CN108198922A - 一种高亮度led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高亮度LED芯片及其制作方法，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层上设有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上设有Al2O3薄膜，Al2O3薄膜和石墨烯薄膜上开设有电极孔；LED芯片刻蚀形成台阶露出N型GaN层，Al2O3薄膜上设有P型电极，且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芯片的上表面设有透明绝缘层。本发明通过在石墨烯薄膜上利用原子层沉积Al2O3薄膜形成石墨烯和Al2O3复合薄膜改变电流分布区域以及出光角度，更有利于电流扩展、增加芯片出光角度，从而更有效的提高LED芯片的出光效率，提高芯片的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及LED半导体芯片技术领域，特别地，涉及一种高亮度LED芯片及其制作方法。
背景技术
随着半导体技术的不断进步，第三代半导体材料在人们日常生活中起着越来越重要的作用。GaN作为其中的重要组成部分之一，是制作蓝光LED的重要材料。目前，LED行业进入了快速发展阶段，LED也进入了生活的各个领域，比如照明、显示屏、指示灯等方面。但是目前工业量产的LED产品普遍存在发光效率不理想等问题，该问题成为制约LED行业高速发展的技术难点，如何解决该问题成为技术人员关注的重点。
GaN是属于六角纤锌矿结构中的一种材料。GaN具有耐高温、禁带宽度大以及性能稳定等特点。但是在制作GaN上很难通过外延生产的方法得到完美无缺的单晶结构，同时在外延生长中不可避免的会出现位错密度大、Mg掺杂效率低等等因素限制了GaN晶体的生产。目前在工业生产中主要采用PSS、ALN、纳米结构等相关技术来生产出更好的产品。
另一方面如何通过芯片结构和设计来提高LED的出光效率也是研究热点之一。从芯片结构上分类主要有正装结构、倒装结构、垂直结构三大类，其中正装结构是主流结构。在材料方面，ITO是主要的电流扩展层材料，具有很好的电流扩展能力和光透过率。此外，还可以通过表面粗化技术等技术来提高LED的出光效率。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种高亮度LED芯片，通过在石墨烯薄膜上沉积Al2O3薄膜形成石墨烯和Al2O3复合薄膜层，来改变芯片的电流分布区域以及出光角度，更有利于电流扩展、增加芯片出光角度，从而更有效的提升LED芯片的出光效率，提高芯片的可靠性和稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了一种高亮度LED芯片，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层上设有石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜上设有Al2O3薄膜，所述Al2O3薄膜和石墨烯薄膜上开设有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Al2O3薄膜上设有P型电极，且所述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芯片的上表面设有透明绝缘层。
优选的，所述石墨烯薄膜的厚度为所述Al2O3薄膜的厚度为
本发明还提供一种高亮度LED芯片的制作方法，包括如下步骤：
S1、在衬底上生长外延层，所述外延层包括依次层叠的缓冲层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层，所述外延层的厚度为5μm～7.5μm；
S2、采用转移法在所述P型GaN层上形成石墨烯薄膜，并采用原子层沉积法在所述石墨烯薄膜上沉积一层Al2O3薄膜，以形成石墨烯和Al2O3复合薄膜层作为电流扩展层；
