CN105720140A - GaN基LED垂直芯片结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GaN基LED垂直芯片结构及制备方法，该结构包括：键合衬底；P焊盘；具有倾斜侧壁的倒金字塔型发光外延结构，包括依次层叠的P?GaN层、量子阱层及N?GaN层，所述N?GaN层表面形成有粗化结构；透明绝缘层，形成于倾斜侧壁表面；反射层，形成于透明绝缘层表面；以及N焊盘。本发明将发光外延结构的侧壁做成倒金字塔型，并镀有反射层，可有效地改善现有的正金字塔型侧壁的LED垂直芯片几乎将出射角大于全反射临界角的光线全部限制在器件内部的缺陷，并将射向该侧壁的更多的光线以更短的距离传输出去。本发明的垂直芯片侧壁结构增加了光提取效率，更有利于出光，同时利用绝缘材料对侧壁进行保护，有效避免制程中造成的芯片漏电情况，提高芯片可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明领域，特别是涉及一种GaN基LED垂直芯片结构及制备方法。
背景技术
从LED的结构上讲，可以将GaN基LED划分为正装结构、倒装结构和垂直结构。正装结构LED有两个明显的缺点，首先正装结构LED p、n电极在LED的同一侧，电流须横向流过n-GaN层，导致电流拥挤，局部发热量高，限制了驱动电流；其次，由于蓝宝石衬底的导热性差，严重的阻碍了热量的散失。为了解决散热问题，美国Lumileds Lighting公司发明了倒装芯片(Flipchip)技术，其散热效果有很大的改善，但是通常的GaN基倒装结构LED仍然是横向结构，电流拥挤的现象还是存在，仍然限制了驱动电流的进一步提升。
相比于传统的GaN基LED正装结构，垂直结构具有散热好，能够承载大电流，发光强度高，耗电量小、寿命长等优点，被广泛应用于通用照明、景观照明、特种照明、汽车照明等领域，成为一代大功率GaN基LED极具潜力的解决方案，正受到业界越来越多的关注和研究。
垂直结构可以有效解决正装结构LED的两个问题，垂直结构GaN基LED采用高热导率的衬底取代蓝宝石衬底，在很大程度上提高了散热效率；垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，通过图形化的n电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，横向流动的电流极少，可以避免正装结构的电流拥挤问题，提高发光效率，同时也解决了P极的遮光问题，提升LED的发光面积。
垂直结构LED的发光效率是该结构的一个重大优势，同时也是一个技术难题。随着垂直结构LED研发工作地不断开展，越来越多的目光集中在其光提取效率和出光效率上。传统垂直结构LED芯片如图1所示，其包括支撑衬底101、P电极102、发光外延结构103以及N电极104，这种垂直结构LED芯片的侧壁为正金字塔型(接近垂直)，这种侧壁结构几乎将出射角大于全反射临界角的光线全部限制在器件内部，不利于光提取和出光。
鉴于以上所述，提供一种能够提高出光效率的GaN基LED垂直芯片结构及其制备方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种GaN基LED垂直芯片结构及制备方法，用于解决现有技术中GaN基LED垂直芯片出光效率较低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，包括步骤：步骤1)，提供一生长衬底，于所述生长衬底上形成包括N-GaN层、量子阱层及P-GaN层的发光外延结构；步骤2)，刻蚀所述发光外延结构，以形成具有正金字塔型倾斜侧壁的发光外延结构；步骤3)，于所述倾斜侧壁表面形成透明绝缘层；步骤4)，于所述透明绝缘层表面形成反射层；步骤5)，于所述P-GaN层表面形成P焊盘；步骤6)，提供一键合衬底，并键合所述键合衬底及P焊盘；步骤7)，剥离所述生长衬底露出所述N-GaN层，形成固定于所述键合衬底上的具有倒金字塔型倾斜侧壁的发光外延结构；步骤8)，对裸露的N-GaN层表面进行粗化；步骤9)，于所述N-GaN层表面形成N焊盘。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤1)中，所述N-GaN层直接生长于所述生长衬底上。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤3)中，所述透明绝缘层的材料选用为氧化硅、氧化铝及氮化硅中的一种。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤4)中，采用蒸镀工艺制作所述反射层，所述反射层包括粘附金属层、反射金属层以及阻挡金属层。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，所述粘附金属层选用为Ni及Cr中的一种或两种，反射金属层选用为Al及Ag中的一种或两种，阻挡金属层选用为Ti，Pt及Au中的一种或两种以上。