CN106252470A - 一种氮化镓基发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氮化镓基发光二极管及其制作方法，提供一生长基板；在生长基板上制作发光外延层，其自下而上依次包括第一半导体层、发光层和第二半导体层；从第二半导体层蚀刻出开口结构，且延伸至第一半导体层，使得部分第一半导体层裸露；制作第一金属电极、第二金属电极层，分别覆盖于裸露的第一半导体层和第二半导体层之上；制作金属粘附层，并形成开口，分别形成于第一金属电极和第二金属电极层之上；在上述结构上沉积半导体保护层，并形成开口，露出部分金属粘附层以及金属电极层表面，作为封装打线区。
Description
技术领域
本发明涉及半导体元件，尤其是涉及一种氮化镓基发光二极管及其制作方法。
背景技术
在常规LED芯片，一般以二氧化硅（SiO2）作为表面绝缘层，以铬/铂/金（Cr/Pt/Au）金属叠层作为电极结构（如图1所示），或是插入铝（Al）反射率层形成Cr/Al/Pt/Au作为反射电极结构。在这种电极结构中，Au作为封装打线金属，但Au与半导体保护层材料（如SiO2）附着性差，即在制程中电极边缘与Au接触的SiO2层容易脱落，或在封装打线过程被拉力作用脱落，无法形成有效的绝缘层侧壁保护，导致芯片在封装老化中出现Cr迁移、Al氧化、光衰等异常，尤其在显屏芯片中容易出现胶气污染引起有机物、水汽渗入电极结构导致金属电迁移，产生严重的负向老化异常。因此，如何解决电极金属层与绝缘层的附着性问题极为重要。
已有研究人员通过改进电极结构（中国专利申请号CN103238223A），在电极表层沉积Ti、W等与SiO2附着性较好的金属增加结构密闭性。但LED器件的高可靠性必须结合芯片工艺、封装作业考量，该专利通过蚀刻Ti、W金属漏出Au作为表面电极，如使用干法蚀刻工艺（ICP）则Au容易被刻蚀损伤，形成表面黑点，导致封装打线金线打不粘异常，但是金属电极侧壁漏出Au层仍然无法与SiO2绝缘层良好附着；另一方面，该电极结构中SiO2附着在Ni金属上，封装打线过程容易被推拉力带起SiO2绝缘层，造成SiO2脱落失去保护作用，从而芯片在使用或老化过程失效，如图2所示。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有金属粘附层的氮化镓基发光二极管及其制作方法。本发明通过在金属电极表层金属上增加开口状的金属粘附层，增加金属电极与覆盖在金属电极上的半导体保护层的附着性，避免半导体保护层在后续芯片工艺制程中发生脱落，从而形成有效的侧向保护，还可以避免金属电极层中反射金属与空气接触，防止被氧化，提高了芯片的抗高温高湿能力。
为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供一种氮化镓基发光二极管，包括：
生长基板；
发光外延层，位于生长基板上，其自下而上依次包括第一半导体层、发光层和第二半导体层；
开口结构，位于第二半导体层上，且延伸至第一半导体层，使得部分第一半导体层裸露；
金属电极层划分为第一金属电极层与第二金属电极层，第一金属电极层位于裸露的第一半导体层上，第二金属电极层位于第二半导体层上；
金属粘附层，位于第一金属电极层和第二金属电极层上；
半导体保护层位于上述结构之上，通过半导体保护层和金属粘附层开口形式，露出部分金属粘附层以及金属电极层表面，作为封装打线区。
本发明中，优选地，所述金属粘附层的开口大小小于半导体保护层的开口大小。
本发明中，优选地，所述金属粘附层呈开口台阶状。
本发明中，优选地，所述金属粘附层与所述金属电极层的粘附性优于所述金属粘附层与封装打线金属的粘附性。
本发明中，优选地，所述金属粘附层与封装打线金属的粘附性较差。
本发明中，优选地，所述金属粘附层与所述金属电极层的粘附性较好。
本发明中，优选地，所述金属粘附层材料选用Ti或TiN或Cr或Ni。
本发明中，优选地，所述第一金属电极层、第二金属电极层为至少三种金属叠层组成。
本发明中，优选地，所述金属叠层中的表层金属层选用Pt。
