CN107195747A - 一种微米尺寸倒装led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微米尺寸倒装LED芯片及其制备方法，特点是制备LED的GaN外延层是台型结构，台型结构的台基和台面都呈圆台型，台基上分布有n‑电极圆环，台面顶部的边缘分布有电流扩展圆环，电流扩展材料在300℃的温度下不会发生离子扩散，电流扩展圆环顶部的边缘和台型结构的侧壁是钝化层，钝化层采用化学气相沉积介质绝缘层和周期数不小于1的分布布拉格反射镜层，台面顶部和钝化层侧壁覆盖p‑反射电极层。本发明可提高反射镜的反射率，同时避免反射电极层中的金属扩散导致的漏电现象，并且在光刻工艺中具有较大的对准容差。
Description
技术领域
本发明涉及可见光通信用LED芯片领域，具体涉及微米尺寸倒装LED芯片及其制备方法。
背景技术
在可见光通信领域，LED芯片的调制带宽是影响信息传输速率的重要因素。芯片的调制带宽主要由载流子复合寿命和RC常数决定，其中R和C分别是芯片的等效电阻和等效电容。采用微米尺寸LED芯片，一方面可降低等效电容、减小RC常数，另一方面可提高电流密度、降低少数载流子的复合寿命，从而提升芯片的调制带宽。然而，与普通大尺寸芯片相比，微米尺寸芯片的正/负电极面积与有源区发光面积的比值较高，电极遮挡导致发光效率下降的问题较为严重。为了降低电极遮挡的影响，需采用倒装LED芯片。
金属Ag是倒装芯片中常用的反射镜材料。一般地，在刻蚀平台结构暴露n-GaN层后，采用电子束蒸发在p-GaN层表面沉积金属Ag反射镜。由于Ag在高温下容易发生扩散，金属Ag反射镜的边界与平台边界必须有足够的距离。而且，一般地，还需在金属Ag的表面和侧壁制备防护层。受普通紫外光刻工艺对准误差的影响，防护层与平台边界还需一定的距离。因此，金属Ag边界与GaN平台边界的距离较大。对于普通大尺寸LED芯片，这个防护距离占芯片尺寸的比例较小，几乎可以忽略。但对于微米尺寸LED芯片，这个防护距离占芯片尺寸的比例较大，可能仅有70%左右的光被反射从衬底出射，而另外30%的光从没有金属Ag反射镜的区域从p-GaN层出射。
发明内容
本发明针对GaN基微米尺寸LED芯片，公开一种倒装LED芯片结构及其制备方法，提高反射镜的反射率，同时避免反射电极层中的金属扩散导致的漏电现象，并且在光刻工艺中具有较大的对准容差。
为实现上述目的，本发明至少采用下列技术方案之一。
一种微米尺寸倒装LED芯片，制备该LED芯片的GaN外延层是台型结构，台型结构的台基和台面都呈圆台型，台基上分布有n-电极圆环，台面顶部的边缘分布有电流扩展圆环，电流扩展圆环顶部的边缘和台型结构的侧壁设有钝化层，台面顶部和钝化层侧壁覆盖p-反射电极层。
进一步优化地，所述LED芯片是倒装结构，从下至上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、n-GaN层、量子阱层、p-GaN层、芯片边缘的电流扩展圆环，n-GaN层包括台基和台面，台基的上表面边缘设有n-电极层即所述n-电极圆环；芯片边缘的电流扩展圆环设在p-GaN层顶部的边缘，缓冲层、非故意掺杂GaN层、n-GaN层、量子阱层、p-GaN层、芯片边缘的电流扩展圆环、n-电极层一起叠成后的侧壁设有钝化层，芯片边缘的电流扩展圆环、n-电极层的上表面也设有钝化层，p-GaN层顶部除芯片边缘的电流扩展圆环外的部位被p-反射电极层覆盖，钝化层的外侧壁也被p-反射电极层覆盖。
进一步优化地，所述台面顶部的直径是微米数量级，数值为10 μm ~ 100 μm；所述圆台侧壁与底边的夹角的范围是20o-50o，优选值是GaN/空气界面的布儒斯特角。
进一步优化地，所述的GaN基微米尺寸倒装LED芯片，其特征是所述电流扩展圆环的外边界与台面顶部的边界的距离小于5 μm，所述电流扩展层在蓝光和绿光波段具有高透过率（能透过，且透过率越高越好），与GaN形成低欧姆接触电阻，且在300℃的温度下不会发生离子扩散。
