CN108258097A - 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及其制作方法，其中所述发光二极管包括：发光外延叠层，包含第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层，具有对相的第一表面和第二表面，其中第一表面为出光面；金属反射层，形成于所述发光外延叠层的第二表面之上；保护层，形成于所述金属反射层的表面和侧壁上，其与所述金属反射层之间无间隙连接。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，具体的说是一种具有高反射镜面层的发光二极管及其制作方法。
背景技术
现有发光二极管之增光工艺，通常借由键合工艺在芯片外延层与吸光基板之间制作反射镜面，藉此避免芯片内发光被吸光基板吸收，并将其反射至出光面提升整体亮度。镜面材质通常选用对于该芯片波长具有高反射率之金属材料，如红光常用Au/Ag镜，蓝绿光常用Al/Ag镜。
发明内容
本发明提供了一种具有镜面结构的发光二极管及其制作方法，其具有高可靠性的镜面结构。
根据本发明的第一个方面，发光二极管，包括：发光外延叠层，包含第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层，具有对相的第一表面和第二表面，其中第一表面为出光面；金属反射层，形成于所述发光外延叠层的第二表面之上；保护层，形成于所述金属反射层的表面和侧壁上，其与所述金属反射层之间无间隙连接。
优选地，所述金属反射层的侧壁与所述外延叠层的表面的夹角为30~85°。
在一些实施例中，所述发光外延叠层的第二表面与所述金属反射层之间依次设有：透光性介电层，位于所述发光外延叠层的第二表面上，其内部具有导电通孔；第一透明粘附层，位于所述透光性介电层之远离发光外延叠层的一侧表面上，并覆盖所述导电通孔的侧壁；第二透明粘附层，位于所述第一透明粘附层之远离所述透光性介电层的一侧表面上。
优选地，所述透光性介电层的厚度为50nm以上。
优选地，所述第一透明粘附层为透明绝缘粘附层，其覆盖所述透明性介电层之远离发光外延叠层的一侧表面。
优选地，所述第一透明粘附层的厚度为20nm以下。
优选地，所述第二透明粘附层为透明导电粘附层。
优选地，所述第二透明粘附层的厚度为10nm以下。
优选地，所述第一透明粘附层的厚度为透光性介电层厚度的1/10以下。
优选地，所述透光性介电层由多个子层构成，所述第一透明粘附层的厚度为所述透光性介电层的任意一子层厚度的1/5以下。
优选地，所述透光性介电层为氟化镁层，第一透明粘附层为氧化硅层，所述第二透明粘附层为ITO层，所述金属反射层为银反射层。
优选地，所述导电通孔内填充金属欧姆接触层，其远离所述外延叠层一侧的表面与所述第一透明粘附层齐平。
在一些实施例中，所述发光外延叠层的第二表面与所述反射层之间依次设有：透光性介电层，位于所述发光外延叠层的第二表面上，其内部具有导电通孔，至少包含第一层和第二层，其中第一层临近所述发光外延叠层，第二层远离所述发光外延叠层，其中所述第二层为薄层结构，其厚度为第一层的厚度的1/10以下，作为所述第一层的粘附层；透明导电粘附层，位于所述透光性介电层的第二子层的表面上。
优选地，所述第一层为多个子层构成，所述第二层的厚度为所述第一层的任意一子层厚度的1/5以下。
优选地，所述第一层的厚度为50nm以上。
优选地，所述第二层的厚度为20nm以下。
优选地，所述透明导电粘附的厚度为10nm以下。
优选地，所述第一层为氟化镁层，第二层为氧化硅层，所述透明导电粘附层为ITO层，所述金属反射层为银反射层。
根据本发明的第二个方面，一种发光二极管的制作方法，包括步骤：（1）提供一发光外延结构，包含第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层，具有对相的第一表面和第二表面，其中第一表面为出光面；（2）在所述外延结构的第二表面上形成金属反射层；（3）对所述金属反射层的边缘区域进行湿法蚀刻，使其呈现正梯形截面或矩形截面；（4）在所述金属反射层上形成保护层，其同时覆盖所述金属反射层的上表面和侧壁，且与所述金属反射层之间无间隙连接。
优选地，所述步骤（3）包含以下子步骤：（31）对所述金属反射层边缘区域的表面进行预处理；（32）在所述金属反射层上形成掩膜层，至少裸露出所述金属反射层部分经预处理的表面；（33）对所述金属反射层进行蚀刻，其中经预处理的区域的蚀刻速率较大，经蚀刻后的所述金属反射层呈现正梯形截面或矩形截面。
