CN106784185B - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管的制作方法，包括步骤：提供一外延结构，依次包含生长衬底、第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；在第二类型半导体层的表面上定义焊盘电极区和扩展电极区，并在扩展电极区上依次形成金属掩膜层和扩展电极，金属掩膜层的面积完全覆盖扩展电极区并向外延伸，金属掩膜层的面积＞扩展电极的面积；提供一临时基板，将其与外延结构接合，并去除生长衬底，裸露出第一类型半导体层的表面；提供一导电基板，将其与外延结构接合，移除所述临时基板，裸露出部分第二类型半导体层的表面、部分金属掩膜层和扩展电极；采用化学蚀刻裸露出来的第二类型半导体层的表面，形成粗化表面；去除裸露出的金属掩膜层。

Description

发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体的说是一种发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管具有低能耗，高寿命，稳定性好，体积小，响应速度快以及发光波长稳定等良好光电特性，被广泛应用于照明、家电、显示屏及指示灯等领域。
现有发光二极管之增光工艺，常见地于器件出光表面制作粗化面以增进出光效率。在粗化蚀刻区域通常会避开焊盘电极与扩展电极等区域，以避免粗化面影响电极与扩展条的平坦面。一般常用工艺会使用光刻胶作为掩膜，将光刻胶覆盖在欲遮盖的地方，通常位在电极与扩展条的位置，并大于等于电极与扩展条的区域面积，接着再进行粗化工艺。但在采用基板转移技术制作高亮度发光二极管中，由于经过键合工艺的晶圆片会有不同的曲翘模式，键合前后的黄光对位常有错位的问题，使得扩展电极未受到良好的覆盖，导致粗化液蚀刻到电极扩展的下方，形成金属接触脆弱或脱落的风险。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种降低粗化侧蚀之发光二级管与制作方法。
本发明的技术方案为：发光二极管的制作方法，包括步骤：（1）提供一外延结构，依次包含生长衬底、第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；（2）在所述第二类型半导体层的表面上定义焊盘电极区和扩展电极区，并在所述扩展电极区上依次形成金属掩膜层和扩展电极，所述金属掩膜层的面积完全覆盖所述扩展电极区并向外延伸，所述金属掩膜层的面积＞扩展电极的面积；（3）提供一临时基板，将其与所述外延结构接合，并去除所述生长衬底，裸露出第一类型半导体层的表面；（4）提供一导电基板，将其与所述外延结构接合，移除所述临时基板，裸露出部分第二类型半导体层的表面、部分金属掩膜层和扩展电极；（5）采用化学蚀刻裸露出来的第二类型半导体层的表面，形成粗化表面；（6）去除裸露出的金属掩膜层。
优选地，所述步骤（2）中形成的金属掩膜层的厚度为10~200nm，更佳的为50~100nm。
优选地，所述步骤（2）中形成的金属掩膜层的边缘超出所述扩展电极的边缘至少2微米，较佳的为2~10微米。
优选地，所述步骤（2）中同时在所述焊盘电极区和扩展电极区形成金属掩膜层。
优选地，所述发光二极管的制作方法还包括步骤（7）：在所述第二类型半导体层的焊盘电极区形成焊盘电极。
优选地，所述步骤（2）中形成的金属掩膜层与所述第二类型半导体层形成欧姆接触。
优选地，所述步骤（2）中形成的金属掩膜层的材料选用Au、Cr、Ni、Ti或Pd，较佳选用Au。
优选地，所述步骤（2）中同时在所述焊盘电极区形成金属掩膜层和电极材料层，所述金属掩膜层与所述焊盘电极区重合，所述电极材料层的材料与所述扩展电极的材料一样。
本发明的另一技术方案为：发光二极管的制作方法，包括步骤：（1）提供一外延结构，依次包含生长衬底、第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；（2）在所述第二类型半导体层的表面上定义焊盘电极区和扩展电极区，并在所述扩展电极区上依次形成扩展电极和金属掩膜层，所述金属掩膜层的面积完全覆盖所述扩展电极区并向外延伸，所述金属掩膜层的面积＞扩展电极的面积；（3）提供一临时基板，将其与所述外延结构接合，并去除所述生长衬底，裸露出第一类型半导体层的表面；（4）提供一导电基板，将其与所述外延结构接合，移除所述临时基板，裸露出部分第二类型半导体层的表面和金属掩膜层；（5）采用化学蚀刻裸露出来的第二类型半导体层的表面，形成粗化表面；（6）去除金属掩膜层。
