CN108183151A - 一种led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片及其制作方法，LED芯片包括依次设置的衬底、缓冲层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层，P型GaN层上设有电流阻挡层和覆盖电流扩展层的电流扩展层，电流扩展层上设有Al2O3颗粒层，Al2O3颗粒层、电流扩展层和电流阻挡层上开设有电极孔；LED芯片刻蚀形成台阶露出N型GaN层，Al2O3颗粒层上设有P型电极，N型GaN层的台阶面上设有N型电极，LED芯片的上表面且于金属电极的上表面以外的区域均设有透明绝缘层。本发明中，在电流扩展层和透明绝缘层之间设置Al2O3颗粒层，有效增加芯片的出光角度和提高芯片的出光效率，进而提升LED芯片的亮度；Al2O3颗粒层是通过蒸镀Al靶材，在电流扩展层上形成单质铝层，再通过快速退火工艺制备而成，制作方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及半导体LED技术领域，特别地，涉及一种LED芯片及其制作方法。
背景技术
目前，第三代半导体材料已经广泛应用于人类生产生活的各个领域，并在其中起着重要的作用。氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料家族中的重要组成部分也得到了广泛的应用，其在LED半导体行业中起着不可替代的作用。GaN材料是一种六角纤锌矿结构，它具有化学性能稳定、耐高温、禁带宽度大、高电子漂移饱和速度等优势。因此，GaN基材料被广泛应用于LED芯片、蓝光LED、绿光LED、紫外LED等电子器件的制备材料，并广泛应用于照明、医疗、显示、植物照明等生产生活的各个领域。
中国专利201510547960.4公开了一种GaN基发光二极管的制作方法，包括：在基板上形成外延叠层；在外延叠层上形成电流阻挡层图案和透明导电层图案；进行干法刻蚀，使得部分N型第一半导体层裸露，形成台面；在台面上形成绝缘保护层，对绝缘保护层进行电极光刻，形成第一电极开孔和第二电极开孔，在电极开孔内形成金属电极，从而形成发光二极管。由上述方法制备的发光二极管的LED芯片包括自下而上依次设置的基板、N型第一半导体层、发光层和P型第二半导体层；在P型第二半导体层上设有电流阻挡层图案和透明导电层图案，N型第一半导体的台面上设有绝缘保护层，绝缘保护层的第一的第一开孔和第二开孔内设置金属电极。但是，上述方案中的发光二极管的亮度已不能满足人们的需求。
因此，在上述现有技术基础上，仍然有必要寻求一种LED芯片来解决上述技术问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种LED芯片，其在电流扩展层和透明绝缘层之间设置Al2O3颗粒层，有效增加芯片的出光角度和提高芯片的出光效率，进而提升LED芯片的亮度。
为实现上述目的，本发明提供了一种LED芯片，其包括衬底和依次设置在所述衬底上的缓冲层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层，所述P型GaN层上设有电流阻挡层和电流扩展层，且所述电流扩展层覆盖所述电流阻挡层，所述电流扩展层上设有Al2O3颗粒层，所述Al2O3颗粒层、电流扩展层和电流阻挡层上开设有用于设置P型电极的P区电极孔；所述LED芯片刻蚀形成台阶露出所述N型GaN层，所述P型电极压设在所述Al2O3颗粒层上，所述P型电极的下端位于所述P区电极孔内且与所述P型GaN层相连；所述N型GaN层的台阶面上设有N型电极，所述LED芯片的芯片上表面且于所述P型电极和N型电极的上表面以外的区域均设有透明绝缘层。
优选的，所述Al2O3颗粒层的下表面的面积小于所述电流扩展层的上表面的面积。
优选的，所述Al2O3颗粒层的厚度为其中所述Al2O3颗粒层(8)中的Al2O3颗粒的直径为所述Al2O3颗粒的形貌为规则或者不规则球体。
本发明还提供一种LED芯片的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：