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤5)制作P焊盘包括以下步骤：步骤5-1)，于所述P-GaN层表面制备欧姆接触的ITO层或Ni层；步骤5-2)，于所述ITO层或Ni层表面制作Ag反射镜；步骤5-3)，于所述Ag反射镜表面制作Au/Sn金属键合层。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤6)所述的键合衬底包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤7)采用激光剥离工艺剥离所述生长衬底。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤8)的表面粗化选用为湿法腐蚀，腐蚀溶液包括KOH及H2SO4中的一种或两种。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法的一种优选方案，步骤9)所述的N焊盘选用为Ni/Au层、Al/Ti/Pt/Au层以及Cr/Pt/Au层中的一种。
本发明还提供一种GaN基LED垂直芯片结构，包括：键合衬底；P焊盘，键合于所述键合衬底；具有倾斜侧壁的倒金字塔型发光外延结构，结合于所述P焊盘上，包括依次层叠的P-GaN层、量子阱层及N-GaN层，所述N-GaN层表面形成有粗化结构；透明绝缘层，形成于所述倾斜侧壁表面；反射层，形成于所述透明绝缘层表面；以及N焊盘，形成于所述N-GaN层表面。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述键合衬底包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述P焊盘包括与P-GaN形成欧姆接触的ITO层或Ni层，位于所述ITO层或Ni层之上的Ag反射镜，以及位于所述Ag反射镜之上的Au/Sn键合层金属层。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述透明绝缘层的材料选用为氧化硅、氧化铝及氮化硅中的一种。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述反射层包括粘附金属层、反射金属层以及阻挡金属层。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述粘附金属层选用为Ni及Cr中的一种或两种，反射金属层选用为Al及Ag中的一种或两种，阻挡金属层选用为Ti，Pt及Au中的一种或两种以上。
作为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的一种优选方案，所述的N焊盘选用为Ni/Au层、Al/Ti/Pt/Au层以及Cr/Pt/Au层中的一种。
如上所述，本发明的GaN基LED垂直芯片结构及制备方法，具有以下有益效果：本发明将发光外延结构的侧壁做成倒金字塔型，并镀有反射层，可有效地改善现有的正金字塔型侧壁的LED垂直芯片几乎将出射角大于全反射临界角的光线全部限制在器件内部的缺陷，并将射向该侧壁的更多的光线以更短的距离传输出去。本发明的垂直芯片侧壁结构增加了光提取效率，更有利于出光，同时利用绝缘材料对侧壁进行保护，有效避免制程中造成的芯片漏电情况，提高芯片可靠性。本发明结构及方法简单，可有效提高LED的出光效率，在半导体照明领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1显示为现有技术中的垂直结构LED芯片的结构示意图。
图2～图10分别显示为本发明的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
201 生长衬底
202 N-GaN层
203 量子阱层
204 P-GaN层
205 倾斜侧壁
206 绝缘层
207 反射层
208 P焊盘
209 键合衬底
210 粗化结构
211 N焊盘
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2～图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2～图10所示，本实施例提供一种具有倒金字塔型侧壁的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，包括步骤：
如图2所示，首先进行步骤1)，提供一生长衬底201，于所述生长衬底201上形成包括N-GaN层202、量子阱层203及P-GaN层204的发光外延结构；
作为示例，所述生长衬底201为蓝宝石衬底。
具体地，采用化学气相沉积工艺依次于所述蓝宝石衬底表面制备所述N-GaN层202、量子阱层203以及P-GaN层204，在本实施例中，所述N-GaN层202直接生长于所述生长衬底201上，可以免去剥离后的传统非故意掺杂层GaN的刻蚀的步骤，节省工艺步骤及工艺成本。
另外，在本实施例中，在制备前，还包括对所述蓝宝石衬底进行清洗的步骤，以去除其表面的杂质，如聚合物、灰尘等。
如图3所示，然后进行步骤2)，刻蚀所述发光外延结构，以形成具有正金字塔型倾斜侧壁205的发光外延结构。