优选地，所述步骤（2）中形成的金属掩膜层的厚度为10~200nm，更佳的为50~100nm。
优选地，所述步骤（2）中形成的金属掩膜层的边缘超出所述扩展电极的边缘至少2微米，较佳的为2~10微米。
优选地，所述步骤（2）中同时在所述焊盘电极区和扩展电极区形成金属掩膜层。
优选地，所述发光二极管的制作方法还包括步骤（7）：在所述第二类型半导体层的焊盘电极区形成焊盘电极。
优选地，所述步骤（2）中形成的金属掩膜层与所述第二类型半导体层形成欧姆接触。
优选地，所述步骤（2）中形成的金属掩膜层的材料选用Au、Cr、Ni、Ti或Pd，较佳选用Cr。
在一些实施例中，所述步骤（2）中先扩展电极区形成扩展电极，然后在焊盘电极区的第二类型半导体层表面上和所述扩展电极上形成金属掩膜层。
在另一些实施例中，所述步骤（2）中仅在扩展电极区形成金属掩膜层，所述焊盘电极区不形成金属掩膜层，所述步骤（5）中先在所述焊盘电极区形成一光阻层掩膜层，再进行蚀刻，所述步骤（6）中还包括去除光阻掩膜层。
本发明所述发光二极管的制作方法，在键合工艺前先制作金属掩膜，延伸金属区域，将金属直接作为粗化掩膜层，减少错位及粗化侧蚀问题，提升发光二极管的质量及良率。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种使用根据本发明的方法制造的发光二极管结构。
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。
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，与本发明的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显示本发明实施例1的一种发光二极管的制作流程图。
图2~13显示了本发明实施例1的一种发光二极管的过程示意图。
图14显示本发明实施例2的一种发光二极管的制作流程图。
图15~24显示本发明实施例2的一种发光二极管的制作过程示意图。
图25~28显示本发明实施例3的一种发光二极管的制作过程部分示意图。
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。
图1显示了本发明第一个较佳实施例之一种发光二极管的制作流程图，其主要包括步骤S110~S160，下面以四元系发光二极管为例结合附图2~13进行详细说明。
步骤S110：提供生长衬底100，在其上形成发光外延结构120。其中生长衬底100较佳可采用III-V 族化合物半导体材料，例如砷化镓、磷化铟(InP)、磷化镓或蓝宝石，发光外延结构为常规外延结构即可，一般可包含n型半导体层、有源层和p型半导体层。具体的，首先提供成长基板100，再利用例如沉积方式直接在生长基板100 的表面上成长蚀刻终止层110。接下来，形成n型欧姆接触层121于蚀刻终止层101 上，其中n型欧姆接触层121 的材料例如可为砷化镓、磷化镓砷或磷化铝镓铟。接着，在n型欧姆接触层121上生长发光外延结构120，较佳的，发光外延结构120可以包括依序堆栈在n型欧姆接触层121 的表面上的n型限制层122、有源层123、p型限制层124以及窗口层125，如图2所示。其中，N型限制层122的材料例如可为砷化铝镓AlxGa1-xAs，x>0.4或磷化铝镓铟 (AlxGa1-x)yIn1-yP，x>0.4；p型限制层124的材料例如可为砷化铝镓(AlxGa1-xAs，x>0.4) 或磷化铝镓铟 (AlxGa1-x)yIn1-yP，x>0.4，有源层123 的材料例如可为磷化铝镓铟（(AlxGa1-x)yIn1-yP，x<0.5），窗口层125的材料例如可为磷化镓、磷化镓砷、砷化铝镓或磷化铝镓铟。
