CN108133984A - 一种垂直结构发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种垂直结构发光二极管及其制作方法，所述制作方法包括：提供蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上直接形成LED外延结构，再通过在衬底背离LED外延结构的表面采用楔形刀切割形成楔形槽，使得第一电极能够直接形成在蓝宝石衬底上，并通过楔形槽与欧姆接触层电性连接，一方面，无需通过键合工艺实现在蓝宝石衬底上形成LED外延结构，降低了工艺复杂度，节省了LED制作成本；另一方面，由于在蓝宝石衬底上生长LED外延结构的晶体质量较高，能够保证LED的量子效率，使得LED具有较高的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种垂直结构发光二极管及其制作方法。
背景技术
LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。根据使用功能的不同，可以将其划分为信息显示、信号灯、车用灯具、液晶屏背光源、通用照明五大类。
随着发光二极管的快速发展，LED的应用日新月异。提高发光二极管的光电转换效率及降低制造成本是LED技术发展的两大方向。为提高LED的光电转换效率，现有技术中通常采用垂直结构LED实现，垂直结构LED中由于出光面的遮挡部分减小，LED的外量子效率有效提高。
为了进一步提高LED的光电转换效率，通常采用蓝宝石衬底并结合剥离键合工艺，由于蓝宝石衬底上形成外延结构，外延结构的适配度较低，晶体质量较好，LED的光电转换效率能够大幅提升，然而，采用蓝宝石衬底结合剥离键合工艺的制作方法工艺复杂，造成LED制作成本较高。
现有技术中还提供一种制作成本较低的制作工艺，通常采用硅衬底，在硅衬底上直接外延生长LED的外延结构，由于无需采用剥离键合工艺，使得LED制作工艺简单，但是生长的外延层失配度大，晶体质量比较差，使得LED光电转换效率较低。
因此，如何提供一种工艺简单，且晶体质量较好、光电转换效率较高的LED成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种垂直结构发光二极管及其制作方法，以解决现有技术中低工艺复杂度和高光电转换效率之间矛盾的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种垂直结构发光二极管制作方法，包括：
提供蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上形成LED外延结构；所述LED外延结构沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次包括：欧姆接触层、第一型导电层、有源区、第二型导电层；
在所述LED外延结构背离所述蓝宝石衬底的表面形成隔离槽；
在所述第二型导电层上形成第二电极，所述第二电极与所述第二型导电层电性连接；
在所述第二电极背离所述蓝宝石衬底的表面粘结临时基板；
采用楔形刀在所述衬底背离所述LED外延结构的表面形成楔形槽，将所述蓝宝石衬底分为多个区域，所述楔形槽的底面位于所述欧姆接触层，且在沿相邻两个蓝宝石衬底中心连线的截面内，所述楔形槽的中心线与所述隔离槽的中心线重叠，所述楔形槽的底面宽度小于所述楔形槽的开口宽度，且所述楔形槽的底面宽度大于所述隔离槽的底面宽度；
在所述蓝宝石衬底表面形成第一电极，所述第一电极与所述欧姆接触层电性连接；
去除所述临时基板，形成多个分离的发光二极管。
优选地，所述隔离槽延伸至所述欧姆接触层背离所述蓝宝石衬底的表面。
优选地，在形成第一电极之前还包括：
形成金属反射层，所述第一电极与所述欧姆接触层通过所述金属反射层电性连接。
优选地，在形成第二电极之前，还包括：
在所述第二型导电层背离所述衬底的表面形成透明导电层。
优选地，所述在所述LED外延结构背离所述蓝宝石衬底的表面形成隔离槽采用的是电感耦合等离子体蚀刻工艺。
本发明还提供一种垂直结构发光二极管，采用上面任意一项所述的垂直结构发光二极管制作方法制作形成，所述垂直结构发光二极管包括：
蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面的面积小于所述第二表面的面积，且所述第一表面和所述第二表面之间通过斜面连接；
