CN105609610B - 含螺旋状环形电极的垂直结构led芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片及其制造方法。本发明在该衬底上利用外延沉积技术生长氮化镓外延层；在上述氮化镓外延层上沉积一反射电极层，然后沉积一电镀种子层；在上述电镀种子层上地涂覆一种非导电物质；在上述种子层上区域选择性地生长金属基板，形成第二衬底；利用激光剥离或湿法腐蚀技术使蓝宝石衬底与氮化镓外延层的分离，漏出N极性氮化镓；在N极性氮化镓表面制备复合微结构；干法选择刻蚀N极性氮化镓，刻蚀至n‑GaN，并在n‑GaN上制作n型电极本发明采用区域性电镀复合金属基板，蓝宝石衬底剥离，表面复合微结构制备，螺旋状环形电极制备相结合的方法来实现垂直结构LED芯片。
Description
技术领域
本发明LED芯片技术领域，具体涉及一种含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片及其制造方法。
背景技术
Ⅲ族氮化物主要是指氮化铝，氮化铟，氮化镓以及它们的三元或四元合金，Ⅲ族氮化物能隙宽度范围涵盖了0.7-6.2eV，包含了红外光到紫外光的光谱范围。氮化镓基材料属于直接能隙化合物半导体，辐射复合效率高，被广泛应用在紫外光到蓝绿光波段的发光器件制备中。
白光发光器件一般采用蓝光发光二极管表面涂覆荧光粉的方法。而为实现通用照明，要求单颗蓝光LED芯片驱动在较大电流下仍具有较高的光输出功率。目前较为成熟的LED芯片结构主要是正装结构。正装结构芯片一般是以蓝宝石作为衬底，通过在ICP刻蚀后的n型氮化镓上分别制作n型电极。它的缺点是牺牲了芯片的发射面积，降低器件的功率；其次电流横向传输使芯片在大电流注入下易发生电流拥挤效应，导致LED芯片局部温度过高而影响芯片的使用寿命；蓝宝石衬底的导热性能差，大功率操作下器件的产热将严重影响器件的性能。所以正装结构的LED芯片并不适合制作大尺寸大功率的LED。而垂直结构LED一般是采用导热性极好的金属合金作为衬底，可以在很大程度上解决芯片的散热问题；垂直结构芯片通常会在底部P电极的上方制作反射镜将到达芯片底面的光反射回上表面出射，又提高芯片的出光效率；并且n型氮化镓作为出光面，便于进一步的在该出光面上进行粗化处理以提高光输出效率；垂直结构的芯片电极采用上下结构分布，电流可以在芯片的内部垂直通过，可以解决正装结构倒装结构芯片的电极正下方的电流拥挤现象。因此，垂直结构的LED芯片是一种较为合适的制作大尺寸大功率的LED芯片结构。垂直结构LED芯片的n型电极是在激光剥离后的n型氮化镓上形成的，金属电极与激光剥离后的氮极性面n型氮化镓形成欧姆接触比较困难，优化垂直结构LED芯片中的n型电极结构也是制备垂直结构LED芯片的重点。
发明内容
本发明的目的是提供一种含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片及其制备方法。本发明采用区域性电镀复合金属基板，蓝宝石衬底剥离，表面复合微结构制备，螺旋状环形电极制备相结合的方法来实现垂直结构LED芯片。具体地，实现的本方案所采用的步骤如下：
[1]提供第一衬底即蓝宝石衬底，在该衬底上利用外延沉积技术生长氮化镓外延层；所述外延层包括成核层、未掺杂的氮化镓层、n型氮化镓层、有源区和p型氮化镓层；
[2]在上述氮化镓外延层上沉积一反射电极层，然后沉积一电镀种子层；
[3]在上述电镀种子层上选择性地在芯片之间的过道处涂覆地涂覆一种非导电物质；
[4]在上述种子层上区域选择性地生长金属基板（在芯片区域生长，过道处被非导电物质阻挡不能生长），形成第二衬底；
[5]利用激光剥离或湿法腐蚀技术使蓝宝石衬底与氮化镓外延层的分离，漏出N极性氮化镓；
[6]在N极性氮化镓表面制备复合微结构；干法选择刻蚀N极性氮化镓，刻蚀至n-GaN，并在n-GaN上制作n型电极。
步骤[1]中所述第一衬底为蓝宝石衬底，Si衬底或SiC衬底。
步骤[2]中所述反射电极层为区域沉积，区域面积小于LED芯片面积；所述反射电极层反射率大于90%，并且与p型氮化镓层有较低的接触电阻。步骤[2]中所述电镀种子层为整层沉积。所述反射电极为Ag基反射电极，区域沉积能保证Ag基反射电极在后续工艺的稳定性，若整层沉积Ag基反射电极，实验中发现在后续工艺中会出现脱落现象，工艺不稳定。
