CN106449932A - 一种垂直结构发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种垂直结构发光二极管及其制造方法，该垂直结构发光二极管包括：键合衬底；金属键合层；金属阻挡层，位于所述金属键合层的背离键合衬底的一侧；反射层，位于所述金属阻挡层的背离键合衬底的一侧；透明导电层，位于所述反射层的背离键合衬底的一侧；发光外延结构，包括依次层叠于所述透明导电层的背离键合衬底的一侧的P‑GaN层、活性层、N‑GaN层；N电极，位于所述N‑GaN层的背离键合衬底的一侧；荧光粉涂层，位于所述N‑GaN层的背离所述键合衬底的一侧；P电极，位于所述键合衬底的背离发光外延结构的一侧上。该垂直结构发光二极管能够显著增强键合衬底与金属阻挡层的连接强度，避免高温破坏反射层或透明导电层与P型GaN的接触特性。
Description
技术领域
本发明涉及发光器件技术领域，具体地说，涉及一种垂直结构发光二极管及其制造方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种半导体发光器件，具有亮度高、功耗低、寿命长、工作电压低、易集成化等优点，广泛应用在仪表指示灯、显示屏、电子广告牌以及各种照明设备中。
CN101599523A公开了一种采用导电聚合物转移的垂直结构LED芯片及其制造方法，该垂直结构LED芯片采用高热导率材料作为支撑衬底，在该支撑衬底上依次设置有高热导率的导电聚合物、反射层、ITO透明导电层、LED外延层和N型电极，其中反射层的材料为Al、Ag或Pt。
CN101599523A中，虽然采用导电聚合物能够提高LED芯片的散热效率和性能，但垂直结构LED芯片的制造方法中涉及将导电聚合物转移到高热导率衬底上，该过程温度通常比较高，而当温度比较高时，就会破坏反射层或透明导电层与P型GaN的接触特性，导致垂直结构LED芯片的发光效率下降。同时，CN101599523A中的导电聚合物为导电胶，长期使用容易发生老化，粘结强度下降，导致高热导率衬底容易脱落。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明一方面提供一种垂直结构发光二极管，包括：
键合衬底；
金属键合层，包括依次位于所述键合衬底上的第二金属键合层和第一金属键合层；
金属阻挡层，位于所述金属键合层的背离所述键合衬底的一侧；
反射层，位于所述金属阻挡层的背离所述键合衬底的一侧；
透明导电层，位于所述反射层的背离所述键合衬底的一侧；
发光外延结构，包括依次层叠于所述透明导电层的背离所述键合衬底的一侧的P-GaN层、活性层、N-GaN层；
N电极，位于所述N-GaN层的背离所述键合衬底的一侧，并覆盖所述N-GaN层的背离所述键合衬底的部分表面；
荧光粉涂层，位于所述N-GaN层的背离所述键合衬底的一侧，并覆盖所述N-GaN层的背离所述键合衬底的至少部分表面；
P电极，位于所述键合衬底的背离所述发光外延结构的一侧上。
优选地，所述金属阻挡层包括交替层叠的第一金属阻挡层和第二金属阻挡层。
优选地，所述第一金属阻挡层的材料选自钨钛合金，所述第二金属阻挡层的材料选自铂或钛。
优选地，所述第一金属阻挡层的厚度为50～200nm，所述第二金属阻挡层的厚度为20～100nm。
优选地，所述荧光粉涂层还覆盖所述N电极的背离所述键合衬底的部分表面。
优选地，所述荧光粉涂层的材料包括荧光粉和基材。
优选地，所述荧光粉选自黄色荧光粉、红色荧光粉、绿色荧光粉中的至少一种。
优选地，所述基材为硅胶。
优选地，所述荧光粉涂层的厚度为5μm～150μm。
优选地，所述第一金属键合层和第二金属键合层选自Ni层/Sn层、Ni层/Au层/Sn层、Au层/Sn层或单层的Au层。
优选地，所述金属键合层的厚度为100nm～5000nm。
优选地，所述N-GaN层的背离所述键合衬底的表面具有粗化结构。
