其与所述光罩版之间具有前述旋转角，进行曝光。
在一些实施例中，所述步骤2）通过下面方法形成：在所述发光外延叠层的下面表面覆盖介电层；提供一光罩版，具有光罩图案阵列，所述光罩图案阵列与所述光罩版的边沿之间具有前述旋转角；将所述光罩版与所述介电层对齐，进行曝光。
在本发明中，一方面通过对有源层下方的导电通孔阵列旋转一定的角度，使得焊盘电极和指形电极下方遮住的通孔变少，同时确保了其与外延层的欧姆接触的面积不变，扩展电极周围具有相对高密度的通孔排列，使得电流传输路径变短，结果即是VF和LOP均得到优化；另一方面，在制作工艺上无需进行顶面电极与导电通孔的对位，极大的简化了工艺，提高了产品的成品率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为一种发光二极管芯片结构的侧面剖视图。
图2~3为本发明第一个实施例之发光二极管芯片的导电通孔阵列的分布图。其中，图2所示分布图中导电通孔阵列与顶部电极的指形电极之间无旋转角，图3所示分布图中导电通孔阵列与顶部电极的指形电极之间有一旋转角。
图4~5为本发明第二个实施例之发光二极管芯片的导电通孔阵列的分布图。其中，图4所示分布图中导电通孔阵列与顶部电极的指形电极之间无旋转角，图5所示分布图中导电通孔阵列与顶部电极的指形电极之间有一旋转角。
图6为根据本发明实施的制作发光二极管芯片的流程图。
图7为本发明第三个实施例之发光二极管制作方法的部分流程图。
图8为本发明第三个实施例之制作发光二极管过程的部分截面图。
图9为本发明第三个实施例中用于形成导电通孔阵列的光罩版。
图10为本发明第三个实施例之制作发光二极管过程中光罩版与介电层对齐及旋转示意图。
图11为本发明第四个实施例之发光二极管制作方法的部分流程图。
图12为本发明第五个实施例之发光二极管制作方法的部分流程图。
图13为本发明第五个实施例中用于形成导电通孔阵列的光罩版。
图中标号：
100：发光外延叠层；100a：发光区；100b：切割道；110：键合层；121：金属导电层；122：透光性介电层；123：导电通孔；131：第一类型半导体层；132：有源层；133：第二类型半导体层；141：第一电极；142：第二电极；150：导电基板；200：光罩版。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明的LED芯片结构及其制备方法进行详细的描述，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例1
图1公开了一种具有镜面系统的发光二极管芯片，具体结构包括：发光外延叠层、键合层110、金属导电层121、介电层122、第一电极141、第二电极142和导电基板150。其中，发光外延叠层至少由第一类型半导体层131、有源层132和第二类型半导体层133构成，当第一类型半导体层131为p 型半导体，第二类型半导体层133可为相异电性的n型半导体，反之，当第一类型半导体层131为n 型半导体，第二类型半导体层133可为相异电性的p型半导体，有源层132位于第一类型半导体层131及第二类型半导体层133之间，可为中性、p型或n型电性的半导体。施以电流通过发光外延叠层时，激发有源层132发光出光线。当有源层132以氮化物为基础的材料时，会发出蓝或绿光；当以磷化铝铟镓为基础的材料时，会发出红、橙、黄光的琥珀色系的光。介电层122内部具有一导电通孔阵列123，金属导电层121填充导电通孔阵列123，与发光外延叠层形成欧姆接触。金属导电层121和介电层122构成全方位反射镜。第一电极141由焊盘电极及指形电极构成，其中焊盘电极位于芯片的中间区域，指形电极由焊盘电极引出并向芯片的边缘区域延伸。
图2和图3分别显示了两种导电通孔阵列123分布图。图2所示分布图中导电通孔阵列123与第一电极的指形电极之间无旋转角，在该图形中，发光区中的导电通孔阵列123有很大一部分被第一电极141遮住（共有36个导电通孔，其中16个被第一电极的焊盘电极141a和指形电极141b遮住，其有效利用率仅为55.6%），导致部分光无法被萃取出来，影响芯片的亮度。图3所示分布图中，导电通孔阵列与指形电极之间有一旋转角α，通过旋转角度，一方面焊盘电极和指形电极下方遮住的导电通孔变少，提升了芯片的发光强度LOP，另一方面确保其与外延层的欧姆接触的面积不变，扩展电极周围具有相对高密度的通孔排列，缩短了电流传输路径，降低了芯片VF值。较佳的，旋转角α取10~30°。