步骤[3]中所述非导电物质可以为绝缘层，有机物等。选择性涂覆通过光刻，压印等制作技术。所述非导电物质厚度大于100μm。
步骤[4]中所述金属基板为复合金属基板，其中复合金属基板具有良好的导热性和支撑性，所述复合基板在电镀种子层上选择性生长，复合金属基板厚度大于120μm。
步骤[5]所述的第一衬底与氮化镓外延层的分离后的氮化镓外延层表面具均匀的表面，有利于后续湿法腐蚀粗化表面。均匀的表面通过控制激光剥离或湿法腐蚀的条件获得。
步骤[6]所述N极性氮化镓表面为未掺杂的氮化镓层，所述复合微结构的制作步骤如下：a、利用步进式光刻机在未掺杂的氮化镓层上制备微米级图案化结构；b、利用干法刻蚀刻蚀未掺杂的氮化镓层形成表面微结构；c、利用碱溶液对上述微结构进行湿法腐蚀形成复合微结构。
步骤[7]所述干法选择刻蚀N极性氮化镓为区域去除表面的未掺杂的氮化镓层，所述的在n-GaN上制作n型电极，n型电极的区域与所去除u-GaN的区域形状相同。所述n型电极为一种螺旋环状结构，如图7所示，螺旋环状为方形螺旋，最外方形圈距离反射电极边界的水平距离为80～120μm，n型电极的线宽为10～20μm，方形螺旋间距为30～100μm，电极的螺旋圈数可以为2～6圈。
上述n型电极的线宽最优为15μm。上述方形螺旋间距最优值为50μm，当间距更大时，电流分布均匀性变差，当间距更小时，较多的电极面积降低芯片的出光功率。所述电极的螺旋圈数以由方形螺旋间距及芯片尺寸匹配。
本发明所提供含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片，它的结构从下到上依次包括：复合金属基板，电镀种子层，反射电极层，GaN外延层，螺旋状环形电极。
所述复合金属基板由两种不同金属基板组合而成，下层金属基板为镍材料，厚度范围为10～50μm，上层金属基板为铜材料，厚度可以为100～200μm。所述复合金属基板，具有良好的导热性和支撑性。
所述电镀种子层可以Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au，Ti/Cu，TiW/Cu中的一种，该电镀种子层完全覆盖反射电极的表面和侧面。所述电镀种子层为整层沉积。所述电镀种子层的厚度为500nm～1500nm。 所述电镀种子层除了起电镀种子层作用外还在于保护反射电极层的扩散，防止造成芯片漏电失效。
所述反射电极是基于Ag-，Ni/Ag-， ITO+Ag-这些具有低欧姆接触，高反射率的电极结构。所述反射电极的主要材料是Ag，厚度范围为120nm～500nm。所述反射电极层为区域沉积，区域面积小于LED芯片面积；
所述GaN外延层从下到上的结构包括：p-GaN，有源区，n-GaN各u-GaN。其中u-GaN的表面为N极性氮化镓。所述u-GaN具有螺旋状环形结构的沟槽。所述u-GaN除沟槽外的表面为复合微结构。
所述螺旋状环形电极被具有螺旋状环形结构沟槽的u-GaN包围，与n-GaN接触。所述螺旋状环形电极大小略小于沟槽尺寸大小。所述螺旋状环形电极为方形螺旋，最外方形圈距离反射电极边界的水平距离为80～120μm，n型电极的线宽为10～20μm，方形螺旋间距为30～100μm，电极的螺旋圈数可以为2～6圈。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：1、分步沉积Ag基反射电极和电镀种子层，其中Ag基反射电极为区域沉积于芯片中心位置，电镀种子层为整层沉积，覆盖整个Ag基反射电极以及过道区，能有效保障后续工艺的稳定性。如整层沉积Ag基反射电极的芯片，粘附性较差，芯片成品率低。2、通过采用复合金属基板，使制备的LED芯片同时具有良好的导热性和支撑性，如只采用支撑性好的镍金属基板，导热性能一般，只采用导热性好的铜金属基板，在加工过程中极易出现变形等损坏芯片性能。3、区域性选择电镀复合金属基板的采用可以不需要后续的激光切割工艺，提高芯片成品率，节省芯片制作成本。4、N极性氮化镓表面复合微结构的采用，可以提升器件的功率，实验结果显示具有复合微结构的芯片比只有微结构或者只有粗化结构的芯片功率提高至少5%以上。5、本发明所述螺旋环状结构的采用使芯片表面各点的电流分布更均匀，与传统垂直结构LED芯片所采用的目字形n形电极相比，在电流分布均匀性相同的情况下，本发明所述螺旋环状结构采用电极总面积更小，出光效率更高。