本发明另一方面提供一种垂直结构发光二极管的制造方法，包括以下步骤：
提供一基板，在所述基板上依次形成未掺杂GaN缓冲层和发光外延结构，所述发光外延结构包括依次层叠于所述未掺杂GaN缓冲层上的N-GaN层、活性层、P-GaN层；
在所述发光外延结构的P-GaN层的背离所述基板的一侧依次形成透明导电层、反射层、金属阻挡层和第一金属键合层；
提供一键合衬底，在所述键合衬底的相对的两面上分别形成第二金属键合层和P电极；
将所述基板上的第一金属键合层与所述键合衬底上的第二金属键合层键合形成金属键合层；
移除所述基板和未掺杂GaN缓冲层，露出所述发光外延结构；
在所述发光外延结构的N-GaN层的背离所述键合衬底的部分表面形成N电极，并在所述N电极的背离所述键合衬底的至少部分表面形成保护层；
在所述发光外延结构的N-GaN层的背离所述键合衬底的至少部分表面形成荧光粉涂层；
移除所述保护层，露出所述N电极，得到所述垂直结构发光二极管。
优选地，在移除所述基板和未掺杂GaN缓冲层后，还包括，在垂直于所述键合衬底的表面方向上，刻蚀部分所述发光外延结构、部分透明导电层和部分反射层，形成所述发光外延结构的芯片沟道。
优选地，在形成所述发光外延结构的芯片沟道后，还包括，对所述发光外延结构的N-GaN层的背离所述键合衬底的表面进行粗糙化处理。
优选地，在所述发光外延结构的N-GaN层的部分上表面形成荧光粉涂层时，所述荧光粉涂层还覆盖所述N电极的背离所述键合衬底的至少部分表面和保护层的背离所述键合衬底的表面；
在移除所述保护层之前，还包括对所述荧光粉涂层进行平坦化处理，以露出所述保护层。
与现有技术相比，本发明提供的垂直结构发光二极管及其制造方法至少具有以下有益效果：
一方面，通过在键合衬底上设置第一金属键合层和第二金属键合层，能够显著增强键合衬底与金属阻挡层的连接强度，避免将金属键合层直接键合在键合衬底上时，高温破坏反射层或透明导电层与P型GaN的接触特性；另一方面，通过在金属键合层和反射层之间设置金属阻挡层，能够有效避免第一金属键合层和第二金属键合层的键合温度对反射层或透明导电层造成影响。此外，通过设置荧光粉涂层，能够得到白光垂直结构发光二极管。
附图说明
图1为本发明实施例的垂直结构发光二极管的结构示意图；
图2为本发明实施例的金属阻挡层的结构示意图；
图3A～图3L为本发明实施例的垂直结构发光二极管的制造过程示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
本发明内所描述的表达位置与方向的词，均是以附图为例进行的说明，但根据需要也可以做出改变，所做改变均包含在本发明保护范围内。
请参照图1，本发明提供一种垂直结构发光二极管1，包括：键合衬底10、金属键合层20、金属阻挡层30、反射层40、透明导电层50、发光外延结构60、N电极70、荧光粉涂层90和P电极80。
其中，键合衬底10优选由高热导率材料制成，可选地，高热导率材料包括但不限于硅(Si)、铜(Cu)、钼(Mo)、铜钼(CuMo)。
金属键合层20位于键合衬底10上，包括第一金属键合层21和第二金属键合层22，与现有技术采用导电聚合物作为键合层材料相比，本发明的金属键合层20能够显著增强键合衬底10与金属阻挡层30的连接强度，随时间变化不会发生老化等现象。
其中，第一金属键合层21和第二金属键合层22用于在制造垂直结构发光二极管1时，将分别位于基板上的第一金属键合层21和位于键合衬底10上的第二金属键合层22进行键合并连接在一起，第一金属键合层21和第二金属键合层22的键合温度低于将金属键合层20直接键合在键合衬底10上的温度，因此，本发明通过设置第一金属键合层21和第二金属键合层22，能够避免将金属键合层20直接键合在键合衬底10上时，高温破坏反射层40或透明导电层50与P型GaN的接触特性。