优选地，所述步骤（31）中，所述预处理为氧化处理。
优选地，所述步骤（31）中，先在所述金属反射层的中间区域形成隔离层进行保护，然后对所述反射层的边缘区域的表面进行氧化处理。
在一些实施例中，所述步骤（2）中包含以下子步骤：（21）在所述发光外延叠层的第二表面形成透光性介电层，其内部具有导电通孔；（22）在所述透光性介电层上形成第一透明粘附层，其同时覆盖所述透光性介电层的上表面和导电通孔的侧壁；（23）在所述透光性介电层上形成第二透明粘附层；（24）在所述第二透明粘附层上形成金属反射层；其中所述第一透明粘附层的厚度为所述透光性介电层厚度的1/10以下。
在一些实施例中，所述步骤（2）中包含以下子步骤：（21）在所述发光外延叠层的第二表面形成透光性介电层，其内部具有导电通孔，至少包含第一层和第二层，其中第一层临近所述发光外延叠层，第二层远离所述发光外延叠层，其中所述第二层为薄层结构，其厚度为第一层的厚度的1/10以下，作为所述第一层的粘附层；（22）在所述透光性介电层上形成透明粘附层；（23）在所述透明粘附层上形成金属反射层。
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显示了一种采用湿法蚀刻形成图形化Ag反射系统的过程示意图。
图2为采用图1所示的方法形成的Ag反射系统的实物图。
图3根据本发明实施的一种形成图形化Ag反射系统的过程示意图。
图4为本发明一个较佳实施例之提升LED的银镜系统品质的处理方法的过程示意图。
图5为本发明一个较佳实施例之发光二极管的结构示意图。
图6为本发明另一个较佳实施例之发光二极管的结构示意图。
图中标号：
110，210，310，410：发光外延叠层；
120，220，326，426：金属反射层；
320，420：反射系统；
321，421：透光性介电层；
322，422：通孔；
323：第一透明粘附层；
324：金属欧姆接触层；
325：第二透明粘附层；
425：透明导电粘附层
130，230：掩膜层；
140，240，340，440：保护层；
150：空隙或裂缝；
260：隔离层；
361：上键合层；
362：下键合层；
370，470：导电基板。
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。
LED芯片为追求更高的亮度，常将Ag镜引入到LED的镜面系统中，但是Ag材料本身活性较大，易迁移等性质会影响到LED使用过程中的失效，有一种有效的做法是将Ag镜系统进行图形化，包裹在LED内部，侧壁无银裸露。Ag镜系统图形化常采用的方法为湿蚀刻。
图1显示了一种采用湿法蚀刻形成图形化Ag反射系统的过程示意图。然而Ag反射层的侧壁蚀刻过程中，上侧与下侧的蚀刻速率不同，常出现倒梯形Ag反射层结构。这将影响到后续保护金属覆盖不完全，易出现空隙或裂缝150，如图2所示。空隙和裂缝的存在容易导致芯粒使用过程中失效。
针对此问题，下面的一部分实施例提供了一种新的Ag反射层的制作方法，以解决Ag蚀刻出现倒梯形的问题，避免空隙和裂缝的出现，提升芯粒的品质和可靠性。具体方法为在进行蚀刻前先对银反射层的边缘区域上表面做预处理，经处理过的Ag反应较快，从而提升了银反射层边缘区域上表面的蚀刻速率，再进使蚀刻，使得Ag呈现矩形截面，甚至正梯形截面更佳。
首先，提供外延结构210，该发光外延叠层一般包括第一半导体层、有源层和第二半导体层。当第一半导体层为p 型半导体，第二半导体层可为相异电性的n型半导体，反之，当第一半导体层为n 型半导体，第二半导体层可为相异电性的p型半导体。有源层可为中性、p型或n型电性的半导体。施以电流通过半导体发光叠层时，激发有源层发光出光线。当有源层以氮化物为基础的材料时，会发出蓝或绿光；当以磷化铝铟镓为基础的材料时，会发出红、橙、黄光的琥珀色系的光。
接着在发光外延叠层210的上表面上形成具有高可靠性的反射层结构，其主要包括下面S30~S33，如图3所示，具体如下：
步骤 S30：在发光外延叠层210的上表面上形成对金属反射层220，该金属反射层优先为Ag反射层；
步骤S31：对该金属反射层的边缘区域的表面进行预处理，使得边缘区域表面的Ag反应较快，进而提升银反射层边缘区域上表面的蚀刻速率。在一个具体实施例中，可在金属反射层220的中间区域先形成隔离层260，该隔离层主要用于在进行预处理的过程中保护银反射层的中间区域的表面，具体的材料可以金属或导电氧化物等，其厚度为20nm以上，优选为50nm，例如可以为50~100nm；
