CN106025033A - 一种led倒装芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种LED倒装芯片及其制备方法，该LED倒装芯片包括：衬底、形成于所述衬底上的外延层、形成于所述外延层上的反射层，所述反射层上形成有石墨烯阻挡层，N引线电极形成于贯穿所述石墨烯阻挡层、反射层、P型氮化镓层、发光层、直至N型氮化镓层表面的N电极孔内；所述外延层的外露表面、石墨烯阻挡层的外露表面、衬底的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙形成有绝缘层，所述绝缘层上形成有相互绝缘的N焊盘与P焊盘，所述N焊盘与N引线电极形成导电连接，所述P焊盘与石墨烯阻挡层形成导电连接。本发明通过石墨烯阻挡层不仅能有效地阻止反射层的金属材料迁移，而且可以提升芯片的发光效率和亮度。

Description

一种LED倒装芯片及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电芯片技术领域，尤其涉及一种LED倒装芯片结构及其制造方法。
背景技术
通常采用金属有机化学汽相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)或其它外延技术在蓝宝石、碳化硅或其它适当的衬底上外延地生长不同组成和掺杂剂浓度的半导体层的叠层来制造III族氮化物发光器件。该叠层常常包括用例如Si掺杂的在衬底上形成的一个或多个n型层、在形成于一个或多个n型层上的有源区中的一个或多个发光层以及在有源区上形成的用例如Mg掺杂的一个或多个p型层，并在n型区和p型区上形成电接触。将III族氮化物器件形成为倒置或倒装芯片器件，其中，在半导体结构的同一侧形成N和P接触两者，并且从与接触相对的半导体结构的那侧提取光。
银常常作为反射性p接触，已知其易受由机械应力、化学反应或电迁移引发的输运影响。美国专利6,946,685描述了一种具有银P接触的III族氮化物LED，其教导了“银电极金属化在存在湿气和电场(诸如，例如由于在器件的接触处施加工作电压而逐渐产生的场)的情况下经受电化学迁移。银金属化到器件的PN结的电化学迁移导致跨越结的交流旁路路径，其降低了器件的效率。
图1为包括半导体结构的发光器件，该半导体结构包括在III-V族氮化物半导体的n型层120与III族氮化物半导体的P型层140之间的发光有源区130A，p型层140上沉积包括银金属的P电极160，并将n电极(未图示)与n型层120藕合。该半导体结构中提供了能够用来跨越所述电极施加电信号以引起来自有源区的光发射的手段，并且提供了用于防止银金属从p电极160朝向有源区的电化学迁移的迁移阻挡物175。该迁移阻挡物175是导电防护片，防护片完全包围p电极160并覆盖p电极160的边缘12。为了用导电防护片密封银接触，首先从台面((mesa)的边缘对银进行回蚀刻，由于迁移阻挡物175通常为含有Ti或W的材料，然而Ti/W材料吸收可见光，其不同于银P电极160具有反射性，因此在反射性的P电极160的边缘12与台面的边缘之间会形成一“黑带”10(即迁移阻挡物覆盖Ag电极后露出的部分)，黑带10会吸收可见光，从而降低LED的光效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以提升LED的效率和亮度的LED倒装芯片及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种LED倒装芯片，包括：衬底、形成于所述衬底上的外延层、形成于所述外延层上的反射层，所述外延层包括P型氮化镓层、发光层及N型氮化镓层，所述反射层上形成有石墨烯阻挡层，N引线电极形成于贯穿所述石墨烯阻挡层、反射层、P型氮化镓层、发光层、直至N型氮化镓层表面的N电极孔内；所述外延层的外露表面、石墨烯阻挡层的外露表面、衬底的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙形成有绝缘层，所述绝缘层上形成有相互绝缘的N焊盘与P焊盘，所述N焊盘与N引线电极形成导电连接，所述P焊盘与石墨烯阻挡层形成导电连接。