在一较佳实施例中，第一金属键合层21和第二金属键合层22选自Ni层/Sn层、Ni层/Au层/Sn层、Au层/Sn层或单层的Au层，其中，Ni层/Sn层表示第一金属键合层21或第二金属键合层22均是由Ni层和Sn层经层叠形成。由上述材料制成的第二金属键合层22一方面在与键合衬底10键合时具有较高的连接强度，另一方面，与第一金属键合层21键合时，由于材料相同或性质接近，因此键合强度高。为保证金属键合层20的键合强度，在一较佳实施例中，金属键合层20的厚度为100nm～5000nm，其中，第一金属键合层21和第二金属键合层22的厚度可以相同，也可以不相同，具体厚度可根据需要进行调整。
在制造垂直结构发光二极管1时，虽然第一金属键合层21和第二金属键合层22的键合温度低于将金属键合层20直接键合在键合衬底10上的温度，但第一金属键合层21和第二金属键合层22的键合温度仍可能比较高。为进一步降低第一金属键合层21和第二金属键合层22的键合温度破坏反射层40或透明导电层50与P型GaN的接触特性，在金属键合层20和反射层40之间设置金属阻挡层30。该金属阻挡层30由高熔点金属材料制成，一方面能够有效避免第一金属键合层21和第二金属键合层22的键合温度对反射层40或透明导电层50造成影响，另一方面能够有效避免第一金属键合层21和第二金属键合层22键合时，第一金属键合层21和第二金属键合层22的金属热扩散到反射层40。
在一较佳实施例中，如图2所示，金属阻挡层30包括交替层叠的第一金属阻挡层31和第二金属阻挡层32。由于由单一材料制成的金属阻挡层30可能对反射层40和透明导电层50的保护作用不足，通过采用交替层叠的第一金属阻挡层31和第二金属阻挡层32，能够进一步增强金属阻挡层30对反射层40和透明导电层50的保护强度。
进一步地，第一金属阻挡层31的材料选自钨钛合金(TiW)，第二金属阻挡层32的材料选自铂(Pt)或钛(Ti)。其中，铂的熔点高达1768度，钛的熔点高达1668度，钨钛合金的熔点更是高达3400度以上，因此，采用这些材料的金属阻挡层30一方面能够对反射层40和透明导电层50的起到较强的保护作用，另一方面，在第一金属键合层21和第二金属键合层22键合时，即使第一金属阻挡层31和第二金属阻挡层32的温度升高到一定温度，由于远远低于第一金属阻挡层31和第二金属阻挡层32的熔点，因此，第一金属阻挡层31和第二金属阻挡层32也不会发生扩散，对反射层40和透明导电层50不会造成影响。
进一步地，第一金属阻挡层31的厚度为50～200nm，第二金属阻挡层32的厚度为20～100nm。在该厚度范围下，金属阻挡层30可以包括1至5层的第一金属阻挡层31和1至5层的第二金属阻挡层32，在一个具体实施例中，金属阻挡层30是由3层第一金属阻挡层31和3层第二金属阻挡层32经交替层叠形成。
反射层40位于金属阻挡层30的背离键合衬底10的一侧，其作用在于将发光外延结构60中的活性层62向下出射的光向上反射至N-GaN层63，并向外出射，从而提高垂直结构发光二极管1的出光效率。反射层40通常选用具有高反射率的金属材料，可选地，反射层40的材料选自铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铝(Al)、钛(Ti)、铱(Ir)、铑(Rh)中的一种或多种，优选银或铝。可选地，反射层40的厚度是10nm～500nm。
透明导电层50位于反射层40的背离键合衬底10的一侧，透明导电层50与P-GaN层61形成欧姆接触，以降低接触电阻值。透明导电层50不仅要具有良好的导电性，而且需要具有良好的透明性，可选地，透明导电层50的材料选自氧化铟锡(ITO)、镍(Ni)、金(Au)、氧化镓(Ga2O3)、氧化铟(In2O3)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO2)、氧化镁(MgO)中的至少一种，优选氧化铟锡。透明导电层50的厚度可以根据需要进行设置，典型地，其厚度在1nm～500nm范围内。