作为示例，利用SiO2、光刻胶或二者搭配作为ICP干法刻蚀掩膜材料，对所述发光外延结构进行刻蚀，通过调节ICP干法刻蚀气体配比等工艺变更，可制备出不同倾斜角度的器件侧壁。例如，所述倾斜侧壁205与生长衬底201的倾斜角度可以为5～30度，具体可以选择为10度、15度、20度等，以降低LED器件内部光线全反射的概率，大大提高出光效率。
如图4所示，接着进行步骤3)，形成具有正金字塔型倾斜侧壁205的发光外延结构后，为了防止后续制备工艺造成侧壁漏电，提高芯片可靠性，于所述倾斜侧壁205表面形成绝缘层206，所述透明绝缘层206的材料选用为氧化硅、氧化铝及氮化硅中的一种。在本实施例中，所述绝缘层206的材料选用为二氧化硅。
如图5所示，然后进行步骤4)，于所述透明绝缘层206表面形成反射层207。
具体地，首先对所述透明绝缘层206进行清洗，以去除其表面杂质，提高后续反射层207的粘附性能和反射率，然后采用蒸镀工艺制作所述反射层207，在本实施例中，所述反射层207包括粘附金属层、反射金属层以及阻挡金属层，其中，所述粘附金属层选用为Ni及Cr中的一种或两种，反射金属层选用为Al及Ag中的一种或两种，阻挡金属层选用为Ti，Pt及Au中的一种或两种以上。
如图6所示，接着进行步骤5)，于所述P-GaN层204表面形成P焊盘208；
具体地，包括以下步骤：
步骤5-1)，于所述P-GaN层204表面制备欧姆接触的ITO层或Ni层。
在本实施例中，采用蒸镀工艺所述于所述P-GaN层204表面制备欧姆接触的ITO层，作为欧姆接触层。
步骤5-2)，于所述ITO层或Ni层表面制作Ag反射镜。
在本实施例中，采用蒸镀工艺于所述ITO层或Ni层表面制作Ag反射镜。当然，其他的反射金属也可能适用于本发明，并不限定于此处所列举的示例。
步骤5-3)，于所述Ag反射镜表面制作Au/Sn金属键合层。
在本实施例中，采用蒸镀工艺于所述Ag反射镜表面制作Au/Sn金属键合层。
如图7所示，然后进行步骤6)，提供一键合衬底209，并键合所述键合衬底209及P焊盘208；
作为示例，所述键合衬底包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。在本实施例中，所述键合衬底为W/Cu衬底，由于W/Cu衬底具有较高的导电及导热率，可以大大提高LED芯片的散热效率。
如图8所示，接着进行步骤7)，剥离所述生长衬底201露出所述N-GaN层202，形成固定于所述键合衬底209上的具有倒金字塔型倾斜侧壁205的发光外延结构。
在本实施例中，采用激光剥离工艺剥离所述生长衬底201，以提高剥离效率，并降低对发光外延结构造成的损伤。
如图9所示，接着进行步骤8)，对裸露的N-GaN层202表面进行粗化。
作为示例，表面粗化选用为湿法腐蚀，腐蚀溶液包括KOH及H2SO4中的一种或两种。在本实施例中，腐蚀溶液选用为KOH。
如图10所示，最后进行步骤9)，于所述N-GaN层202表面形成N焊盘211。
作为示例，采用蒸镀法于所述GaN层表面制备N焊盘211，所述N焊盘211可以选用为Ni/Au层，Al/Ti/Pt/Au层，或Cr/Pt/Au层。在本实施例中，所述N焊盘211选用为Ni/Au层。
如图10所示，本实施例还提供一种具有倒金字塔型侧壁的GaN基LED垂直芯片结构，包括：键合衬底209；P焊盘208，键合于所述键合衬底209；具有倾斜侧壁205的倒金字塔型发光外延结构，结合于所述P焊盘208上，包括依次层叠的P-GaN层204、量子阱层203及N-GaN层202，所述N-GaN层202表面形成有粗化结构210；透明绝缘层206，形成于所述倾斜侧壁205表面；反射层207，形成于所述透明绝缘层206表面；以及N焊盘211，形成于所述N-GaN层202表面。
作为示例，所述键合衬底209包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。
作为示例，所述P焊盘208包括与P-GaN形成欧姆接触的ITO层或Ni层，位于所述ITO层或Ni层之上的Ag反射镜，以及位于所述Ag反射镜之上的Au/Sn键合层金属层。
作为示例，所述透明绝缘层206的材料选用为氧化硅、氧化铝及氮化硅中的一种倾斜侧壁205绝缘层206。在本实施例中，所述透明绝缘层206选用为二氧化硅。
作为示例，所述反射层207包括粘附金属层、反射金属层以及阻挡金属层，其中，所述粘附金属层选用为Ni及Cr中的一种或两种，反射金属层选用为Al及Ag中的一种或两种，阻挡金属层选用为Ti，Pt及Au中的一种或两种以上。
作为示例，所述的N焊盘211选用为Ni/Au层、Al/Ti/Pt/Au层以及Cr/Pt/Au层中的一种。
如上所述，本发明的GaN基LED垂直芯片结构及制备方法，具有以下有益效果：本发明将发光外延结构的侧壁做成倒金字塔型，并镀有反射层207，可有效地改善现有的正金字塔型侧壁的LED垂直芯片几乎将出射角大于全反射临界角的光线全部限制在器件内部的缺陷，并将射向该侧壁的更多的光线以更短的距离传输出去。本发明的垂直芯片侧壁结构增加了光提取效率，更有利于出光，同时利用绝缘材料对侧壁进行保护，有效避免制程中造成的芯片漏电情况，提高芯片可靠性。本发明结构及方法简单，可有效提高LED的出光效率，在半导体照明领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (17)