附图说明
图1为氮化镓基LED外延层上制备反射电极及电镀种子层。
图2为区域选择性涂覆非导电物质及区域电镀复合金属。
图3为激光剥离去除蓝宝石衬底。
图4为粗化氮化镓表面及电极沉积工艺。
图5为所制备LED芯片横截面示意图。
图6为所制备的u-GaN上的微米级图案化结构
图7为所制备LED芯片n型电极结构府视图。
图8为所制备LED芯片在350mA下的电流分布图。
图9 a、图9b分别为所制备LED芯片的电压和输出功率随电流的变化图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚，下面将结合附图，对本发明的内容作进一步说明。本发明不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保户范围内。
本发明所提供含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片，它的结构从下到上依次包括：复合金属基板，电镀种子层，反射电极层，GaN外延层，螺旋状环形电极。所述外延层包括在蓝宝石衬底上依次生长的成核层、u-氮化镓层，n-GaN层、有源区和p-氮化镓层等；所述反射电极基于Ag-，Ni/Ag-， ITO+Ag-这些具有低欧姆接触，高反射率的电极结构；所述电镀种子层包括Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au，Ti/Cu，TiW/Cu以及基于上述金属结构的金属层；复合金属导电基板主要是指两种不同电镀金属基板组合所成，具体要求第一层具有极好的热导性，第二层具有较好的支撑性，该复合金属可以为Cu/Ni，Cu/W；所述LED芯片的n-GaN表面具有微米级复合图案化结构和螺旋状环形电极结构。
下面结合附图1至图7，对本实例的制备方法作进一步的说明。
[1]如图1所示，提供一蓝宝石衬底101，在该衬底上利用MOCVD外延技术依次生长氮化镓低温成核层、u-氮化镓层，n-GaN层、量子阱有源层和p-氮化镓层形成氮化镓外延层102。
[2]在上述氮化镓外延层上采用电子束蒸发设备镀上一反射电极层103，该反射电极层用于增强垂直结构LED芯片的出光。所述反射电极为Ni/Ag/Ni/Au电极结构。所述反射电极层为区域沉积，区域面积小于LED芯片面积；所述反射电极层反射率大于90%，并且与p型氮化镓层有较低的接触电阻。区域沉积能保证Ag基反射电极在后续工艺的稳定性，若整层沉积Ag基反射电极，实验中发现后续中出现脱落现象，工艺不稳定。
[3]利用电子束蒸发设备镀上一整层电镀种子层104。所述电镀种子层为Cr/Pt/Au，该电镀种子层完全覆盖反射电极的表面和侧面。所述电镀种子层为整层沉积。 所述电镀种子层除了起电镀种子层作用外还在于保护反射电极层的扩散，防止造成芯片漏电失效。
[4]在上述电镀种子层上选择性地涂覆一种非导电物质。该非导电物质为的光刻胶，厚度为40～150μm。
[5]在上述结构上分步电镀铜201和镍202组成电镀复合金属基板，上述电镀复合金属基板在电镀种子层上区域选择性地生长，形成第二衬底。该电镀复合金属基板，具有良好的导热性和支撑性。电镀复合基板必须先电镀铜再电镀镍，这样能保证电镀复合基板有较强的粘合性。
[6]利用激光剥离技术实现蓝宝石衬底与氮化镓外延层的分离，漏出u-氮化镓层。通过控制激光剥离条件使表面的u-氮化镓层的表面均方根粗糙度小于100nm。
[7]利用步进式光刻机结合ICP刻蚀技术在u-GaN表面制微米级图案化结构。如图6所示为ICP在u-GaN上刻蚀形成的一种微米级图案化结构，中间微柱大小直径为1～3μm，刻蚀深度必须小于1μm，圆柱间间距小于10μm。如果刻蚀深度太大，会影响后续n型电极的制备。
[8]将上述结构放置入90度的KOH溶液中腐蚀5～7min，该KOH溶液的浓度为0.5～1mol/L。通过上述过程实现微米级图案化结构的氮化镓表面粗化。上述结构的粗化过程，重点在于控制KOH溶液的浓度小于1mol/L，与传统利用浓度2～6mol/L的KOH溶液粗化GaN有区别。本发明中采用KOH溶液的浓度太大，会影响微米级图案化结构的粗化效果。