S1、在衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层；
S2、在所述P型GaN层上沉积一层SiO2膜，并通过光刻、去胶制得电流阻挡层，所述电流阻挡层上开设有用于后续形成P型电极的P区电极孔，所述电流阻挡层的厚度为
S3、在所述P型GaN层上形成覆盖所述电流阻挡层的电流扩展层，所述电流扩展层的厚度为并在所述电流扩展层上形成一层单质铝；
S4、将形成有单质铝层的芯片放入快速退火炉中退火处理，温度为500℃～800℃、时间为8～15min；单质铝层在高温退火条件下团聚形成Al2O3颗粒层；所述Al2O3颗粒层的厚度为其中所述Al2O3颗粒层中的Al2O3颗粒不规则排布；
S5、对所述Al2O3颗粒层、电流扩展层、P型GaN层、多量子阱层和N型GaN层进行刻蚀，使得部分所述N型GaN层(3)露，形成N型GaN台阶面；
S6、在所述Al2O3颗粒层上蒸镀金属电极，形成P型电极，所述P型电极的下端位于所述P区电极孔内且与所述P型GaN层相连；在所述N型GaN层的台阶面上蒸镀金属电极，形成N型电极；并对金属电极进行合金处理；
S7、在制备好金属电极的芯片的上表面且于所述金属电极的上表面以外的区域形成透明绝缘层。
优选的，所述Al2O3颗粒的直径为其形貌为规则或者不规则的球体。
优选的，所述步骤S5中采用感应耦合等离子体刻蚀设备刻蚀出N型GaN台阶面；刻蚀的上射频功率为150W～350W、下射频功率为60W～200W；腔体真空度为3mTorr～6mTorr；刻蚀气体为Cl2和BCl3，且Cl2：BCl3的体积比为3～7：1；所述N型GaN层的刻蚀深度为0.9μm～1.44μm。
优选的，所述金属电极的厚度为1.0μm～3.0μm。
优选的，所述步骤S6中将制备好金属电极的芯片放入高温炉管中进行合金处理，温度为250℃～350℃，形成合金电极。
优选的，所述透明绝缘层的厚度为所述透明绝缘层为SiO2和/或Si3N4透明绝缘材料。
优选的，所述步骤S7之后还包括：S8、通过研磨、精抛、背镀、切割、裂片、点测、分选工艺制备出所述LED芯片。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明的一种LED芯片，包括衬底和依次设置在衬底上的缓冲层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层，P型GaN层上设有电流阻挡层和电流扩展层，且电流扩展层覆盖电流阻挡层，电流扩展层上设有Al2O3颗粒层，Al2O3颗粒层、电流扩展层和电流阻挡层上开设有P区电极孔；LED芯片刻蚀形成台阶露出N型GaN层，Al2O3颗粒层上设有P型电极，P型电极的下端位于P区电极孔内且与P型GaN层相连；N型GaN层的台阶面上设有N型电极，LED芯片的芯片上表面且于P型电极和N型电极二者的上表面以外的区域均设有透明绝缘层。通过增加Al2O3颗粒层增加光的漫反射，进而增加部分光线的出光角度，从而使得GaN中光线的出光角度更大；本发明的LED芯片，可以提高亮度0.8％～1.5％。
(2)、本发明的一种LED芯片的制作方法，在电流扩展层上蒸镀一层单质铝，将蒸镀有单质铝层的芯片放入快速退火炉中退火处理，温度为500℃～800℃、时间为8～15min；单质铝层在高温退火条件下团聚形成Al2O3颗粒；本发明中Al2O3颗粒层是通过蒸镀Al靶材，在电流扩展层上形成一层单质铝层，而后通过快速退火(RTA)工艺制备而成，该制作方法简单，生产效率高。
(3)、本发明的一种LED芯片的制作方法具有工艺路线简单、操作方便、适用于工业化批量生产。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种LED芯片的结构示意图；
图2是本发明中Al2O3颗粒层的俯视示意图；