S3、对所述电流扩展层进行光刻和刻蚀，在P型GaN层(5)的上方形成电极开孔；依次干法刻蚀所述电流扩展层、P型GaN层、多量子阱层和N型GaN层，使得部分所述N型GaN层裸露，形成台阶；
S4、在所述电流扩展层和N型GaN层的台阶面上分层蒸镀金属电极，分别形成P电极(8)和N电极(9)，并对金属电极进行合金处理；
S5、采用等离子体增强化学气相沉积法在制备好电极的芯片上表面沉积透明绝缘层(10)，然后经过光刻和腐蚀去掉P电极和N电极上表面的透明绝缘层。
优选的，所述步骤S2包括如下步骤：
S2a：通过气相沉积方法在金属基板上沉积一层石墨烯层，石墨烯层的厚度为然后在金属基板上涂抹聚甲基丙烯酸甲酯，再利用金属蚀刻液通过湿法腐蚀的方法剥离去掉金属基板而后冲水烘干，湿法腐蚀时间为20min～40min；而后将聚甲基丙烯酸甲酯和石墨烯一起转移到所述P型GaN层上，再通过丙酮加热的方式去掉聚甲基丙烯酸甲酯，进而制备好所述石墨烯薄膜。
S2b：将步骤S2a形成所述石墨烯薄膜的芯片放入原子层沉积系统中沉积所述Al2O3薄膜，所述Al2O3薄膜的厚度为其中，氧气流量为50sccm/gas～80sccm/gas，氩气流量为10sccm/gas～70sccm/gas，以制备出所述石墨烯和Al2O3复合薄膜，所述石墨烯和Al2O3复合薄膜的厚度为
优选的，所述步骤S2a中丙酮加热温度为95℃～120℃，加热时间为2min～8min。
优选的，所述步骤S3中干法刻蚀的气体为Cl2和BCl3，且Cl2：BCl3的体积比为2～7：1；腔体真空度为2mTorr～9mTorr；刻蚀的上射频功率为100W～450W、下射频功率为70W～150W；所述N型GAN层的刻蚀深度为1.0μm～1.6μm；芯片的切割道距离为10μm～40μm。
优选的，所述步骤S4中，所述P电极和N电极的厚度为0.8μm～3.0μm；蒸镀的镀锅转速为5r/min～10r/min、镀率为合金温度为100℃～340℃。
优选的，所述透明绝缘层(10)的厚度为所述透明绝缘层(10)为SiO2和/或Si3N4透明绝缘材料。
优选的，所述步骤S5之后还包括：
S6、通过对芯片进行研磨、抛光、精抛、背镀DBR、切割、裂片、点测、分选工艺制备出成品芯片。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)、本发明的高亮度LED芯片，在石墨烯薄膜上沉积Al2O3薄膜形成石墨烯和Al2O3复合薄膜层，利用氮化镓、石墨烯、氧化铝、氧化硅物质之间折射率的不同，可有效增加光线的出射角，提高LED芯片出光效率。同时，P电极直接与石墨烯接触，石墨烯的优良导电性有利于电流扩展，LED芯片的亮度提升1～1.5％。
(2)、本发明的高亮度LED芯片采用石墨烯和Al2O3复合薄膜层替代现有氧化铟锡(ITO)材料，复合薄膜具有更好的电流扩展能力和更高的光透过率，进而提高LED的发光效率。
(3)、本发明的高亮度LED芯片具有很好的抗静电能力和可靠性。
(4)、本发明的高亮度LED芯片的制作方法，采用转移法制作石墨烯薄膜，并利用原子层沉积Al2O3薄膜，形成石墨烯和Al2O3复合薄膜层改变电流分布区域以及出光角度，复合薄膜制作方法简单、工艺路线简洁。
(5)、本发明中采用多种金属分层镀的方法制备金属电极，金属电极的第一层采用Cr金属，与氮化镓具有较好的粘附力。其次本发明在电极制备后会采用合金工艺，合金温度在320摄氏度，使得多种材料形成金属合金电极。该工艺与现有结构差别主要是电极是采用分层蒸镀制备，且电极各种金属厚度是一定，合金温度条件有不同。具有很好的可焊性和可靠性。
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是本发明优选实施例的LED芯片的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的LED芯片俯视图；
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、石墨烯薄膜，7、Al2O3薄膜，8、P型电极，9、N型电极，10、透明绝缘层。
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。
实施例1