本发明中，优选地，所述金属叠层中的反射金属选用Al或Ag或AlAg合金，反射金属位于叠层的第一或第二层。
本发明中，优选地，所述金属叠层中的底层金属选用Cr或Ni或Ti或前述组合。
本发明中，优选地，所述金属叠层中的表层金属层包覆其它金属叠层。
本发明中，优选地，所述半导体保护层材料选用SiO2或Si3N4或Al2O3 或TiO2。
根据本发明的第二方面，还提供一种氮化镓基发光二极管的制作方法，包括工艺步骤：
（1）提供一生长基板；
（2）在生长基板上制作发光外延层，其自下而上依次包括第一半导体层、发光层和第二半导体层；
（3）从第二半导体层蚀刻出开口结构，且延伸至第一半导体层，使得部分第一半导体层裸露；
（4）制作第一金属电极、第二金属电极层，分别覆盖于裸露的第一半导体层和第二半导体层之上；
（5）制作金属粘附层，并形成开口，分别形成于第一金属电极和第二金属电极层之上；
（6）在上述结构上沉积半导体保护层，并形成开口，露出部分金属粘附层以及金属电极层表面，作为封装打线区。
本发明中，优选地，所述金属粘附层的开口大小小于半导体保护层的开口大小。
本发明中，优选地，所述金属粘附层呈开口台阶状。
本发明中，优选地，所述金属粘附层与所述金属电极层的粘附性优于所述金属粘附层与封装打线金属的粘附性。
本发明中，优选地，所述金属粘附层与封装打线金属的粘附性较差。
本发明中，优选地，所述金属粘附层与所述金属电极层的粘附性较好。
本发明中，优选地，所述金属粘附层材料选用Ti或TiN或Cr或Ni。
本发明中，优选地，所述第一金属电极层、第二金属电极层和金属粘附层通过电子束蒸发或离子溅射工艺制得。
本发明中，优选地，所述第一金属电极层、第二金属电极层为至少三种金属叠层组成。
本发明中，优选地，所述金属叠层中的表层金属层选用Pt。
本发明中，优选地，所述金属叠层中的反射金属选自Al或Ag或AlAg合金，反射金属位于叠层的第一或第二层。
本发明中，优选地，所述金属叠层中的底层金属选自Cr或Ni或Ti或前述组合。
本发明中，优选地，所述金属叠层中的表层金属层包覆其它金属叠层。
本发明中，优选地，所述半导体保护层材料选用SiO2或Si3N4或Al2O3 或TiO2。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
（1）位于金属电极层之上的金属粘附层、半导体保护层均有设置开口，金属粘附层的开口大小小于半导体保护层的开口大小，露出部分金属粘附层以及金属电极层表面，藉由Ti与金属叠层的Pt表面金属层、SiO2具有很好的粘附性和自身的热稳定性，因此可以增强金属电极与覆盖在金属电极上的半导体保护层之间的附着性，使得半导体保护层在后续芯片制程中不会脱落，从而形成有效的侧向保护，避免金属电极层中反射金属与空气接触，防止被氧化，提高了芯片的抗高温高湿能力。
（2）由于金属粘附层与封装打线金属的粘附性较差，藉由金属粘附层与金属电极层的粘附性优于金属粘附层与封装打线金属的粘附性，从而在打线作业时，金属粘附层开口形成“缓冲区”，使得打线推拉力过程容易在裸露出的金属粘附层断开，从而避免损伤到边缘的半导体保护层，有效地增强了发光二极管的可靠性。
（3）金属电极层呈包覆状，底层金属Cr、Al、Au等金属的侧壁被Pt、Ti依次包覆，粘附金属层与SiO2等绝缘保护层具有良好附着性，防止底层金属Cr迁移、Al氧化以及水汽渗入；以Pt作为金属电极层的表面金属层，增加芯片工艺制程中金属层的抗蚀性，避免出现金属黑点造成金线打线不粘异常现象。
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。
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
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是常规正装氮化镓基发光二极管的电极结构示意图。
图2是已有的氮化物系半导体发光元件的结构示意图。
图3是本实施例1制作氮化镓基发光二极管的剖面示意图。