进一步的，所述石墨烯阻挡层的外露表面形成有P引线电极，所述绝缘层形成于所述外延层的外露表面、P引线电极的外露表面、衬底的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙，所述P焊盘通过所述P引线电极与石墨烯阻挡层形成导电连接。
进一步的，所述石墨烯阻挡层完全覆盖反射层的外露表面。
进一步的，所述石墨烯阻挡层为单层或多层石墨烯。
进一步的，所述N引线电极和P引线电极为相同材料制成且同时沉积形成。
一种LED倒装芯片的制备方法，步骤如下：
提供衬底并生长外延层，外延层生长过程依次为：在衬底表面生长N型氮化镓层、在N型氮化镓层上生长发光层、在所述发光层上生长P型氮化镓层；
在P型氮化镓层表面形成反射层；
在反射层表面及其四周侧壁形成石墨烯阻挡层，在外延层形成沟槽及贯穿石墨烯阻挡层、反射层、P型氮化镓层、发光层、直至N型氮化镓层表面的N电极孔；
形成引线电极，在N电极孔内形成N引线电极，在外延层的外露表面、石墨烯阻挡层的外露表面、衬底的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙形成绝缘层；
在绝缘层上通形成相互绝缘的N焊盘与P焊盘，所述N焊盘与N引线电极形成导电连接，所述P焊盘与石墨烯阻挡层形成导电连接。
进一步的，在形成引线电极步骤中，在石墨烯阻挡层外露表面形成具有布线图案的P引线电极，P引线电极与石墨烯阻挡层电连接；
在外延层的外露表面、P引线电极的外露表面、衬底的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙形成绝缘层；
在绝缘层上形成相互绝缘的N焊盘与P焊盘，N焊盘与N引线电极相接触，P焊盘与P引线电极相接触。
由以上技术方案可知，在反射层表面沉积石墨烯阻挡层，由于石墨烯阻挡层为不吸光的材料，能够有效地阻止反射层的金属材料迁移，不但有效解决“黑边”问题，而且石墨烯材料因其卓越的导电、导热和致密性，可以用来做金属电极的阻挡层材料，以提升倒装LED芯片的性能，减少光的吸收，提升LED倒装芯片发光效率和亮度。
附图说明
图1为现有技术中一种半导体发光器件的结构示意图；
图2为本发明实施例1的结构示意图；
图3至图11为本发明实施例1LED倒装芯片的制备过程示意图；
图12为本发明实施例2形成引线电极步骤的示意图；
图13为实施例2形成绝缘层步骤的示意图；
图14为实施例2形成焊盘步骤的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
如图2所示，本实施例的LED倒装芯片包括衬底1、位于衬底1上的N型氮化镓层11、位于N型氮化镓层11上的发光层12、位于发光层12上的P型氮化镓层13、位于P型氮化镓层13上的反射层15以及覆盖于反射层15上的石墨烯阻挡层14，本实施例的石墨烯阻挡层14完全覆盖反射层15的外露表面。N电极孔(未标号)贯穿石墨烯阻挡层14、反射层15、P型氮化镓层13、发光层12、直至N型氮化镓层11表面，N引线电极32形成于N电极孔内。P引线电极31形成于石墨烯阻挡层14的外露表面。在外延层的外露表面、P引线电极31的外露表面、衬底1的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙形成有绝缘层16。在绝缘层16上形成有相互绝缘的P焊盘27和N焊盘26，P焊盘27与P引线电极31电连接，N焊盘26与N引线电极32电连接。
下面结合图3至图11对本实施例的LED倒装芯片的制备方法进行详细说明：
步骤一，提供衬底1并生长外延层，本实施例的衬底1为蓝宝石衬底，通过MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)在蓝宝石衬底1表面上生长外延层，外延层生长过程依次为：在蓝宝石衬底1表面生长N型氮化镓层11、在N型氮化镓层11上生长发光层12、在所述发光层12上生长P型氮化镓层13(图3)；