进一步优化地，所述的GaN基微米尺寸倒装LED芯片，其特征是所述钝化层由介质绝缘层和分布布拉格反射镜层组成，所述分布布拉格反射镜的周期数不小于1，周期结构的低折射率材料/高折射率材料是SiO2/SiNx。
进一步优化地，所述的GaN基微米尺寸倒装LED芯片，其特征是所述p-反射电极层的结构形式是粘附层/反射层/阻挡层/保护层，所述粘附层是Ni、Cr、Ti中的一种，所述反射层是Ag、Al中的一种，所述阻挡层是Ni、Cr、Ti中的一种，所述保护层是Au、TiN中的一种。
本发明还提供所述的GaN基微米尺寸倒装LED芯片的制备方法，包括如下步骤：
（1）在LED的GaN外延层上沉积电流扩展层，并高温退火进行合金，再通过普通紫外光刻技术形成光刻胶掩模层，然后进行湿法腐蚀，并适当的侧向腐蚀使得电流扩展层的横向尺寸小于光刻胶掩模层的横向尺寸。
（2）以步骤（1）制备的光刻胶掩模层作为刻蚀台型结构的掩模层，通过干法刻蚀制备台面结构，暴露n-GaN层，然后去除光刻胶。
（3）在步骤（2）所述的台面结构上形成掩模层，掩模层的横向尺寸大于台面的横向尺寸，再进行干法刻蚀制备台基结构，暴露衬底，然后去除掩模层。
（4）通过普通紫外光刻技术和金属剥离技术在步骤（3）所述的台基上制备n-电极圆环。
（5）通过介质薄膜沉积技术在步骤（2）所述的台面结构和步骤（3）所述的台基结构的顶部和侧壁沉积钝化层；再通过普通紫外光刻技术形成光刻胶掩模层，掩模层在台面结构的顶部有一个圆形开口；然后对钝化层进行湿法腐蚀，并适当的侧向腐蚀，使得钝化层在台面结构顶部的圆形开口的横向尺寸大于掩模层圆形开口的横向尺寸。
（6）以步骤（5）制备的光刻胶掩模层作为掩模层，通过干法刻蚀电流扩展层，使得电流扩展层在台面结构的顶部有一个圆形开口，暴露电流扩展层下面的p-GaN层，然后去除光刻胶。
（7）通过普通紫外光刻技术和金属剥离技术在步骤（2）所述的台面结构的顶部和步骤（7-5）所述的钝化层的侧壁制备p-反射电极层。
进一步优化地，所述的GaN基微米尺寸倒装LED芯片的制备方法，其特征是所述步骤（3）的掩模层是光刻胶、介质层、介质层/光刻胶复合掩模层中的一种；所述介质层是SiO2和SiN中的一种，制备方法是化学气相沉积、电子束蒸发和磁控溅射中的一种；所述介质层/光刻胶复合掩模层的制备方法是，先沉积介质层再旋涂光刻胶，然后通过普通紫外光刻形成光刻胶掩模层，再对介质层进行湿法腐蚀，并适当的侧向腐蚀使得介质层的横向尺寸小于光刻胶掩模层的横向尺寸。
进一步优化地，所述的GaN基微米尺寸倒装LED芯片的制备方法，其特征是所述步骤（5）的钝化层由两步工艺制备，先采用化学气相沉积介质绝缘层，再采用光学镀膜机沉积分布布拉格反射镜层。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1、本发明制备的微米尺寸倒装LED芯片，外延层是台型结构，台型结构的台基和台面都呈圆台型，台面顶部和台型结构的侧壁覆盖钝化层和p-反射电极层。钝化层和p-反射电极层构成的全方位反射镜的覆盖范围广、反射率高。
2、本发明制备的微米尺寸倒装LED芯片，台面顶部的边缘是在后续工艺中不容易发生离子扩散的材料，且可形成高透过率低欧姆接触电阻的电流扩展圆环，而p-反射电极层与台面边界距离较远。因此，本发明既可以实现较好地电流扩展，又能避免反射电极层中的金属扩散导致的漏电现象。
3、本发明制备电流扩展层和刻蚀台面结构时共用光刻胶掩模层，钝化层和电流扩展层在台面结构顶部的圆形开口也共用光刻胶掩模层，不仅减少了工艺时间，而且避免了两步光刻工艺导致的套准误差；此外，由于p-反射电极层通过钝化层和电流扩展层在台面结构顶部的圆形开口与p-GaN层形成欧姆接触，p-反射电极层光刻工艺的对准容差由圆形开口与台面结构的套准误差决定。因此，本发明的对准容差大，适用于微米尺寸芯片的光刻工艺。
附图说明
图1是实例中一种微米尺寸倒装LED芯片结构的横截面示意图。
图2a~图2g是实例中一种微米尺寸倒装LED芯片的制备过程示意图。