参见图1和图2，本发明的一种高亮度LED芯片，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上设有石墨烯薄膜6，石墨烯薄膜6上设有Al2O3薄膜7，Al2O3薄膜7和石墨烯薄膜6上开设有P区电极孔；LED芯片刻蚀形成台阶露出N型GaN层3，Al2O3薄膜7上设有P型电极8，且P型电极8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9，LED芯片的上表面设有透明绝缘层10。其中，石墨烯薄膜6的厚度为Al2O3薄膜7的厚度为该结构通过在石墨烯薄膜上利用原子层沉积Al2O3薄膜形成石墨烯和Al2O3复合薄膜改变电流分布区域以及出光角度，更有利于电流扩展、增加芯片出光角度，从而更有效的提高LED芯片的出光效率，提高芯片的可靠性和稳定性。
本发明的一种高亮度LED芯片的制作方法，该LED芯片为正装蓝光LED芯片，包括如下步骤：
S1、在衬底1上通过金属有机化合物化学气相沉积设备(MOCVD)生长外延层，外延层包括依次层叠的缓冲层2、N型GaN层3、多量子阱层4和P型GaN层5；中，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，外延层的厚度为0.6μm。
S2、采用转移法在P型GaN层5上形成石墨烯薄膜6，并采用原子层沉积法在石墨烯薄膜6上沉积一层Al2O3薄膜7，以形成石墨烯和Al2O3复合薄膜层作为电流扩展层，使得光线更好的从外延层穿过电流扩展层和透明绝缘层，入射到空气中。
S3、采用黄光光刻工艺对电流扩展层进行光刻，在电流扩展层采用正性光刻胶，经过匀胶、曝光、显影、坚膜等工艺后制备出在P型GaN层5上方的电极开孔和LED芯片形貌；然后在采用干法(ICP)刻蚀技术在外延层刻蚀出晶粒外形和N型GaN层。ICP刻蚀的上射频功率为100W～450W、下射频功率为70W～150W；ICP刻蚀的气体为Cl2和BCl3，且Cl2：BCl3的体积比为5：1；腔体真空度为5mTorr。通过等离子体刻蚀出来芯粒形状的切割道宽度为20um，深度为1.2um。刻蚀出来的N型GaN层的深度在1.2um，以及露出P型GaN层，最后通过去胶液腐蚀去掉光刻胶。
S4、采用黄光光刻工艺技术，光刻胶采用负性光刻胶，经过匀胶、曝光、硬烤、显影等工艺后制备好金属电极形貌。通过金属蒸镀的方式，在电流扩展层和N型GaN层3的台阶面上分层蒸镀金属电极，分别形成P电极8和N电极9，且金属电极的第一层采用Cr金属，与氮化镓具有较好的粘附力；并对金属电极进行合金处理。
S5、采用等离子体增强化学气相沉积法在制备好电极的芯片上表面沉积一层厚度的SiO2作为透明绝缘层10，然后经过光刻和腐蚀去掉P电极8和N电极9上表面的透明绝缘层10。
S6、后续在通过对芯片进行研磨、抛光、精抛、背镀DBR、切割、裂片、点测、分选等工艺制作成成品芯片。
在本实施例中，步骤S2包括如下步骤：
S2a：通过气相沉积方法在金属基板上沉积一层石墨烯，石墨烯的厚度为然后在金属基板上涂抹聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，再利用金属蚀刻液通过湿法腐蚀的方法剥离去掉金属基板而后冲水烘干，湿法腐蚀时间为30min；而后将聚甲基丙烯酸甲酯和石墨烯一起转移到P型GaN层上，再通过丙酮加热(加热温度为107℃，加热时间为5min)的方式去掉聚甲基丙烯酸甲酯，进而制备好石墨烯薄膜6。
S2b：将步骤S2a形成石墨烯薄膜6的芯片放入原子层沉积系统中沉积Al2O3薄膜7，Al2O3薄膜的厚度为其中，氧气流量为60sccm/gas，氩气流量为50sccm/gas，以制备出石墨烯和Al2O3复合薄膜，石墨烯和Al2O3复合薄膜的厚度为
在本实施例中，步骤S4中，P电极8和N电极9的厚度为1.2μm；蒸镀的镀锅转速为8r/min、镀率为合金温度为300℃。
在本实施例中，透明绝缘层10还可以为Si3N4透明绝缘材料。
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 (9)