步骤S120：在发光外延结构的表面120a上定义电极区140，包括焊盘电极区140a和扩展电极区140b，如图3所示。接着，在电极区140上依次形成金属掩膜层130和电极材料层141，其中焊盘电极区140a上沉积的金属掩膜层130a、电极材料层141a基本与焊盘电极区130a重合，扩展电极区140b上沉积的金属掩膜层130b完全覆盖扩展电极区140b并向外延伸，金属掩膜层130b上的电极材料层141b作为扩展电极，与扩展电极区140b重合，即金属掩膜层130b的面积大于扩展电极141b的面积，如图4和5所示，其中图4为侧面剖视图，图5为俯视图。其中，电极材料层140可选用的材料可为金铍合金、金锌合金或铬金合金。金属掩膜层130需考虑以下因素：（1）能够在后续粗化流程中作为掩膜层保护扩电极141b，避免扩展电极141b下方被侧蚀，因此要求金属掩膜层130b的边缘超出扩展电极141的边缘，其超出的距离d至少达到2微米以上为宜，较佳值为2~5微米，例如扩展电极141b的宽度d1为6微米，金属掩膜层130b的宽度为10微米，金属掩膜层130b的边缘超出扩展电极141的边缘的距离d为2微米；（2）在完成粗制程后需将非电极区的金属掩膜层去除，因此金属掩膜层的厚度不宜太厚，并选用较易去除的材料，例如可选用Au等，厚度可取10~200nm，较佳为50~100nm；（3）由于金属掩膜层130位于外延层125与电极材料层141之间，需确保金属掩膜层130与发光外延结构120形成欧姆接触，因此需选用能与外延材料层形成欧姆接触的材料。在本实施例中金属掩膜层130选用Au，其既可与外延层形成良好的欧姆接触，又容易采用化学蚀刻液去除。
步骤S130：提供一临时基板200，利用接合层210将临时基板200与发光外延结构120接合，接着去除发光外延结构120上的生长衬底100，露出发n型半导体层的表面。具体的，可先将接合层210涂布在发光外延结构120的表面120a 的暴露部分、金属掩膜层130的暴露部分和电极材料层141上，再将临时基板200贴设在接合层210上，如图6所示；在另一个实施例中，也可先将接合层210涂布在临时基板200的表面上，再将接合层210贴合在发光外延结构120的表面120a、金属掩膜层130和电极材料层141，完成临时基板200与发光外延结构120的接合。接着，利用例如化学蚀刻法或研磨法移除生长衬底100，暴露出蚀刻终止层101，再利用化学蚀刻法或研磨法移除蚀刻终止层101，以暴露出n型欧姆接触层121，如图7所示。其中，贴合临时基板200的贴合温度控制在150~500℃之间（较佳为300℃以下），临时基板200的材料可为玻璃、硅、砷化镓等，接合层210的材料可为铅锡合金、金锗合金、金铍合金、金锡合金、锡、铟、钯铟合金、苯并环丁烯、环氧树脂、硅、聚亚酰胺或旋转涂布玻璃高分子，其中较佳采用苯并环丁烯或环氧树脂。
较佳的，在裸露出上的发光外延结构的表面上制作图案化的欧姆接触及反射镜结构。具体的，图案化n型欧姆接触层121，并暴露n型限制层122的表面，再形成n型欧姆接触金属层150在n型欧姆接触层121上，以改善组件的电性质量。其中，n型欧姆接触金属层150的材料例如可为金锗合金/ 金复合材料、金/ 金锗合金/ 金复合材料或金锗合金/ 镍/ 金复合材料。接着，在n型限制层122的表面的暴露部分上形成透明材料层161，其表面与n型欧姆接触金属层150的表面齐平。接下来，在透明材料层161和n型欧姆接触金属层150上形成反射金属层162，如图8所示。其中，透明材料层161和反射金属层162构成全方位反射结构。
步骤S140：提供一个导电基板180，利用接合层170将导电基板180与金属反射结构接合，如图9所示，接合层170的材料较佳可为铅锡合金、金锗合金、金铍合金、金锡合金、锡、铟、钯铟合金或硅。接着可利用蚀刻方式移除临时基板200与接合层210，而暴露出发光外延结构120的表面120a、金属掩膜层130和电极材料层141，如图10所示。
步骤S150：采用化学蚀刻裸露出来的窗口层125的表面，形成粗化表面，如图11所示。具体为：将至少10g I2碘粉加入到1600ml CH3COOH中，然后进行搅拌，待均匀后加热至40～45℃；接着待前述溶液持温稳定后，加入HF、HNO3和CH3COOH的混合液，其中各物质的体积比3：2：4，控温至35～40℃；接下来将前述发光外延结构放入配置完成的溶剂中，粗化时间1～2min。
步骤S160：粗化完成后，采用蚀刻去除裸露出的金属掩膜层130，如图12所示。较佳地，在发光外延结构的表面及扩展电极141b的表面上覆盖绝缘保护层190，接着在焊盘电极区140a上方的电极材料层141a上形成焊盘电极142，完成发光二极管的制作，如图13所示。
在本实施例中，首先将掩膜层制作提前至基板接合工艺前，减少黄光对位错位影响；其次采用金属作为掩膜层，在粗化过程中不会被蚀刻，同时可兼顾欧姆接触，解决扩展电极被蚀的问题，避免了金属接触脆弱或脱落的风险。