图4是本实施例2制作氮化镓基发光二极管的流程示意图。
图5~10是本实施例2的制作氮化镓基发光二极管工艺流程剖面示意图。
图11是本实施例3制作氮化镓基发光二极管的剖面示意图。
图12是本实施例3制作氮化镓基发光二极管之台阶状金属粘附层的工艺流程剖面示意图。
图中部件符号说明：
100：生长基板；200：N型层（N-GaN层）；201：发光层；202：P型层（P-GaN层）；300：第一金属电极层（N电极）；301、401：底层金属层；302、402：中间金属层；303、403：表面金属层；400：第二金属电极层（P电极）；500：金属粘附层；600：半导体保护层。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，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
如图3所示，本实施例具有金属粘附层结构的氮化镓基发光二极管，包括：生长基板100、N型层200、发光层201、P型层202、第一金属电极层之P电极400、第二金属电极层之N电极300、金属粘附层500以及半导体保护层600。
具体来说，上述氮化镓基发光二极管结构中生长基板100为蓝宝石基板；N型层200，形成于蓝宝石衬底100上；发光层201，形成于N型层200上；P型层202，形成于发光层201；第一金属电极层之N电极300、第二金属电极层之P电极400分别形成于裸露的N型层200上与P型层202上。
第一金属电极层、第二金属电极层为至少三种金属叠层组成。优选地，本实施例金属叠层中的表层金属层303、403选用Pt，其具有抗蚀刻高稳定性，可避免出现金属黑点造成封装打线金线不粘等异常；金属叠层中反射金属选自Al或Ag或AlAg合金，反射金属位于金属叠层的第一或第二层，本实施例优选Al金属层位于金属叠层的第二层，作为中间金属层302、402；金属叠层中的底层金属层301、401选自Cr或Ni或Ti或其组合，本实施例优选Cr。优选地，本实施例的金属叠层中的表层金属层301、401包覆中间金属层302、402和底层金属层301、401，从而保护易被氧化的金属Al，避免金属Cr迁移。
台阶状的金属粘附层500，形成于第一金属电极层、第二金属电极层上，金属粘附层材料可以选用Ti或TiN或Cr或Ni，在本实施例中选用Ti；半导体保护层600，形成于Ti金属粘附层上，半导体保护层可以选用SiO2或Si3N4或Al2O3 或TiO2，在本实施例中选用SiO2。
本实施例，Ti金属粘附层与SiO2半导体保护层均有设置开口，金属粘附层的开口大小小于半导体保护层的开口大小，露出部分金属粘附层以及金属电极层表面，作为封装打线区。选用Ti作为金属粘附层，主要有两方面考量。一方面，基于Ti与金属叠层的Pt表面金属层、SiO2具有很好的粘附性和自身的热稳定性，因此可以增强金属电极与覆盖在金属电极上的半导体保护层之间的附着性，使得半导体保护层在后续芯片制程中不会脱落，从而形成有效的侧向保护，避免金属电极层中反射金属Al与空气接触，防止被氧化，提高了芯片的抗高温高湿能力；另一方面，由于Ti与封装打线中金（Au）的粘附性较差，从而在打线作业时，金属粘附层开口形成“缓冲区”，使得打线推拉力过程容易在台阶处的Ti金属粘附层断开，从而避免损伤到边缘的SiO2保护层，如此藉由金属粘附层与金属电极层的粘附性优于金属粘附层与封装打线金属的粘附性，有效地减少金属电极打线脱落几率，从而增强了发光二极管的可靠性。
实施例2
本实施例提供一种具有金属粘附层结构的氮化镓基发光二极管的制作方法，具体流程请参考图4，包括以下工艺步骤：
步骤S11，提供一生长基板。
步骤S12，在生长基板上外延生长发光外延层，外延层从下至上依次为N-GaN层、发光层、P-GaN层。
步骤S13，采用干法蚀刻工艺，从P-GaN层蚀刻出部分裸露的N-GaN层台面。
步骤S14，在N-GaN层和P-GaN层上分别制作第一金属电极层、第二金属电极层。
步骤S15，在第一金属电极层、第二金属电极层上制作开口金属粘附层。