步骤S32：在隔离层260上形成掩膜层，对该金属反射层220的边缘区域进行蚀刻，由于边缘区域的表面经过了预处理，从而获得具有矩形或梯形截面的金属反射层220，经蚀刻后的金属反射层的侧壁与发光外延叠层210的表面的夹角α为90°以下，优选为30°[w1] ；
步骤S33：在金属反射层220的表面上覆盖保护层240，该保护层优先为惰性金属材料，例如Ti、[w2] 、Au等。该保护层240完全覆盖金属反射层220的上表面和侧壁，且与金属反射层之间无间隙的连接。
图4显示了本发明一个较佳实施例之提升LED的银镜系统品质的处理方法的过程示意图，其主要包括步骤S310~S360：
步骤S310：在LED的外延叠层210的非出光面之上形成银反射层220，并在银反射层220的中间区域形成Ti金属层260，该Ti金属层的厚度优选为50~100nm；
步骤S320：以Ti金属层260作为保护，对裸露出的银反射层220的表面进行氧化处理，在本实施例中，可以采用Plasma打氧机对Ag反射层的表面进行打氧，未覆盖有保护层的边缘区域表面的Ag 221被氧化，如图4所示；
步骤S330：在Ti金属层260的上表面上形成掩膜层230，其至少裸露出部分经氧化的银反射层220的表面；
步骤S340：对Ag反射层220边缘区域的表面进行湿法蚀刻，使得Ag反射层呈台阶状；
步骤S350：以掩膜层230作为保护，对裸露的Ag进行二次表面氧化处理；
步骤S360：再次对Ag反射层进行湿法蚀刻，形成具有正梯形截面的Ag反射层。
最后，在经图案化的Ag反射层220上覆盖保护层240。
在本实施例中，经图案化后的Ag反射层220呈现出正梯形截面后，后续覆盖保护金属时不会在接触界面形成空隙或裂缝，可有效的提升产品品质及可靠性。在本实施例中，也可以只进行一次氧化处理，在不明显的情况下再进行二次氧化处理后，然后进行二次蚀刻，从而获得理想的Ag反射层220。
为达到进一步发光二极管的发光效率，常在反射金属层与外延叠层之间加入一低折射率的透光材料层，从而构成全方位反射镜，此时有源层向下发出的光部分经由透光材料层全反射回去，部分光经由高反射金属镜面层全反射回去，增加出光效率。下面的实施例公开了一种具有全方位反射镜的发光二极管结构，其中透光材料层的折射率优选为1.5以下，并在透光材料层与金属反射层之间设置透明粘附层。
图5显示了本发明一个较佳实施例之发光二极管的结构示意图。该发光二极管从上至少包括：发光外延叠层310，镜面系统320、保护层340、上键合层361、下键合层362和导电基板370。其中发光外延叠层310一般包括n型半导体层、有源层和p型半导体层，可以为n面出光，也可以是p面出光，当n面出光时镜面系统320设置在p型半导体一侧，当p面出光时镜面系统设置在n型半导体层一侧，镜面系统320依次包括：透光性介电层321、第一透明性粘附层323、第二透明粘附层325和金属反射层326。
具体的，透光性介电层321选用低折射率材料，其折射率优选为1.5以下，更佳的为1.4以下，厚度为50nm以上，例如可以为50~500nm。该透光性介电层321的内部形成一系列贯彻该透光性介电层321的通孔322，第一透明粘附层323形成在透光性介电层321的表面上，并覆盖该通孔322的侧壁322a，对透光性介电层321形成包覆状；该第一透明粘附层323优选为绝缘材料，其厚度优选为透光性介电层厚度的1/10以下，例如可以为20nm以下；在孔通322中填充金属材料作为金属欧姆接触层324；第二透明粘附层325形成在第一透明粘附层323上，该透明粘附层325优选导电材料，与金属欧姆接触层324接触，其厚度优选为10nm以下；金属反射层326形成在第二透明粘附层325的表面上，其面积小于发光外延叠层的面积。保护层340形成在金属反射层326的下表面，并包覆其该金属反射层的侧面，其主要用于阻挡反射层金属的扩散，其可以为单层或多层结构，上键合层361和下键合层362用于将发光外延叠层粘结至导电基板370上，可以是Au-Au键合、Au-In键合等。
在本实施例中，透光性介电层321采用氟化镁，其具有较低的折射率和高的热传导率（折射率n为1.38，热传导系数14~15 W/mk），其厚度为100~150nm；第一透明粘附层323为氧化硅层，其厚度为10~15nm，第二透明粘附层325为溅射型ITO层，其厚度为5~10nm；金属反射层326为银反射层；金属欧姆接触层324可以选用AuZn，其中金属欧姆接触层324的下表面与第一透明粘附层323齐平，保证Ag反射层的平整度以及芯粒打线的可靠性；保护层340为Ti/Pt或Ti/Pt/Au结构；上、下键合层为Ti//Pt/Au。