1.一种高亮度LED芯片，其特征在于，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)上设有石墨烯薄膜(6)，所述石墨烯薄膜(6)上设有Al2O3薄膜(7)，所述Al2O3薄膜(7)和石墨烯薄膜(6)上开设有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Al2O3薄膜(7)上设有P型电极(8)，且所述P型电极(8)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(9)，所述LED芯片的上表面设有透明绝缘层(10)。
2.根据权利要求1所述的高亮度LED芯片，其特征在于，所述石墨烯薄膜(6)的厚度为所述Al2O3薄膜(7)的厚度为
3.一种高亮度LED芯片的制作方法，其特征在于，用于制作如权利要求1或2所述的LED芯片，所述制作方法包括如下步骤：
S1、在衬底(1)上生长外延层，所述外延层包括依次层叠的缓冲层(2)、N型GaN层(3)、多量子阱层(4)和P型GaAN层(5)，所述外延层的厚度为5μm～7.5μm；
S2、采用转移法在所述P型GaN层(5)上形成石墨烯薄膜(6)，并采用原子层沉积法在所述石墨烯薄膜(6)上沉积一层Al2O3薄膜(7)，以形成石墨烯和Al2O3复合薄膜层作为电流扩展层；
S3、对所述电流扩展层进行光刻和刻蚀，在P型GaN层(5)的上方形成P区电极开孔；依次刻蚀所述电流扩展层、P型GaN层(5)、多量子阱层(4)和N型GaN层(3)，使得部分所述N型GaN层(3)裸露，形成台阶；
S4、在所述电流扩展层和N型GaN层(3)的台阶面上分层蒸镀金属电极，分别形成P电极(8)和N电极(9)，并对金属电极进行合金处理；
S5、采用等离子体增强化学气相沉积法在制备好电极的芯片上表面沉积透明绝缘层(10)，然后经过光刻和腐蚀去掉P电极(8)和N电极(9)上表面的透明绝缘层(10)。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：
S2a：通过气相沉积方法在金属基板上沉积一层石墨烯，石墨烯的厚度为然后在金属基板上涂抹聚甲基丙烯酸甲酯，再利用金属蚀刻液通过湿法腐蚀的方法剥离去掉金属基板而后冲水烘干，湿法腐蚀时间为20min～40min；而后将聚甲基丙烯酸甲酯和石墨烯一起转移到所述P型GaN层上，再通过丙酮加热的方式去掉聚甲基丙烯酸甲酯，进而制备好所述石墨烯薄膜(6)；
S2b：将步骤S2a形成所述石墨烯薄膜(6)的芯片放入原子层沉积系统中沉积所述Al2O3薄膜(7)，所述Al2O3薄膜的厚度为其中，氧气流量为50sccm/gas～80sccm/gas，氩气流量为10sccm/gas～70sccm/gas，以制备出所述石墨烯和Al2O3复合薄膜，所述石墨烯和Al2O3复合薄膜的厚度为
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S2a中丙酮加热温度为95℃～120℃，加热时间为2min～8min。
6.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S3中干法刻蚀的气体为Cl2和BCl3，且Cl2：BCl3的体积比为2～7：1；腔体真空度为2mTorr～9mTorr；刻蚀的上射频功率为100W～450W、下射频功率为70W～150W；所述N型GaN层的刻蚀深度为1.0μm～1.6μm；芯片的切割道距离为10μm～40μm。
7.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述P电极(8)和N电极(9)的厚度为0.8μm～3.0μm；蒸镀的镀锅转速为5r/min～10r/min、镀率为合金温度为100℃～340℃。
8.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述透明绝缘层(10)的厚度为所述透明绝缘层(10)为SiO2和/或Si3N4透明绝缘材料。
9.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述步骤S5之后还包括：
S6、通过对芯片进行研磨、抛光、精抛、背镀DBR、切割、裂片、点测、分选工艺制备出成品芯片。
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