发光外延结构60位于透明导电层50的背离键合衬底10的一侧，包括依次层叠的P-GaN层61、活性层62和N-GaN层63。本发明不限制发光外延结构60的材料和厚度，均可采用已知技术，在此不予赘述。
在一较佳实施例中，N-GaN层63的背离键合衬底10的表面具有粗化结构，以提高光提取效率。
N电极70位于N-GaN层63的背离键合衬底10的一侧，并覆盖N-GaN层63的背离键合衬底10的部分表面，本发明不限制N电极70的材料，在一个实施例中，N电极70结构可以是Cr/Pt/Au、Cr/Al/Pt/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ti/Pt/Au、Ti/Al/Pt/Au等复合电极中的一种，其厚度可以是1000nm～5000nm。
荧光粉涂层90位于N-GaN层63的背离键合衬底10的一侧，并覆盖N-GaN层63的背离键合衬底10的至少部分表面，本实施例中，荧光粉涂层90还覆盖N电极70的背离键合衬底10的部分表面，通过设置荧光粉涂层90，发光外延结构60发出的光照射该荧光粉涂层90而激发成白光。在一较佳实施例中，荧光粉涂层的材料包括荧光粉和基材，其中，荧光粉选自黄色荧光粉、红色荧光粉、绿色荧光粉中的至少一种，基材用于分散荧光粉，形成分布均匀的涂层，基材优选硅胶。形成的荧光粉涂层的厚度可以是5μm～150μm。
P电极80位于键合衬底10的背离发光外延结构60的一侧，本发明不限制P电极80的材料，在一个实施例中，P电极80的材料选自金(Au)、镍(Ni)、银(Ag)、铜(Cu)、铂(Pt)、铬(Cr)、锌(Zn)、钯(Pd)、铝(Al)、钛(Ti)、XX中的一种，或由上述材料中的至少两种组成的合金，如镍金合金、铝钛钯金合金、铬钯金合金、金锌合金、钛铂合金。
请参照图3A～图3H，本发明另一方面提供一种垂直结构发光二极管1的制造方法，包括以下步骤：
(1)如图3A所示，提供一基板100，在该基板100上依次形成未掺杂GaN缓冲层200和发光外延结构60，发光外延结构60包括依次层叠于未掺杂GaN缓冲层200上的N-GaN层63、活性层62、P-GaN层61。
(2)如图3B所示，在发光外延结构60的P-GaN层61的背离键合衬底10的一侧上通过蒸镀或溅射等方法依次形成透明导电层50、反射层40、金属阻挡层30和第一金属键合层21。
(3)如图3C所示，提供一键合衬底10，在键合衬底10的相对的两面上通过蒸镀或溅射等方法分别形成第二金属键合层22和P电极80。
(4)如图3D所示，通过高温高压方法将基板100上的第一金属键合层21与键合衬底10上的第二金属键合层22键合形成金属键合层20。
步骤(4)中键合时的温度范围为150℃～400℃，压力为2000mbar～20000mbar。该键合温度通常低于将金属键合层20直接键合在键合衬底10上的温度，同时由于金属阻挡层30的保护作用，因此，能够防止高温破坏反射层40或透明导电层50与P型GaN的接触特性，同时，金属键合层20具有较高的键合强度，在使用过程中能够防止键合衬底10脱落或剥离。
(5)如图3E和图3F所示，移除基板100和未掺杂GaN缓冲层200，露出发光外延结构60。
可以通过两步移除基板100和未掺杂GaN缓冲层200，具体地说，首先，可以采用激光剥离技术将位于未掺杂GaN缓冲层200上的基本移除，然后，采用电感耦合等离子体(ICP)等方法刻蚀未掺杂GaN缓冲层200，从而移除未掺杂GaN缓冲层200。
在一较佳实施例中，如图3G所示，步骤(5)还包括，在移除基板100和未掺杂GaN缓冲层200后，在垂直于键合衬底10的表面方向上，刻蚀部分发光外延结构60、部分透明导电层50和部分反射层40，采用电感耦合等离子体(ICP)等方法形成发光外延结构60的芯片沟道，由此形成多个独立的发光外延结构60。