在本实施例中，在图3所示的图形中，指形电极为中心对称图形，且指形电极的中心和导电通孔阵列的中心对齐，导电通孔阵列与顶部电极的指形电极之间旋转角α取23°，发光区100a中共有34导电通孔，其中10个被第一电极的焊盘电极141a和指形电极141b遮住，如此在保持第二类型半导体层132与金属导电层欧姆接触的面积基本不变的情况，减少指形电极141a下方被遮住的导电通孔的个数，导电通孔的有效利用率提高为76.6%，显著提高了有效导电通孔的排列密度，使得电流扩散性更加均匀，同时指形电极141a周围近距离有导电通孔排列，缩短了电流传路径，降低了芯片的VF值。进一步地，在图3所示图形中，导电通孔阵列123旋转23°后，导电通孔的排列如同倾斜某一角度的六角密堆性排列，增加了光的萃取。
下面以AlInGaP系发光二极管为例，第一类型半导体层131为n 型半导体，第二类型半导体层133为p型半导体，分别针对不同导电通孔阵列分布图的发光二极管芯片测试VF和LOP，具体取导电通孔阵列与第一电极的指形电极之间无旋转角（图2所示图形）、导电通孔阵列与第一电极的指形电极之间旋转23°（图3所示图形）和导电通孔阵列与第一电极的指形电极之间旋转30°。测试结果如表一。
表一
从上表可以看出，通过旋转图1所示发光二极管芯片结构中的导电通孔阵列，可以提高LED芯片的亮度，并在一定程度上降低VF。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于发光二极管芯片的第一电极的形状不一样，请参看附图4~5。在图4所示的图形中导电通孔阵列与第一电极的指形电极之间无旋转角，发光区共有36个导电通孔，其中8个被第一电极遮住，其有效利用率为77.8%；在图5所示的图形中导电通孔阵列与顶第一电极之间旋转23°，发光区100a中共有35导电通孔，其中只有4个完合被第一电极遮住，其有效利用率达到88.9%。
实施例3
本实施例公开一种用于制作前面实施例1~2所示的发光二极管芯片的方法，其包括步骤S100~S500，下面进行详细说明。
步骤S100：提供一发光外延叠层，至少包含第一类型半导体层131、有源层132和第二半导体层133，其一般形成于一诸如蓝宝石或砷化镓之类的生长衬底上。该发光外延叠层采用一般结构即可，以生长衬底易于去除为佳。
步骤S200：在发光外延叠层100的下表面制作介电层122，其具有一导电通孔阵列123。图7显示了该步骤的具体方法。首先，在发光外延叠层100的下表面沉积一诸如SiO2之类的透光性绝缘材料层作为介电层，如图8所示；然后，再采用光罩蚀刻工艺形成导电通孔阵列。具体为：如图9所示，提供一具有光罩图案阵列的光罩版200，该光罩图案阵列与光罩版的边沿平行；如图10所示，将光罩版200与介电层122对齐，旋转光罩版200，使其与介电层之间具有一旋转角α，进行曝光，从而获得具有旋转角的导电通孔阵列123，以达到导电通孔阵列123与后续在发光外延叠层的上表面制作的第一电极141具有一旋转角度，使得发光区最大数量的导电通孔不被第一电极遮挡。在本实施例中，光罩版200的图案阵列的有效面积应比芯片的尺寸大。
步骤S300：在介电层122的表面制作金属导电层121，其填充导电通孔，与发光外延叠层100形成欧姆接触。其中金属导电层123选用导电性良好、反射性高的材料，如Al、Ag等金属。
步骤S400：提供一导电基板150，将其与金属导电层121连接，以支撑发光外延叠层100。其中导电基板可选用Si基板，采用金属键合技术，通过金属键合层110键合连结。
步骤S400：在发光外延叠层100的上表面制作第一电极141，包括焊盘电极141a和指形电极141b，其中焊盘电极位于芯片的中间区域，指形电极由焊盘电极引出并向芯片的边缘区域延伸。
在本实施例中，在介电层122中形成导电通孔阵列时，通过使用常规光罩版，仅旋转光罩版的角度，即可提高导电通孔的利用密度，无需进行电极对位，工艺简单。
实施例4
本实施例与实施例3的区别在于步骤S200。
请参看附图10，在制作导电通孔阵列时，同样使用图9所示光罩版，在将光罩版与介电层对齐后，旋转发光外延叠层，从而使介电层与光罩版的图案阵列具有一旋转角α，进行曝光。
实施例5
本实施例与实施例3的区别在于步骤S200。
请参看附图12，首先，在发光外延叠层100的下表面沉积介电层122，然后再采用光罩蚀刻工艺形成导电通孔阵列123。具体为：提供一具有光罩图案阵列的光罩版200，该光罩图案阵列与光罩版的边沿之间具有前述旋转角α，如图12所示；将光罩版200与介电层122对齐，进行曝光。
在本实施例，设置光罩版的图案阵列具有旋转角，从而确保后续自动机台的程序不变，进一步简单工艺。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的所有可能的实施方式。