其中，1、衬底，2、缓冲层，3、N型GaN层，4、多量子阱层，5、P型GaN层，6、电流阻挡层，7、电流扩展层，8、Al2O3颗粒层，8.1、Al2O3颗粒，9、透明绝缘层，10、P型电极，11、N型电极。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1和图2，本发明的一种LED芯片，其包括衬底1和依次设置在衬底上的缓冲层2、N型GaN层3、多量子阱层4及P型GaN层5，P型GaN层5上设有电流阻挡层6和电流扩展层7，且电流扩展层7覆盖电流阻挡层6，电流扩展层7上设有Al2O3颗粒层8，Al2O3颗粒层8、电流扩展层7和电流阻挡层6上开设有用于设置P型电极的P区电极孔；LED芯片刻蚀形成台阶露出N型GaN层3，P型电极10压设在Al2O3颗粒层8上，且P型电极10的下端位于P区电极孔内且与P型GaN层5相连；N型GaN层3的台阶面上设有N型电极11，LED芯片的芯片上表面且于P型电极10和N型电极11二者的上表面(P型电极和N型电极的外侧表面上也设有透明绝缘层)以外的区域均设有透明绝缘层9。该结构设置中，P型电极的下端部分贯穿P区电极孔，与P型GaN层5的上表面相连，P型电极还与Al2O3颗粒层8的上表面相重叠设置(重叠部位为环形，包围了P区电极孔)；P型电极设置在Al2O3颗粒层上形成台阶状，避免P型电极与Al2O3颗粒层不接触而产生ESD(抗静电能力)击穿的风险。
在本实施例中，Al2O3颗粒层8的下表面的面积小于电流扩展层7的上表面的面积；Al2O3颗粒层8的厚度为其中Al2O3颗粒层8中的Al2O3颗粒8.1的直径为Al2O3颗粒8.1的形貌为规则或者不规则球体。本发明中，在电流扩展层和透明绝缘层之间设置Al2O3颗粒层，可以有效增加芯片的出光角度和提高芯片的出光效率，进而提升LED芯片的亮度。与现有的工艺相比，不规则Al2O3颗粒层的存在可以提升亮度0.8％～1.5％。
本发明的一种LED芯片的制作方法，具体包括如下步骤：
S1、提供衬底1，衬底材料可以为蓝宝石衬底、Si衬底材料、SiC衬底材料等衬底材料中的一种。在衬底材料上通过金属有机化合物化学气相沉积设备(MOCVD)中依次生长出缓冲层2、N型GaN层3、多量子阱层4和P型GaN层5。
S2、在P型GaN层5上通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)中沉积一层SiO2膜，并在SiO2膜表面涂正性光刻胶，通过光刻制备出电流阻挡层的图形(CB图形)，去除正性光刻胶，制得电流阻挡层6；电流阻挡层6的厚度为其上开设有用于后续形成P型电极10的P区电极孔。
S3、在P型GaN层5上蒸镀一层氧化铟锡(ITO)作为电流扩展层7，电流扩展层7的厚度为对透明导电层进行光刻和蚀刻形成电流扩展层图案。并通过蒸镀Al靶材，在电流扩展层上形成一层单质铝层，单质铝层厚度为
S4、将形成有单质铝层的芯片放入快速退火炉中退火处理，温度为500℃～800℃、时间为8～15min；单质铝层在高温退火条件下团聚形成Al2O3颗粒层8；Al2O3颗粒层8的厚度为其中Al2O3颗粒层8中的Al2O3颗粒8.1不规则排布。Al2O3颗粒的直径为其形貌为规则或者不规则的球体。
S5、利用黄光光刻工艺、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)设备对Al2O3颗粒层8、电流扩展层7、P型GaN层5、多量子阱层4和N型GaN层3进行刻蚀，使得部分N型GaN层3裸露，形成台阶；同时，刻蚀制备出芯片形貌以及芯片切割道。其中，ICP刻蚀的上射频功率为150W～350W、下射频功率为60W～200W；腔体真空度为3mTorr～6mTorr；刻蚀气体为Cl2和BCl3，且Cl2：BCl3的体积比为3～7：1；N型GaN层3的刻蚀深度为0.9μm～1.44μm。
S6、利用金属蒸镀的方法，在Al2O3颗粒层8上蒸镀金属电极，形成P型电极10，P型电极的下端位于P区电极孔内且与P型GaN层5相连；在N型GaN层3的台阶面上的电极位置蒸镀金属电极，分成N型电极11；金属电极的厚度为1.0μm～3.0μm。而后将制备好金属电极的芯片放入高温炉管中，经过炉管合金工艺，在250℃～350℃之间进行金属合金，形成合金电极。
S7、在制备好金属电极的芯片的上表面且于金属电极的上表面以外的区域，采用黄光光刻工艺和PECVD制备出一层透明绝缘层9。透明绝缘层可以是SiO2、Si3N4等透明绝缘材料中的一种或者多种。
S8、通过研磨、精抛、背镀、切割、裂片、点测、分选工艺制备出LED芯片。
实施例1
为了更好的对本发明进行说明，本发明实施例提供了一种高亮度LED的制作方法，包括如下步骤：