在上述发光二极管结构中，采用MgF2和Ag镜作为ODR体系，金属作为欧姆接触层，实现了LOP的大幅度提升。由于MgF2的粘附性较差，因此增加SiO2薄层作为第一粘附层，而Ag反射层与SiO2之间的粘附性不佳，采用S-ITO作为粘附层，即SiO2和S-ITO在此结构中作为MgF2和Ag的黏附层。
图6显示了本发明另一个较佳实施例之发光二极管的结构示意图。该发光二极管从上至少包括：发光外延叠层410，镜面系统420、保护层440、上键合层461、下键合层462和导电基板470。其中镜面系统420依次包括：透光性介电层421、透明导电粘附层425和金属反射层426。
其中，透光性介电层421设置在发光外延叠层410的非出光面上，其内部具有一系列贯穿该介电层的通孔422，其内部填充导电金属，作为金属欧姆接触与发光外延叠层接触。透光性介电层为多层结构，其中靠近发光外延叠层一侧由一系列第一子层421a和第二子层421b交替构成，并最后形成薄层结构第三子层421c，在每对第一子层和第二子层对中，第一子层的厚度优先大于第二子层的厚度，该第三子层421c的厚度为整个透光性介电层的总厚度的1/10以下，主要作为粘附层。在本实施例中，第一子层421a和第二子层421b优选采用氟化镁层和氧化钛层交替堆叠而成，第三子层421c采用二氧化硅，其中第一子层和第二子层的厚度可以是固定的，也固定是渐变的，第三子层的厚度优选为20nm以下，例如取10nm。例如在一个具体的实例中，第一子层和第二子层的厚度为渐进式分布，其中靠近外延叠层的厚度最大，并呈递减分布，如：第一氟化镁层的厚度为590nm，第二氟化镁层的厚度为第一氟化镁层的0.25-0.6倍，以此类推；同理，第一氧化钛层的厚度为92nm，第二氧化钛层的厚度为第一氧化钛层的之0.25-0.6倍，多层膜总厚度在1μm以下为佳。
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 (24)
1.发光二极管，包括：
发光外延叠层，包含第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层，具有对相的第一表面和第二表面，其中第一表面为出光面；
金属反射层，形成于所述发光外延叠层的第二表面之上；
保护层，形成于所述金属反射层的表面和侧壁上，其与所述金属反射层之间无间隙连接。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述金属反射层的侧壁与所述外延叠层的表面的夹角为30~85°。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光外延叠层的第二表面与所述金属反射层之间依次设有：
透光性介电层，位于所述发光外延叠层的第二表面上，其内部具有导电通孔；
第一透明粘附层，位于所述透光性介电层之远离发光外延叠层的一侧表面上，并覆盖所述导电通孔的侧壁；
第二透明粘附层，位于所述第一透明粘附层之远离所述透光性介电层的一侧表面上。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述透光性介电层的厚度为50nm以上。
5.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述第一透明粘附层为透明绝缘粘附层，其覆盖所述透明性介电层之远离发光外延叠层的一侧表面。
6.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述第一透明粘附层的厚度为20nm以下。
7.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述第二透明粘附层为透明导电粘附层。
8.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述第二透明粘附层的厚度为10nm以下。
9.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述第一透明粘附层的厚度为透光性介电层厚度的1/10以下。
