CN106571414A - 一种垂直结构led芯片的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种垂直结构LED芯片的制造方法，仅采用2道光刻工艺，即可完成垂直结构LED芯片的制造，大大简化垂直结构LED芯片的制造工艺，有效降低垂直结构LED芯片的制造难度和成本，使垂直结构LED芯片能实现工业化量产。

Description

一种垂直结构LED芯片的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体光电器件以及半导体照明制造领域，尤其是涉及一种垂直结构LED芯片的制造方法。
背景技术
LED（Light Emitting Diode，发光二极管）是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件，LED芯片具有耗电低、色度纯、寿命长、体积小、响应时间快、节能环保等诸多优势。近年来，随着对LED芯片研究的不断深入，LED芯片的发光效率得到的极大的提高，目前已经被广泛应用于显示等各个领域。
垂直结构LED芯片和水平结构LED芯片相比，具有电流分布均匀、散热好、电压低、效率高等优点。因此，垂直结构LED芯片被提出后，迅速受到广泛的关注，并取得了一系列的进展。但是，和水平结构LED芯片相比，垂直结构芯片的工艺整体流程较为复杂，光刻工艺步骤多（一般不少于7次，如：芯片尺寸定义光刻、P面反光镜光刻、P面沟道保护层光刻、U-GaN刻蚀保护光刻、N电极电流阻挡层光刻、N电极光刻、钝化保护层光刻），工艺控制难，从而影响垂直结构LED芯片的良率和稳定性，难以实现大规模量产。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种垂直结构LED芯片的制造方法，该制造方法仅采用2次光刻工艺，大大降低了工艺复杂度和成本，有利于垂直结构LED芯片实现大规模量产。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种垂直结构LED芯片的制造方法，包括：
S1：提供第一衬底，在所述第一衬底上依次形成缓冲层、发光结构，其中，所述发光结构包括依次形成的N型氮化镓层、有源层、P型氮化镓层；
S2：对所述发光结构进行激光切割，形成贯穿所述发光结构的具有倾斜角度的第一通孔；
S3：在所述发光结构表面及第一通孔内旋涂一层光敏性的绝缘材料，并对所述光敏性的绝缘材料进行刻蚀（第一次光刻），使所述光敏性的绝缘材料填充在所述第一通孔内；
S4：在所述发光结构及所述第一通孔表面依次形成金属反射层、扩散阻挡层和金属支撑层；
S5：将所述第一衬底与所述发光结构分开，去除所述第一通孔内的光敏性的绝缘材料；
S6：在所述发光结构表面及所述第一通孔侧壁形成一绝缘层，并对所述绝缘层进行刻蚀，形成贯穿所述绝缘层并延伸至所述N型氮化镓层中的第二通孔（第二次光刻），并在所述第二通孔内填充金属层形成N型电极。
优选的，所述具有倾斜角度的第一通孔的角度范围在30-70度之间。
优选的，在形成所述P型氮化镓层之后，且对所述发光结构进行激光切割之前，还包括：在所述P型氮化镓层表面形成一层保护膜层。
优选的，在对所述发光结构进行激光切割之后，且在所述发光结构表面及第一通孔内旋涂一层光敏性的绝缘材料之前，还包括：将所述发光结构浸泡在加热的酸性溶液或碱性溶液中。
优选的，形成所述金属反射层的材料为Al、Ag、Pt、Ti、Ni中的一种或几种。
优选的，形成所述扩散阻挡层的材料为Ti、Pt、Au、W中的一种或几种。
优选的，所述金属支撑层是采用电镀工艺形成的。
优选的，形成所述金属支撑层的材料为Ni、Cu、Au、Mo、Mn、Sn中的一种或几种，其厚度范围约为40μm~500μm。
优选的，所述N型电极是采用电子束蒸镀、磁控溅射、电镀或化学镀工艺在所述第二通孔中沉积填充金属层形成的。
相对于现有技术，本发明提供的一种垂直结构LED芯片的制造方法，仅采用2道光刻工艺，即可完成垂直结构LED芯片的制造，大大简化垂直结构LED芯片的制造工艺，有效降低垂直结构LED芯片的制造难度和成本，使垂直结构LED芯片能实现工业化量产。
此外，利用激光切割的方法将发光结构切割成多个独立的发光微结构，具有一定倾斜角度的发光微结构能增大发其边缘的全反射临界角，提高发光结构发出的光子的溢出率，从而提高芯片的光强和出光效率；在第一通孔内填充光敏性的绝缘材料, 能有效防止在后续工艺过程中金属或者其他杂质渗入到第一通孔内而导致芯片的漏电或短路和有效缓冲后续激光剥离第一衬底时所产生的冲击力，提高芯片的良率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1-6为本发明实施例提供的垂直结构LED芯片制造工艺流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施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和功效。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修饰或改变。