图14显示了本发明第二个较佳实施例之一种发光二极管的制作流程图，其主要包括步骤S210~S260。区别于第一个较佳实施例，在本实施例中，在步骤S220中在发光外延结构的扩展电极区141b先形成扩展电极141，接着在扩展电极141的表面上覆盖金属掩膜层130a，下面结合附图15-24进行详细说明。
首先，提供生长衬底100，在其上形成发光外延结构120，接着，在发光外延结构120的表面120a上定义焊盘电极区140a和扩展电极区140b，此部分参照第一个实施例即可。
接下来，先在发光外延结构表面120a的扩展电极区140b上形成扩展电极141，然后在发光外延结构表面120a的焊盘电极区140a和扩展电极141上形成金属掩膜层130，其中焊盘电极区140a上沉积的金属掩膜层130a、基本与焊盘电极区130a重合，扩展电极141上沉积的金属掩膜层130b完全包覆扩展电极141并向外延伸，金属掩膜层130b的面积大于扩展电极141b的面积，如图15和16所示，其中图15为侧面剖视图，图16为俯视图。其中，扩展电极141可选用的材料可为金铍合金、金锌合金或铬金合金。金属掩膜层130的厚度为50~100nm，其材料选用Cr，扩展电极141上的金属掩膜层130b的边缘超出扩展电极141的边缘，其超出的距离d至少达到2微米以上为宜，较佳值为2~5微米，例如扩展电极141b的宽度d1为6微米，金属掩膜层130b的宽度为10微米，金属掩膜层130b的边缘超出扩展电极141的边缘的距离d为2微米。
接下来，提供一临时基板200，利用接合层210将临时基板200与发光外延结构120接合，如图17所示，接着去除发光外延结构120上的生长衬底100，露出发n型欧姆接触层121的表面，如图18所示。接下来，在裸露出上的n型欧姆接触层121的表面上制作图案化的欧姆接触及反射镜结构，如图19所示。接下来，提供一个导电基板180，利用接合层170将导电基板200与金属反射结构接合，如图20所示。接下来，利用蚀刻方式移除临时基板200与接合层210，暴露出发光外延结构120的表面120a、金属掩膜层130，如图21所示。接下来，采用化学蚀刻裸露出来的窗口层125的表面，形成粗化表面，如图22所示。接下来，采用蚀刻去除金属掩膜层130，裸露出扩展电极141的表面及焊盘电极区140a的窗口层的表面，如图23所示。接下来，在发光外延结构的表面及扩展电极141的表面上覆盖绝缘保护层190，接着在焊盘电极区140a上方的依次形成高阻值的电流阻挡层143和焊盘电极143，完成发光二极管的制作，如图24所示。其中焊盘电极142与扩展电极141连接，当向焊盘电极142注放电流时，通过扩展电极141流向窗口层125。
在本实施例中，采用Cr作为粗化的掩膜层，首先Cr不会被粗化蚀刻液腐蚀，保证了其下方的区域不会被侧蚀；其次Cr为惰性金属，不会发生扩散，且不会对扩展电极等其他结构产生破坏；再者容易采用化学蚀刻去除。
图25~28显示了本发明第三个较佳实施例之一种发光二极管制作方法的部分过程示意图。作为第二个较佳实施例的一个变形，在步骤S220中仅在扩展电极区140b上形成金属掩膜层130，如图25和26所示；在完成S240步骤后，先在外延结构120的表面120a的焊盘电极区140a上形成一光阻层220作为掩膜层，如图27和28所示，再进行S250步骤作粗化处理；在S260步骤中分别采用不同的溶液去除光阻层220和金属掩膜层130，再在焊盘电极区制作焊盘电极。
通常较大功率垂直发光二极管芯片中，一般顶面的焊盘电极与焊盘电极会设计成回路，如图3所示，因此第一、第二较佳实施例中焊盘电极区和扩展电极区的金属掩膜层会形成一系列闭合回路，造成粗化过程中粗化液中的带电粒子做切割磁感线的运动，使得粗化液中不同电性的带电粒子在各自的磁场内按一定方向发生偏移，从而影响粗化效果。为避免前述问题，本实施例中仅在扩展电极区形成扩展电极和金属掩膜层，焊盘电极区采用光阻做了掩膜层，从而避免了焊盘电极区和扩展电极区形成闭合回路，使得粗化液中的带电粒子不会因为磁场作用做定向运动，而是随机自由运动，从而提高出面光的粗化比以提升LED光取出率。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的所有可能的实施方式。

Claims (14)

1.发光二极管的制作方法，包括步骤：