进一步地，如图3H所示，步骤(5)还包括，在形成发光外延结构60的芯片沟道后，对发光外延结构60的N-GaN层63的背离键合衬底10的表面进行粗糙化处理，形成粗糙结构，以提高光提取效率。粗糙化处理可采用KOH或NaOH溶液对N-GaN层63的背离键合衬底10的表面进行电化学刻蚀的方法进行。
(6)如图3H和图3I所示，在发光外延结构60的N-GaN层63的背离键合衬底10的部分表面通过蒸镀等方法形成N电极70，并在N电极70的背离键合衬底10的至少部分表面形成保护层300。
本实施例中，发光外延结构60的芯片沟道中也设置有保护层300。在一个实施例中，保护层300是由光刻胶形成。
(7)如图3J所示，在发光外延结构60的N-GaN层63的背离键合衬底10的至少部分表面形成荧光粉涂层90，该荧光粉涂层90覆盖N-GaN层63的背离键合衬底10的至少部分表面。
本实施例中，荧光粉涂层90还填充了芯片沟道。
在一较佳实施例中，步骤(7)中，在发光外延结构60的N-GaN层63的背离键合衬底10的至少部分表面形成荧光粉涂层90时，荧光粉涂层90还覆盖N电极70的背离键合衬底10的部分上表面和保护层300的背离键合衬底10的表面；如图3K所示，在步骤(8)移除保护层300之前，还包括对荧光粉涂层90进行平坦化处理，以露出保护层300。
(8)如图3L所示，移除所述保护层300，露出N电极70，得到如图1所示的垂直结构发光二极管1。
垂直结构发光二极管1中设置有芯片沟道时，可通过沿该芯片沟道进行切割得到晶圆级白光垂直结构发光二极管。
需要说明的是，上述垂直结构发光二极管1的制造方法的各步骤的编号仅便于说明制造方法，具体的实施过程并非完全按照步骤(1)至(8)的顺序进行，根据需要也可以进行调整。例如，也可以先进行步骤(3)，在键合衬底10的相对的两面上通过蒸镀或溅射等方法分别形成第二金属键合层22和P电极80，然后进行步骤(1)至(2)，上述改变均包括在本发明范围内。
本发明提供的一种垂直结构发光二极管及其制造方法，一方面，通过在键合衬底上设置第一金属键合层和第二金属键合层，能够显著增强键合衬底与金属阻挡层的连接强度，避免将金属键合层直接键合在键合衬底上时，高温破坏反射层或透明导电层与P型GaN的接触特性；另一方面，通过在金属键合层和反射层之间设置金属阻挡层，能够有效避免第一金属键合层和第二金属键合层的键合温度对反射层或透明导电层造成影响。此外，通过设置荧光粉涂层，能够得到白光垂直结构发光二极管。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (16)
1.一种垂直结构发光二极管，其特征在于，包括：
键合衬底；
金属键合层，包括依次位于所述键合衬底上的第二金属键合层和第一金属键合层；
金属阻挡层，位于所述金属键合层的背离所述键合衬底的一侧；
反射层，位于所述金属阻挡层的背离所述键合衬底的一侧；
透明导电层，位于所述反射层的背离所述键合衬底的一侧；
发光外延结构，包括依次层叠于所述透明导电层的背离所述键合衬底的一侧的P-GaN层、活性层、N-GaN层；
N电极，位于所述N-GaN层的背离所述键合衬底的一侧，并覆盖所述N-GaN层的背离所述键合衬底的部分表面；
荧光粉涂层，位于所述N-GaN层的背离所述键合衬底的一侧，并覆盖所述N-GaN层的背离所述键合衬底的至少部分表面；
P电极，位于所述键合衬底的背离所述发光外延结构的一侧上。
2.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述金属阻挡层包括交替层叠的第一金属阻挡层和第二金属阻挡层。
3.根据权利要求2所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述第一金属阻挡层的材料选自钨钛合金，所述第二金属阻挡层的材料选自铂或钛。