位于所述蓝宝石衬底第二表面的LED外延结构，所述LED外延结构沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次包括：欧姆接触层、第一型导电层、有源区、第二型导电层；所述欧姆接触层的面积大于所述第二表面的面积，且在所述欧姆接触层上的投影，所述第二表面的投影位于所述欧姆接触层投影内部；
覆盖所述蓝宝石衬底的所述第一表面的第一电极，所述第一电极与所述欧姆接触层电性连接，连接位置为所述欧姆接触层上所述蓝宝石衬底的第二表面投影外的区域；
与所述第二型导电层电性连接的第二电极。
优选地，所述第一电极的材料为反射率高于50％的金属。
优选地，所述第一电极和所述蓝宝石衬底之间还包括金属反射层，所述金属反射层与所述欧姆接触层电性连接。
优选地，所述第二电极和所述第二导电层之间还设置有透明导电层。
优选地，其特征在于，所述垂直结构发光二极管为GaN基发光二极管。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的垂直结构发光二极管制作方法，包括提供蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上直接形成LED外延结构，再通过在衬底背离LED外延结构的表面采用楔形刀切割形成楔形槽，使得第一电极能够直接形成在蓝宝石衬底上，并通过楔形槽与欧姆接触层电性连接，一方面，无需通过键合工艺实现在蓝宝石衬底上形成LED外延结构，降低了工艺复杂度，节省了LED制作成本；另一方面，由于在蓝宝石衬底上生长LED外延结构的晶体质量较高，能够保证LED的量子效率，使得LED具有较高的光电转换效率。
本发明还提供一种采用上述垂直结构发光二极管制作方法形成的垂直结构发光二极管，由于直接在蓝宝石衬底上生长LED外延结构，使得得到的垂直结构发光二极管具有较高的光电效率。
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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种发光二极管制作方法流程图；
图2-图10为本发明实施例提供的发光二极管制作方法对应的工艺流程图；
图11为本发明实施例提供的发光二极管的仰视结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明提供的一种垂直结构发光二极管制作方法流程图，所述垂直结构发光二极管制作方法包括：
S101：提供蓝宝石衬底；
本实施例中衬底限定为蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上生长的晶体，具有失配度低、晶体质量高等特点，从而能够有效提高LED的内量子效率。本实施例中不限定所述蓝宝石衬底的具体结构，可选的，所述蓝宝石衬底待形成LED外延结构的表面为C面。
S102：在所述蓝宝石衬底上形成LED外延结构；所述LED外延结构沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次包括：欧姆接触层、第一型导电层、有源区、第二型导电层；
如图2所示，在蓝宝石衬底11上形成LED外延结构，需要说明的是，本实施例中不限定LED外延结构的具体结构，可选的，所述LED外延结构沿背离所述蓝宝石衬底11的方向至少依次包括：欧姆接触层14、第一型导电层15、有源区16、第二型导电层17。本发明其他实施例中LED外延结构还可以包括超晶格结构，以提高LED的内量子效率。
本实施例制作过程中，还可以在衬底上形成缓冲层12和非故意掺杂层13，以提高LED外延结构各层的晶体生长质量。
S103：在所述LED外延结构背离所述蓝宝石衬底的表面形成隔离槽；
本实施例中所述隔离槽用于分离LED外延结构，以便后续形成分离的多个LED芯片。本实施例中不限定所述隔离槽的深度，所述隔离槽的底部可以在LED外延结构的任意一层，只要最终能够将所述LED外延结构分离即可。本实施例中不限定所述隔离槽的形成方法，可以采用薄刀进行切割，可以采用ICP(Inductive Coupled Plasma，电感耦合等离子体)蚀刻工艺蚀刻形成，需要说明的是，ICP蚀刻方式相对于薄刀切割方式能够形成更窄的隔离槽。本实施例中优选地，采用ICP蚀刻方式形成所述隔离槽，从而保留较多的LED外延结构，以使得LED发光面积较大，提高LED的量子效率。