10.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述透光性介电层由多个子层构成，所述第一透明粘附层的厚度为所述透光性介电层的任意一子层厚度的1/5以下。
11.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述透光性介电层为氟化镁层，第一透明粘附层为氧化硅层，所述第二透明粘附层为ITO层，所述金属反射层为银反射层。
12.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述导电通孔内填充金属欧姆接触层，其远离所述外延叠层一侧的表面与所述第一透明粘附层齐平。
13.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光外延叠层的第二表面与所述反射层之间依次设有：
透光性介电层，位于所述发光外延叠层的第二表面上，其内部具有导电通孔，至少包含第一层和第二层，其中第一层临近所述发光外延叠层，第二层远离所述发光外延叠层，其中所述第二层为薄层结构，其厚度为第一层的厚度的1/10以下，作为所述第一层的粘附层；
透明导电粘附层，位于所述透光性介电层的第二子层的表面上。
14.根据权利要求13所述的发光二极管，其特征在于：所述第一层为多个子层构成，所述第二层的厚度为所述第一层的任意一子层厚度的1/5以下。
15.根据权利要求13所述的发光二极管，其特征在于：所述第一层的厚度为50nm以上。
16.根据权利要求13所述的发光二极管，其特征在于：所述第二层的厚度为20nm以下。
17.根据权利要求13所述的发光二极管，其特征在于：所述透明导电粘附的厚度为10nm以下。
18.根据权利要求13所述的发光二极管，其特征在于：所述第一层为氟化镁层，第二层为氧化硅层，所述透明导电粘附层为ITO层，所述金属反射层为银反射层。
19.一种发光二极管的制作方法，包括步骤：
（1）提供一发光外延结构，包含第一类型半导体层、有源层和第二类型半导体层，具有对相的第一表面和第二表面，其中第一表面为出光面；
（2）在所述外延结构的第二表面上形成金属反射层；
（3）对所述金属反射层的边缘区域进行湿法蚀刻，使其呈现正梯形截面或矩形截面；
（4）在所述金属反射层上形成保护层，其同时覆盖所述金属反射层的上表面和侧壁，且与所述金属反射层之间无间隙连接。
20.根据权利要求19所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）包含以下子步骤：
（31）对所述金属反射层边缘区域的表面进行预处理；
（32）在所述金属反射层上形成掩膜层，至少裸露出所述金属反射层部分经预处理的表面；
（33）对所述金属反射层进行蚀刻，其中经预处理的区域的蚀刻速率较大，经蚀刻后的所述金属反射层呈现正梯形截面或矩形截面。
21.根据权利要求20所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（31）中，所述预处理为氧化处理。
22.根据权利要求21所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（31）中，先在所述金属反射层的中间区域形成隔离层进行保护，然后对所述反射层的边缘区域的表面进行氧化处理。
23.根据权利要求19所述的发光二极管，其特征在于：所述步骤（2）中包含以下子步骤：
（21）在所述发光外延叠层的第二表面形成透光性介电层，其内部具有导电通孔；
（22）在所述透光性介电层上形成第一透明粘附层，其同时覆盖所述透光性介电层的上表面和所述导电通孔的侧壁；
（23）在所述透光性介电层上形成第二透明粘附层；
（24）在所述第二透明粘附层上形成金属反射层；
其中所述第一透明粘附层的厚度为所述透光性介电层厚度的1/10以下。
24.根据权利要求19所述的发光二极管，其特征在于：所述步骤（2）中包含以下子步骤：
（21）在所述发光外延叠层的第二表面形成透光性介电层，其内部具有导电通孔，至少包含第一层和第二层，其中第一层临近所述发光外延叠层，第二层远离所述发光外延叠层，其中所述第二层为薄层结构，其厚度为第一层的厚度的1/10以下，作为所述第一层的粘附层；
（22）在所述透光性介电层上形成透明粘附层；
（23）在所述透明粘附层上形成金属反射层。
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