步骤二，形成反射层15，如图4和图5所示，采用蒸镀及光刻工艺在P型氮化镓层13表面覆盖反射层15，反射层15可以是铝、银或前述两者之合金；
步骤三，形成石墨烯阻挡层14，如图6所示，通过化学工艺迁移石墨烯阻挡层14，使其覆盖在反射层15表面及其四周侧壁，通过化学工艺迁移石墨烯层为现有技术，在此不多熬述；石墨烯阻挡层14可以是单层或多层石墨烯；
形成隔离沟槽3及N电极孔4，采用ICP蚀刻工艺在外延层形成沟槽3，沟槽3的底部露出蓝宝石衬底1表面，从而使外延层形成彼此相互绝缘独立的芯片；通过采用蒸镀及光刻工艺，使石墨烯阻挡层14、反射层15与P型氮化镓层13表面形成台阶9；
对芯片进行刻蚀，以在芯片表面形成贯穿石墨烯阻挡层14、反射层15、P型氮化镓层13、发光层12、直至N型氮化镓层11表面的N电极孔4，N电极孔4的数量可以为多个并且在芯片表面均匀分布；
步骤五，形成引线电极，如图7所示，在N电极孔4内形成N引线电极32，即N引线电极32与N型氮化镓层11电连接形成欧姆接触，N引线电极32可以是圆柱形状，为避免N引线电极32短路P型氮化镓层13及N型氮化镓层11，N引线电极32外周壁与N电极孔4内壁相互绝缘隔开；通过溅射或蒸镀工艺在石墨烯阻挡层14外露表面形成具有布线图案的P引线电极31，P引线电极31与石墨烯阻挡层14电连接；
本实施例的N引线电极32和P引线电极31采用相同材料并且同时沉积形成，可以减少LED芯片生产的流程，降低成本，N引线电极和P引线电极可采用具有高反射性能的Cr或Al或Ni或Ti或Au或Pt或前述材料的合金，以减少了光的吸收；而且N引线电极和P引线电极还具有阻挡层作用，更好的实现了对反射层保护；
步骤六，形成绝缘层，如图8所示，通过溅射或喷涂工艺在外延层的外露表面、P引线电极31的外露表面、衬底1的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙形成绝缘层16，绝缘层材料可为氮化铝，二氧化硅，氮化硅，三氧化二铝、布拉格反射层DBR(TiO2/SiO2)，硅胶或树脂或丙烯酸，厚度为0.3um～5um；
步骤七，形成接触孔，如图9及图10所示，采用光刻和蚀刻技术在绝缘层16表面打孔，分别刻蚀出N型接触孔6与P型接触孔5，其中，N型接触孔6与N引线电极32表面相连，P型接触孔5与P引线电极31表面相连，芯片表面均分布N型接触孔6和P型接触孔5；
步骤八，形成焊盘，如图2和图11所示，在绝缘层16上通过印刷和电镀技术制造相互绝缘的N焊盘26与P焊盘27，N焊盘26与P焊盘27在部分覆盖绝缘层16表面上，N焊盘26通过N型接触孔6与N引线电极32相接触，P焊盘27通过P型接触孔5和P引线电极31相接触，N焊盘26与P焊盘27对称分布。P焊盘和N焊盘厚度可为0.5um～2um，P焊盘和N焊盘之间的间隔≥150um，材料优选为铝或镍或钛或铂金或金。
本发明在反射层上覆盖石墨烯阻挡层，石墨烯为不吸光的透明材料，能够有效地阻止从反射层的金属材料迁移，而提升LED的效率和亮度；而且，石墨烯材料是目前已知导热最好的材料(热导率超过金刚石)，因此用石墨烯材料来做阻挡层，还可以进一步提升倒装LED芯片的散热性能，提升器件的稳定性。此外，石墨烯材料也是目前已知最为致密的材料，甚至连小到He原子都无法穿透石墨烯，因此石墨烯是极优良的阻挡层材料，在前述实施例中用来做Ag电极的保护材料，可以阻挡水汽的渗入，从而避免器件因银迁移而失效。
实施例2