步骤S16；在金属粘附层上沉积半导体保护层，并形成开口，露出部分金属粘附层以及金属电极层表面，作为封装打线区。
如图5~10所示的本实施例的发光二极管的制作工艺流程剖面示意图，具体来说：
如图5所示，首先，提供生长基板100，在本实施例中，生长基板100选用蓝宝石，用以形成GaN基蓝光二极管的生长基板；然而应当认识到，生长基板还可以是碳化硅或氮化镓或硅或其它合适衬底。
如图6所示，在生长基板100采用MOCVD工艺，外延沉积发光外延层，发光外延层从下至上依次为N-GaN层200、发光层201、P-GaN层202。
如图7所示，采用ICP干法蚀刻工艺，从P-GaN层202蚀刻出开口结构，且延伸至N-GaN层200，使得部分N-GaN层裸露出台面。
如图8所示，采用电子束蒸发或离子溅射或其它镀膜沉积方式，分别在裸露的N-GaN层200和P-GaN层202制作第一金属电极层（N电极）300和第二金属电极层（P电极）400，本实施例的第一金属电极层、第二金属电极层至少包括三种金属叠层。优选地，本实施例金属叠层中的表层金属层303、403选用Pt，其具有抗蚀刻高稳定性，可避免出现金属黑点造成封装打线金线不粘等异常；金属叠层中反射金属选自Al或Ag或AlAg合金，反射金属位于金属叠层的第一或第二层，本实施例优选Al金属层位于金属叠层的第二层，作为中间金属层302、402；金属叠层中的底层金属层301、401选自Cr或Ni或Ti或其组合，本实施例优选Cr。优选地，本实施例采用离子溅射（Sputter）镀膜工艺，使得金属叠层中的表层金属层301、401包覆中间金属层302、402和底层金属层301、401，从而保护易被氧化的金属Al，避免金属Cr迁移。
如图9所示，采用电子束蒸发或离子溅射或其它镀膜沉积方式，在第一金属电极（N电极）300和第二金属电极层（P电极）400之上沉积金属粘附层500，并通过黄光、蚀刻工艺，形成开口。
如图10所示，在上述结构上制作半导体保护层600，可以选用SiO2或Si3N4或Al2O3或TiO2，在本实施例中选用SiO2。通过黄光、蚀刻工艺，形成开口，露出部分金属粘附层以及金属电极层表面，作为封装打线区。需要注意的是，SiO2半导体保护层600的开口需要大于Ti金属粘附层500的开口。由于Ti金属粘附层与封装打线中金（Au）的粘附性较差，从而在封装打线作业时，Ti金属粘附层开口形成“缓冲区”，使得打线推拉力过程容易在Ti金属粘附层断开，从而避免掀起SiO2绝缘保护层而造成破损，有效确保发光二极管保护层的密闭性，具有防止水汽、胶气污染渗入芯片金属层内部，避免芯片因金属电迁移造成负向老化失效，增强了发光二极管的可靠性。
实施例3
如图11所示，与实施例1区别在于，实施例1的半导体保护层600披覆至开口台阶状金属粘附层500的上台阶表面，而本实施例的半导体保护层600披覆至开口台阶状金属粘附层500的部分下台阶表面，如此减少了金属粘附层500的侧壁暴露面积。此外，若封装打线制程金线直径较大，对于常规的LED结构，打线金线推拉时容易掀起半导体保护层，而本实施例的LED结构，由于金线容易在金属粘附层的裸露下台阶表面处断开，而不至于掀起更大面积的半导体保护层（如金属电极侧壁的半导体保护层），从而确保半导体保护层的完整性。
如图12所示，本实施例的LED结构之台阶状金属粘附层的制作工艺流程包括：
(a)为便于简化说明，仅示出电极结构部分，从下至上依次包括形成底层电极金属、Pt表面金属层以及Ti金属粘附层；
(b)在Ti金属粘附层上涂布掩膜层，如光阻（PR）；
(c)通过黄光工艺，光罩显影得到图案化的光阻（PR），开口部分露出Ti金属粘附层；
(d)采用湿法蚀刻工艺，蚀刻Ti金属粘附层形成缺口，由于湿法蚀刻除了纵向蚀刻深度，还会形成一定的侧向蚀刻深度，通过调整蚀刻液的浓度和蚀刻时间，实现横纵蚀刻比例可控；
(e)采用ICP干法蚀刻工艺，沿着PR图形纵向蚀刻；
(f)去除PR，即得到开口台阶状金属粘附层。