S104：在所述第二型导电层上形成第二电极，所述第二电极与所述第二型导电层电性连接；
如图3所示，本实施例中，在第二型导电层上形成第二电极之前，还可以包括形成透明导电层18的步骤，本实施例中不限定透明导电层的具体材质，由于透明导电层18位于LED的发光侧，因此，可选的，透明导电层的透光率越大越好。本实施例中透明导电层的材质可以是氧化铟锡、氧化锌或石墨烯。由于ITO(氧化铟锡)的高透过率和低电阻率，对可见光透过率可达85％以上，低电阻率(10-3Ω·cm～10-4Ω·cm)，较宽的能隙(Eg＝3.6eV～3.9eV)，同时还具有高硬度、耐磨、耐化学腐蚀特性等诸多优点，本实施例中宽的所述透明导电层为氧化铟锡(ITO)层。
如图4所示，在透明导电层18上形成第二电极22，本实施例中不限定第二电极22的材质，只要是导电金属即可，从导电性能考虑，本实施例中第二电极为银电极。可选的，通过蒸镀工艺，在透明导电层18上蒸镀形成第二电极22。第二电极22通过透明导电层18电性连接。
S105：在所述第二电极背离所述蓝宝石衬底的表面粘结临时基板；
如图5所示，本实施例中由于后续步骤需要对蓝宝石衬底进行切割，因此，在第二电极22背离蓝宝石衬底的表面形成有机粘合层31，通过有机粘合层31将已经制作完成的LED半成品粘贴在临时基板32上。另外，本实施例中临时基板还具有保持多个分离的LED区域形成整体，便于操作，避免隔离槽将LED分割为多个区域，在后续工艺中出现散落的情况。
本实施例中不限定所述临时基板32的具体材质，临时基板是在LED制作过程中对LED外延结构起到暂时固定的作用，因此，本实施例中临时基板32可以柔性基板或者硬质基板。所述柔性基板可选为塑料薄膜。
S106：采用楔形刀在所述衬底背离所述LED外延结构的表面形成楔形槽，将衬底分为多个区域，所述楔形槽的底面位于所述欧姆接触层，且在沿相邻两个衬底中心连线的截面内，所述楔形槽的中心线与所述隔离槽的中心线重叠，所述楔形槽的底面宽度小于所述楔形槽的开口宽度，且所述楔形槽的底面宽度大于所述隔离槽的底面宽度；
如图6所示，本实施例中采用楔形刀(也称为大斜面切割刀)4切割蓝宝石衬底背离LED外延结构的表面，将所述蓝宝石衬底切割为多个区域。
需要说明的是，本实施例中采用大斜面切割刀切割的位置与隔离槽的位置相同，也即在图6所示的沿相邻两个蓝宝石衬底中心线连线的截面内，所述楔形槽的中心线与所述隔离槽的中心线重叠，从而在LED芯片分离成为独立芯片时，直接将隔离槽和楔形槽打通即可。
本实施例中不限定所述楔形槽的深度，其切割深度为至少达到欧姆接触层14，以便于后续形成第一电极与欧姆接触层形成电性连接。同时，所述楔形槽的深度不能超过图6中所示的欧姆接触层14的上表面，以保证后续形成第一电极能够与欧姆接触层电性连接。可选的，如图7所示，楔形槽的槽底位于欧姆接触层14的下表面，隔离槽的槽底位于欧姆接触层14的上表面。
另外，为保证第一电极与欧姆接触层形成电性连接，本实施例中，所述楔形槽的底面宽度大于所述隔离槽的底面宽度，所述楔形槽的底面宽度小于所述楔形槽的开口宽度，从而使得蓝宝石衬底外表面形成类似碗口状，蓝宝石衬底的外表面涂覆反射层，即可对有源区发出的光进行反射，进而提高LED的外量子效率。
S107：在所述蓝宝石衬底表面形成第一电极，所述第一电极与所述欧姆接触层电性连接；
需要说明的是，本发明实施例中通过直接在蓝宝石衬底表面形成与欧姆接触层电性连接的第一电极，从而避免采用剥离和键合工艺形成LED芯片，简化了蓝宝石衬底垂直结构LED芯片的制作工艺。
本实施例中不限定第一电极和欧姆接触层的电性连接方式，可以是直接连接，还可以是通过导电层连接。
当第一电极欧姆接触层直接连接时，为了使得有源层发出的光能够被反射会第二电极侧集中出射，本实施例中可选的所述第一电极材料为反射率高于50％的金属，本实施例中对第一电极的具体材质不做限定，可选的，第一电极材料为高反射率的金属Ag或金属Al，或具有高反射率的多层金属结构，所述多层金属结构为Cr和Al的叠层结构，或Ti和Al的叠层结构。
另外，本实施例中第一电极和欧姆接触层之间还可以设置金属反射层，实现对光的反射，如图8所示，在形成第一电极之前，在蓝宝石衬底的整个表面形成金属反射层5，所述金属反射层将有源层射向蓝宝石衬底的光反射回第二电极侧集中一侧发光，从而提高LED的光电转换效率。