4.根据权利要求2所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述第一金属阻挡层的厚度为50～200nm，所述第二金属阻挡层的厚度为20～100nm。
5.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述荧光粉涂层还覆盖所述N电极的背离所述键合衬底的部分表面。
6.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述荧光粉涂层的材料包括荧光粉和基材。
7.根据权利要求6所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述荧光粉选自黄色荧光粉、红色荧光粉、绿色荧光粉中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述基材为硅胶。
9.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述荧光粉涂层的厚度为5μm～150μm。
10.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述第一金属键合层和第二金属键合层选自Ni层/Sn层、Ni层/Au层/Sn层、Au层/Sn层或单层的Au层。
11.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述金属键合层的厚度为100nm～5000nm。
12.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述N-GaN层的背离所述键合衬底的表面具有粗化结构。
13.一种垂直结构发光二极管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一基板，在所述基板上依次形成未掺杂GaN缓冲层和发光外延结构，所述发光外延结构包括依次层叠于所述未掺杂GaN缓冲层上的N-GaN层、活性层、P-GaN层；
在所述发光外延结构的P-GaN层的背离所述基板的一侧依次形成透明导电层、反射层、金属阻挡层和第一金属键合层；
提供一键合衬底，在所述键合衬底的相对的两面上分别形成第二金属键合层和P电极；
将所述基板上的第一金属键合层与所述键合衬底上的第二金属键合层键合形成金属键合层；
移除所述基板和未掺杂GaN缓冲层，露出所述发光外延结构；
在所述发光外延结构的N-GaN层的背离所述键合衬底的部分表面形成N电极，并在所述N电极的背离所述键合衬底的至少部分表面形成保护层；
在所述发光外延结构的N-GaN层的背离所述键合衬底的至少部分表面形成荧光粉涂层；
移除所述保护层，露出所述N电极，得到所述垂直结构发光二极管。
14.根据权利要求13所述的垂直结构发光二极管的制造方法，其特征在于，在移除所述基板和未掺杂GaN缓冲层后，还包括，在垂直于所述键合衬底的表面方向上，刻蚀部分所述发光外延结构、部分透明导电层和部分反射层，形成所述发光外延结构的芯片沟道。
15.根据权利要求14所述的垂直结构发光二极管的制造方法，其特征在于，在形成所述发光外延结构的芯片沟道后，还包括，对所述发光外延结构的N-GaN层的背离所述键合衬底的表面进行粗糙化处理。
16.根据权利要求13所述的垂直结构发光二极管的制造方法，其特征在于，在所述发光外延结构的N-GaN层的背离所述键合衬底的至少部分表面形成荧光粉涂层时，所述荧光粉涂层还覆盖所述N电极的背离所述键合衬底的部分表面和保护层的背离所述键合衬底的表面；
在移除所述保护层之前，还包括对所述荧光粉涂层进行平坦化处理，以露出所述保护层。
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