请参阅附图。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形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
一种垂直结构LED芯片的制造方法，该方法包括以下步骤：
S1：提供第一衬底，在所述第一衬底上依次形成缓冲层、发光结构，其中，所述发光结构包括依次形成的N型氮化镓层、有源层、P型氮化镓层；
S2：对所述发光结构进行激光切割，形成贯穿所述发光结构的具有倾斜角度的第一通孔；
S3：在所述发光结构表面及第一通孔内旋涂一层光敏性的绝缘材料，并对所述光敏性的绝缘材料进行刻蚀（第一次光刻），使所述光敏性的绝缘材料填充在所述第一通孔内；
S4：在所述发光结构及所述第一通孔表面依次形成金属反射层、扩散阻挡层和金属支撑层；
S5：将所述第一衬底与所述发光结构分开，去除所述第一通孔内的光敏性的绝缘材料；
S6：在所述发光结构表面及所述第一通孔侧壁形成一绝缘层，并对所述绝缘层进行刻蚀，形成贯穿所述绝缘层并延伸至所述N型氮化镓层中的第二通孔（第二次光刻），并在所述第二通孔内填充金属层形成N型电极。
具体地，如图1所示，第一衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料，本实施例中优选第一衬底为蓝宝石衬底，在第一衬底10上形成缓冲层11，然后在缓冲层11表面形成发光结构20，即在第一衬底10上依次生长缓冲层11、N型氮化镓层201、有源层202和P型氮化镓层203。
具体的，如图2所示，采用激光切割的方式将发光结构切割，形成贯穿所述发光结构的具有倾斜角度的第一通孔21。其中，切割后的发光结构成多个独立的发光微结构。具体的，切割深度由第一通孔延伸至第一衬底的垂直深度的5-100um。同时，通过调整激光切割机发出的激光到发光结构的入射角度及焦距等参数，使切割后的发光结构形成具有一定倾斜角度的第一通孔，角度范围在30-70度之间。具有一定倾斜角度的第一通孔能增大发光微结构边缘的全反射临界角，提高发光结构发出的光子的溢出率，从而提高芯片的光强和出光效率。
在形成P型氮化镓层之后，且对发光结构进行激光切割之前，还包括：在P型氮化镓层表面形成一层保护膜层。具体的，利用旋涂或者薄膜生长的方式在P型氮化镓层表面形成一层保护膜，用于防止在激光切割过程中激光对P型氮化镓层表面造成损伤，并在激光切割形成第一通孔后，利用湿法工艺将P型氮化镓层表面的保护膜层去除。
具体的，如图3所示，在发光结构表面及第一通孔内旋涂一层光敏性的绝缘材料形成光刻图形，采用电感耦合等离子刻蚀工艺对光敏性的绝缘材料进行刻蚀，使光敏性的绝缘材料填充在第一通孔内, 以防止在后续工艺过程中金属或者其他杂质渗入到第一通孔内而导致芯片的漏电或短路。此外，在第一通孔内填充光敏性的绝缘材料能有效缓冲后续激光剥离第一衬底时所产生的冲击力，提高芯片的良率。
优选的，在对发光结构进行激光切割之后，且在发光结构表面及第一通孔内旋涂一层光敏性的绝缘材料之前，还包括：将发光结构浸泡在加热的酸性溶液或碱性溶液中，有效去除激光切割发光结构时在侧壁上所产生的激光灼烧生成物，有利于后续工艺的进行。
具体地，如图4所示，采用电子束蒸发或者磁控溅射工艺在P型氮化镓层203上沉积形成金属反射层30，所述金属反射层30由Al、Ag、Pt、Au、Ti或其合金构成，其厚度的范围约为100nm~500nm，而后将第一衬底放置在惰性气体的环境中进行快速退火，以使金属反射层之间发生金属间扩散，从而增强金属反射层的结构强度。然后，采用电子束蒸发工艺或者磁控溅射工艺在金属反射层30表面形成扩散阻挡层40，所述扩散阻挡层40由Ti、Pt、Au、W或其合金构成，以防止金属反射层中的金属离子扩散而形成漏电流，影响LED芯片的性能。
通过电镀工艺在扩散阻挡层40的表面形成金属支撑层50，并将第一衬底10与发光结构20剥离分开。其中，所述金属支撑层50的材料可以为Ni、Cu、Au、Mo、Co中的一种或几种构成的合金，其厚度范围约为40μm~500μm。
在电镀金属支撑层50时，可以通过调节电镀速率和镀液成分，形成不同结构、成分和硬度的金属支撑层50，用以消除由于发光结构30和扩散阻挡层40以及金属支撑层50之间，由于膨胀系数不同而产生的内应力。电镀形成金属支撑层50后，低温退火10min~100min，进一步消除介质层之间的内应力，减少后续工艺中第一衬底剥离后，由于内应力而产生的金属层翘曲。
优选的，在散阻挡层形成之后，且在金属支撑层形成之前，还包括：采用电子束蒸发或者磁控溅射工艺在扩散阻挡层40的表面形成均匀致密的金属种子层40，并进行充分退火，以保证金属种子层40的良好的欧姆接触，使形成的金属种子层40与后续形成的金属支撑层50之间的导电性能较优，其中，所述金属种子层40可以由Pd、Pt、Au、W、Ni、Ta、Co、Ti中的一种或多种金属的合金构成，其厚度范围约为100nm~500nm。
具体的，如图5所示，形成金属支撑层50后，对所述金属支撑层50进行研磨和抛光，以适应后续工艺的需要，然后采用研磨、湿法刻蚀或KrF紫外线准分子激光器将第一衬底10剥离，使所述第一衬底10与缓冲层11分开，并采用盐酸或稀碱溶液将发光结构表面残留的缓冲层去除。此外，采用化学药液将填充在第一通孔内的光敏性的绝缘材料去除，使第一通孔暴露出来。