1.一种GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1)，提供一生长衬底，于所述生长衬底上形成包括N-GaN层、量子阱层及P-GaN层的发光外延结构；
步骤2)，刻蚀所述发光外延结构，以形成具有正金字塔型倾斜侧壁的发光外延结构；
步骤3)，于所述倾斜侧壁表面形成透明绝缘层；
步骤4)，于所述透明绝缘层表面形成反射层；
步骤5)，于所述P-GaN层表面形成P焊盘；
步骤6)，提供一键合衬底，并键合所述键合衬底及P焊盘；
步骤7)，剥离所述生长衬底露出所述N-GaN层，形成固定于所述键合衬底上的具有倒金字塔型倾斜侧壁的发光外延结构；
步骤8)，对裸露的N-GaN层表面进行粗化；
步骤9)，于所述N-GaN层表面形成N焊盘。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述N-GaN层直接生长于所述生长衬底上。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述透明绝缘层的材料选用为氧化硅、氧化铝及氮化硅中的一种。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤4)中，采用蒸镀工艺制作所述反射层，所述反射层包括粘附金属层、反射金属层以及阻挡金属层。
5.根据权利要求4所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：所述粘附金属层选用为Ni及Cr中的一种或两种，反射金属层选用为Al及Ag中的一种或两种，阻挡金属层选用为Ti，Pt及Au中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤5)制作P焊盘包括以下步骤：
步骤5-1)，于所述P-GaN层表面制备欧姆接触的ITO层或Ni层；
步骤5-2)，于所述ITO层或Ni层表面制作Ag反射镜；
步骤5-3)，于所述Ag反射镜表面制作Au/Sn金属键合层。
7.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤6)所述的键合衬底包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。
8.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤7)采用激光剥离工艺剥离所述生长衬底。
9.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤8)的表面粗化选用为湿法腐蚀，腐蚀溶液包括KOH及H2SO4中的一种或两种。
10.根据权利要求1所述的GaN基LED垂直芯片结构的制备方法，其特征在于：步骤9)所述的N焊盘选用为Ni/Au层、Al/Ti/Pt/Au层以及Cr/Pt/Au层中的一种。
11.一种GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于，包括：
键合衬底；
P焊盘，键合于所述键合衬底；
具有倾斜侧壁的倒金字塔型发光外延结构，结合于所述P焊盘上，包括依次层叠的P-GaN层、量子阱层及N-GaN层，所述N-GaN层表面形成有粗化结构；
透明绝缘层，形成于所述倾斜侧壁表面；
反射层，形成于所述透明绝缘层表面；
N焊盘，形成于所述N-GaN层表面。
12.根据权利要求11所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述键合衬底包括Si衬底、W/Cu衬底及Mo/Cu衬底中的一种。
13.根据权利要求11所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述P焊盘包括与P-GaN形成欧姆接触的ITO层或Ni层，位于所述ITO层或Ni层之上的Ag反射镜，以及位于所述Ag反射镜之上的Au/Sn键合层金属层。
14.根据权利要求11所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述透明绝缘层的材料选用为氧化硅、氧化铝及氮化硅中的一种。
15.根据权利要求11所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述反射层包括粘附金属层、反射金属层以及阻挡金属层。
16.根据权利要求15所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述粘附金属层选用为Ni及Cr中的一种或两种，反射金属层选用为Al及Ag中的一种或两种，阻挡金属层选用为Ti，Pt及Au中的一种或两种以上。
17.根据权利要求11所述的GaN基LED垂直芯片结构，其特征在于：所述的N焊盘选用为Ni/Au层、Al/Ti/Pt/Au层以及Cr/Pt/Au层中的一种。
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