在金属反射层5上方在蒸镀金属形成第一电极21，第一电极21通过金属反射层5与欧姆接触层电性连接。可选的，所述金属反射层为高反射率的金属Ag或金属Al。
S108：去除所述临时基板，形成多个分离的发光二极管。
如图9所示，去除临时基板，本实施例中不限定去除临时基板的工艺方法，只要能够去除有机粘合层，并对第二电极和其他LED结构不造成影响即可。
如图10所示，在去除临时基板后，若隔离槽的槽底和楔形槽的槽底接触，则原有LED结构将在去除临时基板后，分离为多个独立的发光二极管。而若如隔离槽的槽底位于欧姆接触层14上表面，而楔形槽的槽底位于欧姆接触层14的下表面，则将临时基板去除后，多个发光二极管的欧姆接触层仍连接在一起，此时，则沿所述隔离槽继续进行ICP蚀刻，至连通所述楔形槽，将LED芯片分离为多个独立的LED即可。
本发明实施例提供的垂直结构发光二极管制作方法，包括提供蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上直接形成LED外延结构，再通过在衬底背离LED外延结构的表面采用楔形刀切割形成楔形槽，使得第一电极能够直接形成在蓝宝石衬底上，并通过楔形槽与欧姆接触层电性连接，一方面，无需通过键合工艺实现在蓝宝石衬底上形成LED外延结构，降低了工艺复杂度，节省了LED制作成本；另一方面，由于在蓝宝石衬底上生长LED外延结构的晶体质量较高，能够保证LED的量子效率，使得LED具有较高的光电转换效率。
本发明另一实施例还提供一种垂直结构发光二极管，所述垂直结构发光二极管采用上面实施例中所述的垂直结构发光二极管制作方法制作形成，请参见图10和图11，图10为本发明实施例提供的一种垂直结构发光二极管截面示意图；图11为本发明实施例提供的一种垂直结构发光二极管从衬底方向的仰视结构示意图。
本实施例中提供的垂直结构发光二极管包括：蓝宝石衬底11，蓝宝石衬底11包括相对设置的第一表面和第二表面，第一表面的面积小于第二表面的面积，且第一表面和第二表面之间通过斜面连接；请参见图11，为蓝宝石衬底11的俯视结构示意图，其中，小方框为第一表面，大方框为第二表面，所述第一表面和第二表面之间通过斜面连接。
请继续参见图10，垂直结构发光二极管包括：位于蓝宝石衬底11第二表面的LED外延结构，LED外延结构沿背离蓝宝石衬底11的方向依次包括：欧姆接触层14、第一型导电层15、有源区16、第二型导电层17；欧姆接触层14的面积大于第二表面的面积，且在欧姆接触层14上的投影，第二表面的投影位于欧姆接触层14投影内部；覆盖蓝宝石衬底11的第一表面的第一电极21，第一电极21与欧姆接触层14电性连接，连接位置为欧姆接触层14上蓝宝石衬底21的第二表面投影外的区域；与第二型导电层17电性连接的第二电极22。
为了使得发出的光从LED结构的同一侧集中出射，本实施例中所述第一电极材料还可以是高反射率材料，从而能够将有源层朝向衬底发出的光反射至第二电极方向出射，本实施例中不限定所述第一电极材料的具体材质，可选的，所述第一电极的材料为反射率高于50％的金属。可选的，第一电极材料为高反射率的金属Ag或金属Al，或具有高反射率的多层金属结构，所述多层金属结构为Cr和Al的叠层结构，或Ti和Al的叠层结构。
另外，本实施例中第一电极21和所述蓝宝石衬底11之间还可以包括金属反射层5，金属反射层5与欧姆接触层14电性连接，同样能够实现光的反射。
需要说明的是，为了增加电流的扩展，本实施例中第二电极22和第二型导电层17之间还可以设置透明导电层18，所述透明导电层可选为ITO(氧化铟锡)材料。
本实施例中不限定所述发光二极管中各层结构的具体材质，只要能够制作在蓝宝石衬底上具有较高内量子效率的LED外延层材质均可，本实施例中可选的第一型导电层为N型GaN材料，第二型导电层为P型GaN材料。也即垂直结构发光二极管为GaN基蓝绿发光的LED。为了提高LED外延结构的晶体质量，可选的，欧姆接触层14和蓝宝石衬底11之间还包括AlN缓冲层12和非故意掺杂层13。另外，还可以包括超晶格结构等其他LED结构，本实施例中对此不做详细描述。