1、在蓝宝石衬底1上，通过MOCVD中依次在蓝宝石衬底1上层叠生长出缓冲层2、N型GaN层3、多量子阱层4、P型GaN层5，从而制备出LED外延片；其中，该LED外延片的外延层的厚度为6.5μm。
2、利用PECVD在外延片上沉积一层SiO2膜，厚度为再采用光刻工艺腐蚀制备出电流阻挡层的图形(CB图形)，去除光刻胶，制得电流阻挡层6；电流阻挡层上开设有用于后续形成P型电极的P区电极孔。
3、采用溅射法在LED外延片上蒸镀一层氧化铟锡薄膜(ITO)，作为电流扩展层7；氧化铟锡薄膜的厚度为并在氧化铟锡薄膜上蒸镀一层单质铝层，单质铝层厚度为
4、通过快速退火(RTA)工艺制备出不规则Al2O3颗粒层。其中Al2O3颗粒是通过单质铝在高温退火条件下团聚而形成，退火温度为560℃，时间为12min；不规则Al2O3颗粒的直径在之间。
5、利用黄光光刻工艺、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)设备刻蚀制备出芯片形貌、N区(N型GAN层的台阶面)电极区域以及芯片切割道。其中，ICP刻蚀的上射频功率为300W，下射频功率为120W，腔体真空度为4mTorr；刻蚀气体为Cl2和BCl3，二者的体积为5：1；N型GaN层3的刻蚀深度1.2μm。
6、采用金属蒸镀的方法，在Al2O3颗粒层上蒸镀金属电极，形成P型电极10，且P型电极的下端位于P区电极孔内且与P型GaN层相连；在N型GaN层的台阶面上蒸镀金属电极，形成N型电极11；金属电极的厚度在1.8μm，而后经过炉管合金工艺，在280℃之间进行金属合金，形成合金电极。
7、在LED芯片的上表面上且于金属电极的上表面以外的区域，采用黄光光刻工艺和PECVD制备出一层透明绝缘层；透明绝缘层的材料为SiO2膜，透明绝缘层的厚度为
8、通过研磨、精抛、背镀、切割、裂片、点测、分选等工艺制备出高亮度LED芯片。
实施例2
本发明实施例提供了另一种高亮度LED芯片的制作方法，包括如下步骤：
1、在蓝宝石衬底1上，通过MOCVD中依次在蓝宝石衬底1上层叠生长出缓冲层2、N型GaN层3、多量子阱层4、P型GaN层5，从而制备出LED外延片；其中，该LED外延片的外延层的厚度为6.5μm。
2、利用PECVD在外延片上沉积一层SiO2膜，SiO2膜的厚度在在采用光刻工艺腐蚀制备出电流阻挡层的图形(CB图形)，去除光刻胶，制得电流阻挡层6。
3、采用溅射法在外延片上蒸镀一层氧化铟锡薄膜(ITO)，作为电流扩展层7，氧化铟锡薄膜的厚度为并在氧化铟锡薄膜上蒸镀一层单质铝层，单质铝层厚度为
4、通过快速退火(RTA)工艺制备出不规则Al2O3颗粒层。其中Al2O3颗粒是通过单质铝在高温退火条件下团聚而形成，单质铝退火温度在560℃，时间在12min。不规则Al2O3颗粒的直径在之间。
5、利用黄光光刻工艺、感应耦合等离子体刻蚀(ICP)设备刻蚀制备出芯片形貌、N区(N型GAN层的台阶面)电极区域以及芯片切割道。其中，ICP刻蚀的上射频功率为280W，下射频功率为95W，真空度为5mTorr；蚀气体为Cl2和BCl3，二者的体积为5：1；N型GaN层3的刻蚀深度1.2μm。
6、采用金属蒸镀的方法，在Al2O3颗粒层上蒸镀金属电极，形成P型电极10，且P型电极的下端位于P区电极孔内且与P型GaN层相连；在N型GaN层的台阶面上蒸镀金属电极，形成N型电极11；金属电极的厚度在2.2μm，而后经过炉管合金工艺，在300℃之间进行金属合金，形成合金电极。
7、在LED芯片的上表面上且于金属电极的上表面以外的区域，采用黄光光刻工艺和PECVD制备出一层透明绝缘层；透明绝缘层的材料是SiO2膜，透明绝缘层的厚度为