综上所述，本发明提供了一种GaN基发光二极管及其制造方法，通过在发光二极管的金属电极层表面制作开口粘附金属层，增加电极与半导体保护层的附着性，同时因粘附金属层与封装金线粘性较差，保证封装打线、推拉力过程金线在裸露的粘附金属层处断开，从而半导体保护层不被掀起，有效确保发光二极管半导体保护层的密闭性，具有防止水汽、胶气污染渗入芯片金属层内部，避免芯片因金属电迁移造成负向老化失效。此外，金属电极层呈包覆状，底层金属Cr、Al、Au等金属的侧壁被Pt、Ti依次包覆，粘附金属层与SiO2等绝缘保护层具有良好附着性，防止底层金属Cr迁移、Al氧化以及水汽渗入；以Pt作为金属电极层的表面金属层，增加芯片工艺制程中金属层的抗蚀性，避免出现金属黑点造成金线打线不粘异常现象。
Claims (10)
1.一种氮化镓基发光二极管，包括：
生长基板；
发光外延层，位于生长基板上，其自下而上依次包括第一半导体层、发光层和第二半导体层；
开口结构，位于第二半导体层上，且延伸至第一半导体层，使得部分第一半导体层裸露；
金属电极层划分为第一金属电极层与第二金属电极层，第一金属电极层位于裸露的第一半导体层上，第二金属电极层位于第二半导体层上；
金属粘附层，位于第一金属电极层和第二金属电极层上；
半导体保护层位于上述结构之上，通过半导体保护层和金属粘附层开口形式，露出部分金属粘附层以及金属电极层表面，作为封装打线区。
2.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述金属粘附层呈开口台阶状。
3.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述金属粘附层与所述金属电极层的粘附性优于所述金属粘附层与封装打线金属的粘附性。
4.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述金属粘附层材料选用Ti或TiN或Cr或Ni。
5.根据权利要求1所述的一种氮化镓基发光二极管，其特征在于：所述第一金属电极层、第二金属电极层的表层金属层选用Pt。
6.一种氮化镓基发光二极管的制作方法，包括工艺步骤：
（1）提供一生长基板；
（2）在生长基板上制作发光外延层，其自下而上依次包括第一半导体层、发光层和第二半导体层；
（3）从第二半导体层蚀刻出开口结构，且延伸至第一半导体层，使得部分第一半导体层裸露；
（4）制作第一金属电极、第二金属电极层，分别覆盖于裸露的第一半导体层和第二半导体层之上；
（5）制作金属粘附层，并形成开口，分别形成于第一金属电极和第二金属电极层之上；
（6）在上述结构上沉积半导体保护层，并形成开口，露出部分金属粘附层以及金属电极层表面，作为封装打线区。
7.根据权利要求6所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：所述金属粘附层呈开口台阶状。
8.根据权利要求7所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：所述开口台阶状金属粘附层的制作步骤，包括：
在金属粘附层上涂布掩膜层；
通过黄光工艺，光罩显影得到图案化的掩膜层，开口部分露出金属粘附层；
采用湿法蚀刻工艺，蚀刻Ti金属粘附层形成缺口；
采用干法蚀刻工艺，沿着掩膜层图形纵向蚀刻；
去除掩膜层，即得到开口台阶状金属粘附层。
9.根据权利要求6所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：所述金属粘附层与所述金属电极层的粘附性优于所述金属粘附层与封装打线金属的粘附性。
10.根据权利要求6所述的一种氮化镓基发光二极管的制作方法，其特征在于：所述金属粘附层材料选用Ti或TiN或Cr或Ni，所述第一金属电极层、第二金属电极层的表层金属层选用Pt。
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| PB01 | Publication | ||
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