再采用电感耦合等离子或者湿法腐蚀工艺对分离之后的缓冲层11进行刻蚀，去除N型氮化镓层201表面的损伤层和不导电层，然后采用湿法腐蚀工艺对N型氮化镓层201进行表面粗化工艺，以形成粗糙的表面。所述表面粗化工艺是利用KOH、NaOH、Ba(OH)2中的一种或几种溶液对表面进行腐蚀，并需要利用波长在200nm~600um之间的光辐射辅助腐蚀。
具体地，如图6所示，采用等离子体增强化学气相沉积工艺，在发光结构20的表面及第一通孔21侧壁沉积绝缘层60，所述绝缘层60可以由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种或几种形成的一层或多层介质膜构成，保护芯片的结构，提高芯片可靠性。采用电感耦合等离子或BOE湿法刻蚀工艺，对所述绝缘层60进行刻蚀，形成贯穿所述绝缘层60并延伸至N型氮化镓层201中的第二通孔。
形成第二通孔后，采用电子束蒸镀、磁控溅射、电镀或化学镀工艺中的一种或几种，在所述第一通孔中沉积薄膜形成填充金属层，继而形成与N型氮化镓层电连接的N型电极1。
最后采用正切或背切的方法对芯片进行切割，将切割好的芯粒进行光电参数的测试和分选，将合格的芯粒进行后续的封装等工艺后，形成成品的LED芯片或LED发光器件。
本实施例提供的一种垂直结构LED芯片的制造方法，仅采用2道光刻工艺，即可完成垂直结构LED芯片的制造，大大简化垂直结构LED芯片的制造工艺，有效降低垂直结构LED芯片的制造难度和成本，使垂直结构LED芯片能实现工业化量产。
此外，利用激光切割的方法将发光结构切割成多个独立的发光微结构，具有一定倾斜角度的发光微结构能增大发其边缘的全反射临界角，提高发光结构发出的光子的溢出率，从而提高芯片的光强和出光效率；在第一通孔内填充光敏性的绝缘材料, 能有效防止在后续工艺过程中金属或者其他杂质渗入到第一通孔内而导致芯片的漏电或短路和有效缓冲后续激光剥离第一衬底时所产生的冲击力，提高芯片的良率。
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这些实施例，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的范围。

Claims (9)

1.一种垂直结构LED芯片的制造方法，包括：
提供第一衬底，在所述第一衬底上依次形成缓冲层、发光结构，其中，所述发光结构包括依次形成的N型氮化镓层、有源层、P型氮化镓层；
对所述发光结构进行激光切割，形成贯穿所述发光结构的具有倾斜角度的第一通孔；
在所述发光结构表面及第一通孔内旋涂一层光敏性的绝缘材料，并对所述光敏性的绝缘材料进行刻蚀（第一次光刻），使所述光敏性的绝缘材料填充在所述第一通孔内；
在所述发光结构及所述第一通孔表面依次形成金属反射层、扩散阻挡层和金属支撑层；
将所述第一衬底与所述发光结构分开，去除所述第一通孔内的光敏性的绝缘材料；
在所述发光结构表面及所述第一通孔侧壁形成一绝缘层，并对所述绝缘层进行刻蚀，形成贯穿所述绝缘层并延伸至所述N型氮化镓层中的第二通孔（第二次光刻），并在所述第二通孔内填充金属层形成N型电极。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述具有倾斜角度的第一通孔的角度范围在30-70度之间。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，在形成所述P型氮化镓层之后，且对所述发光结构进行激光切割之前，还包括：在所述P型氮化镓层表面形成一层保护膜层。
4.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，在对所述发光结构进行激光切割之后，且在所述发光结构表面及第一通孔内旋涂一层光敏性的绝缘材料之前，还包括：将所述发光结构浸泡在加热的酸性溶液或碱性溶液中。
5.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，形成所述金属反射层的材料为Al、Ag、Pt、Ti、Ni中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，形成所述扩散阻挡层的材料为Ti、Pt、Au、W中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述金属支撑层是采用电镀工艺形成的。
8.根据权利要求7所述的LED芯片，其特征在于，形成所述金属支撑层的材料为Ni、Cu、Au、Mo、Mn、Sn中的一种或几种，其厚度范围约为40μm~500μm。
9.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述N型电极是采用电子束蒸镀、磁控溅射、电镀或化学镀工艺在所述第二通孔中沉积填充金属层形成的。
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