Claims (14)

1.发光二极管芯片，包括：
发光外延叠层，具有相对的上、下表面，包含：第一类型半导体层、第二半导体层和夹在两者之间的有源层；
介电层，位于所述发光外延叠层的下表面，具有一导电通孔阵列；
金属导电层，位于所述介电层的下表面，并填充所述导电通孔，与所述发光外延叠层形成欧姆接触；
导电基板，位于所述金属电导层的下表面，用于支撑所述发光外延叠层；
第一电极，位于所述发光外延叠层的上表面，包括焊盘电极和指形电极；
其特征在于：所述导电通孔阵列与所述指形电极之间有一旋转角，所述旋转角的选择为使得优选数量的导电通孔不被所述焊盘电极和指形电极遮挡，假设所述导电通孔阵列与所述指形电极之间无旋转角时，所述导电通孔不被所述焊盘电极和指形电极遮挡的数量为M，则所述优选数量取值大于M。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述旋转角为10°~30°。
3.根据权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述旋转角为23°。
4.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述优选数量为最大数量。
5.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述优选数量为使得VF达到极小值的数量。
6.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述优选数量为使得LOP达到极大值的数量。
7.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述指形电极为中心对称图形。
8.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述指形电极的中心和所述导电通孔阵列的中心对齐。
9.发光二极管芯片的制作方法，包括步骤：
1）提供一发光外延叠层，具有相对的上、下表面，包含第一类型半导体层、第二半导体层和夹在两者之间的有源层；
2）在所述发光外延叠层的下表面制作一介电层，其具有一导电通孔阵列；
3）在所述介电层的表面制作金属导电层，其填充所述导电通孔，与所述发光外延叠层形成欧姆接触；
4）提供一导电基板，将其与所述金属导电层连接，以支撑所述发光外延叠层；
5）在所述发光外延叠层的上表面制作第一电极，其包括焊盘电极和指形电极，其中，所述指形电极与步骤2）形成的导电通孔阵列之间有一旋转角，所述旋转角的选择为使得优选数量的导电通孔不被所述焊盘电极和指形电极遮挡，假设所述导电通孔阵列与所述指形电极之间无旋转角时，所述导电通孔不被所述焊盘电极和指形电极遮挡的数量为M，则所述优选数量取值大于M。
10.根据权利要求9所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述步骤2）通过下面方法形成：
在所述发光外延叠层的下面表面覆盖介电层；
提供一光罩版，具有光罩图案阵列，所述光罩图案阵列与所述光罩版的边沿平行；
将所述光罩版与所述介电层对齐，旋转所述光罩版使其与所述介电层之间具有前述旋转角，进行曝光。
11.根据权利要求9所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述步骤2）通过下面方法形成：
在所述发光外延叠层的下面表面覆盖介电层；
提供一光罩版，具有光罩图案阵列，所述光罩图案阵列与所述光罩版的边沿平行；
将所述光罩版与所述介电层对齐，旋转所述具有介电层的发光外延叠层使其与所述光罩版之间具有前述旋转角，进行曝光。
12.根据权利要求9所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述步骤2）通过下面方法形成：
在所述发光外延叠层的下面表面覆盖介电层；
提供一光罩版，具有光罩图案阵列，所述光罩图案阵列与所述光罩版的边沿之间具有前述旋转角；
将所述光罩版与所述介电层对齐，进行曝光。
13.根据权利要求9所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述旋转角为10°~30°。
14.根据权利要求9所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述优选数量为使得LOP达到极大值的数量。
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