（1）提供一外延结构，依次包含生长衬底、第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；
（2）在所述第二类型半导体层的表面上定义焊盘电极区和扩展电极区，并在所述扩展电极区上依次形成金属掩膜层和扩展电极，所述金属掩膜层的面积完全覆盖所述扩展电极区并向外延伸，所述金属掩膜层的面积＞扩展电极的面积；
（3）提供一临时基板，将其与所述外延结构接合，并去除所述生长衬底，裸露出第一类型半导体层的表面；
（4）提供一导电基板，将其与所述外延结构接合，移除所述临时基板，裸露出部分第二类型半导体层的表面、部分金属掩膜层和扩展电极；
（5）采用化学蚀刻裸露出来的第二类型半导体层的表面，形成粗化表面；
（6）去除裸露出的金属掩膜层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中同时在所述焊盘电极区形成金属掩膜层和电极材料层，所述金属掩膜层与所述焊盘电极区重合，所述电极材料层的材料与所述扩展电极的材料一样。
3.根据权利要求1 所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中形成的金属掩膜层的厚度为10~200nm。
4.根据权利要求1 所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中，形成的金属掩膜层的边缘超出所述扩展电极的边缘至少2微米。
5.根据权利要求1 所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：还包括步骤（7）：在所述第二类型半导体层的焊盘电极区形成焊盘电极。
6.根据权利要求1 所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中形成的金属掩膜层的材料选用Au、Cr、Ni、Ti或Pd。
7.发光二极管的制作方法，包括步骤：
（1）提供一外延结构，依次包含生长衬底、第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层；
（2）在所述第二类型半导体层的表面上定义焊盘电极区和扩展电极区，并在所述扩展电极区上依次形成扩展电极和金属掩膜层，所述金属掩膜层的面积完全覆盖所述扩展电极区并向外延伸，所述金属掩膜层的面积＞扩展电极的面积；
（3）提供一临时基板，将其与所述外延结构接合，并去除所述生长衬底，裸露出第一类型半导体层的表面；
（4）提供一导电基板，将其与所述外延结构接合，移除所述临时基板，裸露出部分第二类型半导体层的表面和金属掩膜层；
（5）采用化学蚀刻裸露出来的第二类型半导体层的表面，形成粗化表面；
（6）去除金属掩膜层。
8.根据权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中先在扩展电极区形成扩展电极，然后在焊盘电极区的第二类型半导体层表面上和所述扩展电极上形成金属掩膜层。
9.根据权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中仅在扩展电极区形成金属掩膜层，所述焊盘电极区不形成金属掩膜层，所述步骤（5）中先在所述焊盘电极区形成一光阻层掩膜层，再进行蚀刻，所述步骤（6）中还包括去除光阻掩膜层。
10.根据权利要求7 所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中形成的金属掩膜层的厚度为10~200nm。
11.根据权利要求7 所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中，形成的金属掩膜层的边缘超出所述扩展电极的边缘至少2微米。
12.根据权利要求7 所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：还包括步骤（7）：在所述第二类型半导体层的焊盘电极区形成焊盘电极。
13.根据权利要求7 所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中形成的金属掩膜层的材料选用Au、Cr、Ni、Ti或Pd。
14.一种发光二极管，采用前述权利要求1-13中的任一项制作方法制得。
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