[9]利用光刻和ICP刻蚀技术刻蚀u-GaN至n-GaN上，漏出的n-GaN表面用于n型电极的制作，所述n-GaN表面形状为螺旋状环形结构。
利用电子束蒸发设备在n-GaN上制作一种n型螺旋状环形电极。螺旋状环形电极结构示意图如图7所示，所示的电极其螺旋圈数为3圈。图8所示为所制备的具有螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片的电流分布图，螺旋圈数分别为1.5，3，5圈，可以看出当螺旋圈数为3圈时，芯片具有较为均匀的电流密度分布。图9a、图9b为螺旋圈数分别为1.5，3和5圈的LED芯片的电压和光输出功率随电流的变化图。从图中可以看出，随着圈数的增强，电极遮光面积增强导致光输出功率降低。虽然3圈的LED芯片的光输出功率比1.5圈的LED芯片小，但是由于其电流分布更加均匀，芯片的电压明显降低，从而圈数为3圈的芯片的效率更高。
Claims (7)
1.含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
提供第一衬底，在该衬底上利用外延沉积技术生长氮化镓外延层；所述外延层包括成核层、未掺杂的氮化镓层、n型氮化镓层、有源区和p型氮化镓层；
在上述氮化镓外延层上沉积一反射电极层，然后沉积一电镀种子层；
在上述电镀种子层上选择性地在芯片之间的过道处涂覆涂覆一种非导电物质；
在上述种子层上区域选择性地在芯片区域生长金属基板，形成第二衬底；所述金属基板为电镀复合金属基板，所述复合基板在电镀种子层上选择性电镀形成，电镀复合基板必须先电镀铜再电镀镍的结构，所述复金金属基板厚度大于120μm；
利用激光剥离或湿法腐蚀技术使蓝宝石衬底与氮化镓外延层的分离，漏出N极性氮化镓；
在N极性氮化镓表面制备复合微结构；干法选择刻蚀N极性氮化镓，刻蚀至n-GaN，并在n-GaN上制作n型电极；所述n型电极为一种螺旋环状结构；
所述复合微结构首先利用步进式光刻机在未掺杂的氮化镓层上制备微米级图案化结构；然后再利用干法刻蚀刻蚀未掺杂的氮化镓层形成表面微结构；最后通过碱溶液对上述微结构进行湿法腐蚀形成复合微结构；
所述一种螺旋环状结构为方形螺旋，最外方形圈距离反射电极边界的水平距离为80～120μm，n型电极的线宽为10～20μm，方形螺旋间距为30～100μm，电极的螺旋圈数为2～6圈。
2.根据权利要求1所述的含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于步骤[1]中所述第一衬底为蓝宝石衬底，Si衬底或SiC衬底。
3.根据权利要求1所述的含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于步骤[2]中所述反射电极层为区域沉积，区域面积小于LED芯片面积；所述反射电极层反射率大于90%，并且与p型氮化镓层有较低的接触电阻。
4.根据权利要求1所述的含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于步骤[2]中所述电镀种子层为整层沉积；所述反射电极为Ag基反射电极用区域沉积。
5.根据权利要求1所述的含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于步骤[3]中所述非导电物质可以为绝缘层或有机物；所述非导电物质厚度大于100μm。
6.根据权利要求1所述的含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于步骤[5]所述的蓝宝石衬底与氮化镓外延层的分离后的氮化镓外延层表面具均匀的表面，有利于后续湿法腐蚀粗化表面；均匀的表面通过控制激光剥离或湿法腐蚀的条件获得。
7.根据权利要求1所述的含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于步骤[6]所述干法选择刻蚀N极性氮化镓为区域去除表面的未掺杂的氮化镓层，所述的在n-GaN上制作n型电极，n型电极的区域与所去除u-GaN的区域形状相同。
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