图中，1、衬底，2、缓冲层，3、非故意掺杂GaN层，4、n-GaN层，5、量子阱层，6、p-GaN层，7、芯片边缘的电流扩展圆环，71、电流扩展层，8、n-电极层，9、钝化层，10、p-反射电极层，101、光刻胶圆盘型掩模，102光刻胶掩模层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。
对于一种微米尺寸倒装LED芯片结构，如图1所示，衬底1是蓝宝石材料，GaN外延层由缓冲层2、非故意掺杂GaN层3、n-GaN层4、量子阱层5、p-GaN层6组成。外延层是圆台型结构，在台面顶部边缘制备有ITO电流扩展圆环7，在台基n-GaN层上制备n-电极层8。在ITO电流扩展圆环7和台型结构的侧壁制备有钝化层9，而钝化层9是SiO2绝缘层和SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜复合结构。在台面顶部和钝化层9的侧壁制备有p-反射电极层10。
图2a~图2g是实例中一种微米尺寸倒装LED芯片的制备过程示意图。其中：图2a是制备电流扩展层71后的横截面示意图；图2b是刻蚀台型结构台面后的横截面示意图；图2c是刻蚀台型结构台基后的横截面示意图；图2d是制备n-电极层后的横截面示意图；图2e是沉积钝化层后的横截面示意图；图2f是制备电流扩展圆环后的横截面示意图；图2g是制备p-反射电极层后的横截面示意图。
本实例的制备方法如下。
首先采用电子束蒸发在LED的GaN外延层p-GaN层6上沉积ITO电流扩展层，厚度为120nm，并在550℃氧气环境快速退火90sec进行合金；接着在ITO层上采用光刻工艺形成光刻胶圆盘型掩模101，直径为30μm；然后采用ITO腐蚀液在35℃下湿法腐蚀5min，形成ITO圆盘71，直径为20μm；芯片横截面如图2a所示。
在105℃热板上烘烤5min后，通过感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀7min制备台面结构，形成GaN圆台，圆台上底直径25μm；然后采用丙酮超声去除光刻胶；芯片横截面如图2b所示。
再采用光刻工艺在台面结构上形成光刻胶圆盘型掩模，直径55μm；接着使用ICP干法刻蚀35min直至蓝宝石衬底，形成外延层的台基，台基下底直径45μm；然后采用丙酮超声去除光刻胶；芯片横截面如图2c所示。
随后采用负性光刻胶和普通紫外光刻技术，形成n-电极圆环的图案；利用电子束蒸发沉积Cr/Al/Ti/Au电极，厚度为1200nm；然后放入丙酮浸泡20min，并采用蓝膜撕金，形成n-电极圆环8；芯片横截面如图2d所示。
之后，采用等离子增强化学气相沉积在300℃沉积SiO2薄膜作为介质绝缘层，再采用光学镀膜机沉积SiO2/Si3N4分布布拉格反射镜，构成钝化层9；通过光刻工艺形成光刻胶掩模层102，掩模层在台面结构的顶部有一个圆形开口，开口直径为10μm；然后将采用HF酸对钝化层SiO2和SiO2/Si3N4进行湿法腐蚀，使得钝化层在台面结构顶部的圆形开口的横向尺寸为15μm；芯片横截面如图2e所示。
在105℃热板上烘烤5min后，通过感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀1min，使得ITO电流扩展层在台面结构的顶部有一个圆形开口，开口直径为10μm ，开口处暴露出p-GaN层6；然后采用丙酮超声去除光刻胶；芯片横截面如图2f所示。
最后采用负性光刻胶和普通紫外光刻技术，形成p-反射电极的图案；利用电子束蒸发沉积Cr/Al/Ti/Au电极，厚度为1200nm；然后放入丙酮浸泡20min，并采用蓝膜撕金，形成p-反射电极层10；芯片横截面如图2g所示。
如上即可较好完成所述微米尺寸倒装LED芯片的制备。
Claims (9)
1.一种微米尺寸倒装LED芯片，其特征是制备该LED芯片的GaN外延层是台型结构，台型结构的台基和台面都呈圆台型，台基上分布有n-电极圆环，台面顶部的边缘分布有电流扩展圆环，电流扩展圆环顶部的边缘和台型结构的侧壁设有钝化层，台面顶部和钝化层侧壁覆盖p-反射电极层。