本实施例与实施例1不同的地方在于：如图12所示，在形成引线电极步骤中只形成N引线电极32，不用在石墨烯阻挡层14外露表面形成P引线电极；N引线电极的结构和位置与实施例1的相同。如图13所示，在外延层的外露表面、石墨烯阻挡层14的外露表面、衬底1的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙形成绝缘层16；如图14所示，在绝缘层16上通形成相互绝缘的N焊盘26与P焊盘27，N焊盘26通过N型接触孔与N引线电极32形成导电连接，P焊盘27通过P型接触孔和石墨烯阻挡层14形成导电连接。本实施例在石墨烯阻挡层表面不覆盖P引线电极，而是直接利用石墨烯材料卓越的导电性能，使石墨烯阻挡层直接与P焊盘形成导电连接，简化了结构和制备工艺，可以提高效率。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种LED倒装芯片，包括：衬底、形成于所述衬底上的外延层、形成于所述外延层上的反射层，所述外延层包括P型氮化镓层、发光层及N型氮化镓层，其特征在于：
所述反射层上形成有石墨烯阻挡层，N引线电极形成于贯穿所述石墨烯阻挡层、反射层、P型氮化镓层、发光层、直至N型氮化镓层表面的N电极孔内；
所述外延层的外露表面、石墨烯阻挡层的外露表面、衬底的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙形成有绝缘层，所述绝缘层上形成有相互绝缘的N焊盘与P焊盘，所述N焊盘与N引线电极形成导电连接，所述P焊盘与石墨烯阻挡层形成导电连接。
2.如权利要求1所述的LED倒装芯片，其特征在于：所述石墨烯阻挡层的外露表面形成有P引线电极，所述绝缘层形成于所述外延层的外露表面、P引线电极的外露表面、衬底的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙，所述P焊盘通过所述P引线电极与石墨烯阻挡层形成导电连接。
3.如权利要求1或2所述的LED倒装芯片，其特征在于：所述石墨烯阻挡层完全覆盖反射层的外露表面。
4.如权利要求1所述的LED倒装芯片，其特征在于：所述石墨烯阻挡层为单层或多层石墨烯。
5.如权利要求2所述的LED倒装芯片，其特征在于：所述N引线电极和P引线电极为相同材料制成且同时沉积形成。
6.一种LED倒装芯片的制备方法，其特征在于，步骤如下：
提供衬底并生长外延层，外延层生长过程依次为：在衬底表面生长N型氮化镓层、在N型氮化镓层上生长发光层、在所述发光层上生长P型氮化镓层；
在P型氮化镓层表面形成反射层；
在反射层表面及其四周侧壁形成石墨烯阻挡层，在外延层形成沟槽及贯穿石墨烯阻挡层、反射层、P型氮化镓层、发光层、直至N型氮化镓层表面的N电极孔；
形成引线电极，在N电极孔内形成N引线电极，在外延层的外露表面、石墨烯阻挡层的外露表面、衬底的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙形成绝缘层；
在绝缘层上通形成相互绝缘的N焊盘与P焊盘，所述N焊盘与N引线电极形成导电连接，所述P焊盘与石墨烯阻挡层形成导电连接。
7.如权利要求6所述的LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：在形成引线电极步骤中，在石墨烯阻挡层外露表面形成具有布线图案的P引线电极，P引线电极与石墨烯阻挡层电连接；
在外延层的外露表面、P引线电极的外露表面、衬底的外露上表面及N电极孔与N引线电极之间的间隙形成绝缘层；
在绝缘层上形成相互绝缘的N焊盘与P焊盘，N焊盘与N引线电极相接触，P焊盘与P引线电极相接触。
8.如权利要求6或7所述的LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述石墨烯阻挡层完全覆盖反射层的外露表面。
9.如权利要求6所述的LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述石墨烯阻挡层为单层或多层石墨烯。
10.如权利要求7所述的LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述N引线电极和P引线电极为相同材料制成且同时沉积形成。
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