8、通过研磨、精抛、背镀、切割、裂片、点测、分选等工艺制备出高亮度LED芯片。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种LED芯片，其特征在于，所述LED芯片包括衬底(1)和依次设置在所述衬底上的缓冲层(2)、N型GaN层(3)、多量子阱层(4)及P型GaN层(5)，所述P型GaN层(5)上设有电流阻挡层(6)和电流扩展层(7)，且所述电流扩展层(7)覆盖所述电流阻挡层(6)，所述电流扩展层(7)上设有Al2O3颗粒层(8)，所述Al2O3颗粒层(8)、电流扩展层(7)和电流阻挡层(6)上开设有用于设置P型电极(10)的P区电极孔；所述LED芯片刻蚀形成台阶露出所述N型GaN层(3)，所述P型电极(10)压设在所述Al2O3颗粒层(8)上，且所述P型电极(10)的下端位于所述P区电极孔内且与所述P型GaN层(5)相连；所述N型GaN层(3)的台阶面上设有N型电极(11)，所述LED芯片的芯片上表面且于所述P型电极(10)和N型电极(11)的上表面以外的区域均设有透明绝缘层(9)。
2.根据权利要求1所述的一种LED芯片，其特征在于，所述Al2O3颗粒层(8)的下表面的面积小于所述电流扩展层(7)的上表面的面积。
3.根据权利要求1所述的一种LED芯片，其特征在于，所述Al2O3颗粒层(8)的厚度为其中所述Al2O3颗粒层(8)中的Al2O3颗粒(8.1)的直径为所述Al2O3颗粒(8.1)的形貌为规则或者不规则球体。
4.一种LED芯片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括如下步骤：
S1、在衬底(1)上依次生长缓冲层(2)、N型GaN层(3)、多量子阱层(4)和P型GaN层(5)；
S2、在所述P型GaN层(5)上沉积一层SiO2膜，并通过光刻、去胶制得电流阻挡层(6)，所述电流阻挡层(6)上开设有用于后续形成P型电极(10)的P区电极孔，所述电流阻挡层(6)的厚度为
S3、在所述P型GaN层(5)上形成覆盖所述电流阻挡层(6)的电流扩展层(7)，所述电流扩展层(7)的厚度为并在所述电流扩展层(7)上形成一层单质铝；
S4、将形成有单质铝层的芯片放入快速退火炉中退火处理，温度为500℃～800℃、时间为8～15min；单质铝层在高温退火条件下团聚形成Al2O3颗粒层(8)；所述Al2O3颗粒层(8)的厚度为其中所述Al2O3颗粒层(8)中的Al2O3颗粒(8.1)不规则排布；
S5、对所述Al2O3颗粒层(8)、电流扩展层(7)、P型GaN层(5)、多量子阱层(4)和N型GaN层(3)进行刻蚀，使得部分所述N型GaN层(3)裸露，形成台阶；
S6、在所述Al2O3颗粒层(8)上蒸镀金属电极，形成P型电极(10)，所述P型电极的下端位于所述P区电极孔内且与所述P型GaN层(5)相连；在所述N型GaN层(3)的台阶面上蒸镀金属电极，形成N型电极(11)；并对金属电极进行合金处理；
S7、在制备好金属电极的芯片的上表面且于所述金属电极的上表面以外的区域形成透明绝缘层(9)。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述Al2O3颗粒(8.1)的直径为其形貌为规则或者不规则的球体。
6.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S5中采用感应耦合等离子体刻蚀设备刻蚀出N型GaN台阶面；刻蚀的上射频功率为150W～350W、下射频功率为60W～200W；腔体真空度为3mTorr～6mTorr；刻蚀气体为Cl2和BCl3，且Cl2：BCl3的体积比为3～7：1；所述N型GaN层(3)的刻蚀深度为0.9μm～1.44μm。
7.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述金属电极的厚度为1.0μm～3.0μm。
8.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S6中将制备好金属电极的芯片放入高温炉管中进行合金处理，温度为250℃～350℃，形成合金电极。
9.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述透明绝缘层(9)的厚度为所述透明绝缘层(9)为SiO2和/或Si3N4透明绝缘材料。
10.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S7之后还包括：
S8、通过研磨、精抛、背镀、切割、裂片、点测、分选工艺制备出所述LED芯片。
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