本实施例中提供的垂直结构发光二极管，采用上面实施例中所述的制作方法形成，不采用剥离和键合工艺，就能在蓝宝石衬底上形成垂直结构LED，使得工艺简单，相对于氮化硅衬底的垂直结构LED成本降低。另外，由于在蓝宝石衬底上形成的LED外延层结构的晶体失配度低，晶体质量较好，相对于硅衬底的垂直结构LED的光电转换效率大大提升。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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 (10)
1.一种垂直结构发光二极管制作方法，其特征在于，包括：
提供蓝宝石衬底；
在所述蓝宝石衬底上形成LED外延结构；所述LED外延结构沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次包括：欧姆接触层、第一型导电层、有源区、第二型导电层；
在所述LED外延结构背离所述蓝宝石衬底的表面形成隔离槽；
在所述第二型导电层上形成第二电极，所述第二电极与所述第二型导电层电性连接；
在所述第二电极背离所述蓝宝石衬底的表面粘结临时基板；
采用楔形刀在所述衬底背离所述LED外延结构的表面形成楔形槽，将所述蓝宝石衬底分为多个区域，所述楔形槽的底面位于所述欧姆接触层，且在沿相邻两个蓝宝石衬底中心连线的截面内，所述楔形槽的中心线与所述隔离槽的中心线重叠，所述楔形槽的底面宽度小于所述楔形槽的开口宽度，且所述楔形槽的底面宽度大于所述隔离槽的底面宽度；
在所述蓝宝石衬底表面形成第一电极，所述第一电极与所述欧姆接触层电性连接；
去除所述临时基板，形成多个分离的发光二极管。
2.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管制作方法，其特征在于，所述隔离槽延伸至所述欧姆接触层背离所述蓝宝石衬底的表面。
3.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管制作方法，其特征在于，在形成第一电极之前还包括：
形成金属反射层，所述第一电极与所述欧姆接触层通过所述金属反射层电性连接。
4.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管制作方法，其特征在于，在形成第二电极之前，还包括：
在所述第二型导电层背离所述衬底的表面形成透明导电层。
5.根据权利要求1所述的垂直结构发光二极管制作方法，其特征在于，所述在所述LED外延结构背离所述蓝宝石衬底的表面形成隔离槽采用的是电感耦合等离子体蚀刻工艺。
6.一种垂直结构发光二极管，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述的垂直结构发光二极管制作方法制作形成，所述垂直结构发光二极管包括：
蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面的面积小于所述第二表面的面积，且所述第一表面和所述第二表面之间通过斜面连接；
位于所述蓝宝石衬底第二表面的LED外延结构，所述LED外延结构沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次包括：欧姆接触层、第一型导电层、有源区、第二型导电层；所述欧姆接触层的面积大于所述第二表面的面积，且在所述欧姆接触层上的投影，所述第二表面的投影位于所述欧姆接触层投影内部；
覆盖所述蓝宝石衬底的所述第一表面的第一电极，所述第一电极与所述欧姆接触层电性连接，连接位置为所述欧姆接触层上所述蓝宝石衬底的第二表面投影外的区域；
与所述第二型导电层电性连接的第二电极。
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，所述第一电极的材料为反射率高于50％的金属。
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，所述第一电极和所述蓝宝石衬底之间还包括金属反射层，所述金属反射层与所述欧姆接触层电性连接。
9.根据权利要求6所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述第二电极和所述第二导电层之间还设置有透明导电层。
10.根据权利要求6-9任意一项所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述垂直结构发光二极管为GaN基发光二极管。
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