2.如权利要求1所述的一种微米尺寸倒装LED芯片，其特征是LED芯片是倒装结构，从下至上依次包括衬底、缓冲层、非故意掺杂GaN层、n-GaN层、量子阱层、p-GaN层、芯片边缘的电流扩展圆环，n-GaN层包括台基和台面，台基的上表面边缘设有n-电极层即所述n-电极圆环；芯片边缘的电流扩展圆环设在p-GaN层顶部的边缘，缓冲层、非故意掺杂GaN层、n-GaN层、量子阱层、p-GaN层、芯片边缘的电流扩展圆环、n-电极层一起叠成后的侧壁设有钝化层，芯片边缘的电流扩展圆环、n-电极层的上表面也设有钝化层，p-GaN层顶部除芯片边缘的电流扩展圆环外的部位被p-反射电极层覆盖，钝化层的外侧壁也被p-反射电极层覆盖。
3.如权利要求1所述的一种微米尺寸倒装LED芯片，其特征是所述台面顶部的直径是微米数量级，数值为10 μm ~ 100 μm；所述圆台侧壁与底边的夹角的范围是20o-50o。
4.如权利要求1所述的一种微米尺寸倒装LED芯片，其特征是所述电流扩展圆环的外边界与台面顶部的边界的距离小于5 μm；所述电流扩展圆环即电流扩展层在蓝光和绿光波段具有高透过率，与GaN形成低欧姆接触电阻，且在300℃的温度下不会发生离子扩散。
5.如权利要求1所述的一种微米尺寸倒装LED芯片，其特征是所述钝化层由介质绝缘层和分布布拉格反射镜层组成，所述分布布拉格反射镜的周期数不小于1，周期结构的低折射率材料/高折射率材料是SiO2/SiNx。
6.如权利要求1所述的一种微米尺寸倒装LED芯片，其特征是所述p-反射电极层的结构形式依次为粘附层/反射层/阻挡层/保护层，所述粘附层是Ni、Cr、Ti中的一种，所述反射层是Ag、Al中的一种，所述阻挡层是Ni、Cr、Ti中的一种，所述保护层是Au、TiN中的一种。
7.制备如权利要求1所述一种微米尺寸倒装LED芯片的方法，其特征在于包括如下步骤：
（7-1）在LED的GaN外延层上沉积电流扩展层，并高温退火进行合金，再通过普通紫外光刻技术形成光刻胶掩模层，然后进行湿法腐蚀，并适当的侧向腐蚀使得电流扩展层的横向尺寸小于光刻胶掩模层的横向尺寸；
（7-2）以步骤（7-1）制备的光刻胶掩模层作为刻蚀台型结构的掩模层，通过干法刻蚀制备台面结构，暴露n-GaN层，然后去除光刻胶；
（7-3）在步骤（7-2）所述的台面结构上形成掩模层，掩模层的横向尺寸大于台面的横向尺寸，再进行干法刻蚀制备台基结构，暴露衬底，然后去除掩模层；
（7-4）通过普通紫外光刻技术和金属剥离技术在步骤（7-3）所述的台基上制备n-电极圆环；
（7-5）通过介质薄膜沉积技术在步骤（7-2）所述的台面结构和步骤（7-3）所述的台基结构的顶部和侧壁沉积钝化层；再通过普通紫外光刻技术形成光刻胶掩模层，掩模层在台面结构的顶部有一个圆形开口；然后对钝化层进行湿法腐蚀，并适当的侧向腐蚀，使得钝化层在台面结构顶部的圆形开口的横向尺寸大于掩模层圆形开口的横向尺寸；
（7-6）以步骤（7-5）制备的光刻胶掩模层作为掩模层，通过干法刻蚀电流扩展层，使得电流扩展层在台面结构的顶部有一个圆形开口，暴露电流扩展层下面的p-GaN层，然后去除光刻胶；
（7-7）通过普通紫外光刻技术和金属剥离技术在步骤（7-2）所述的台面结构的顶部和步骤（7-5）所述的钝化层的侧壁制备p-反射电极层。
8.如权利要求7所述的方法，其特征是所述步骤（7-3）的掩模层是光刻胶、介质层、介质层/光刻胶复合掩模层中的一种；所述介质层是SiO2和SiN中的一种，掩模层制备方法是化学气相沉积、电子束蒸发和磁控溅射中的一种；所述介质层/光刻胶复合掩模层的制备方法是，先沉积介质层再旋涂光刻胶，然后通过普通紫外光刻形成光刻胶掩模层，再对介质层进行湿法腐蚀，并适当的侧向腐蚀使得介质层的横向尺寸小于光刻胶掩模层的横向尺寸。
9.如权利要求7所述的方法，其特征是所述步骤（7-5）的钝化层由两步工艺制备，先采用化学气相沉积介质绝缘层，再采用光学镀膜机沉积分布布拉格反射镜层。
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