CN108365057A - 一种垂直结构发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种垂直结构发光二极管及其制造方法，在N型电极上沉积SiO2保护层，令SiO2保护层包裹P型氮化镓层、多量子阱层、N型氮化镓层和N型电极的侧面，仅仅将N型电极的上表面暴露出来，或者仅仅将N型电极上需要焊线的部分暴露出来。本发明采用SiO2材料包覆N型电极，利用SiO2与有机硅的极佳黏附性，增强了LED晶片与荧光粉之间的粘附力，改善了荧光粉脱落的问题，减少了异常，提高了产品品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直结构发光二极管及其制造方法。
背景技术
LED芯片是一种固态的半导体发光器件，也称为LED发光二极管、LED芯片二极管、LED发光芯片，具有能耗低，体积小、寿命长，稳定性好，响应快，发光波长稳定等光电性能特点，是LED灯的核心组件，目前已经在照明、家电、显示屏、指示灯等领域有广范的应用。其主要功能是可以直接将电能转化为光能，LED芯片的主要材料为单晶硅。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一部分是N型半导体，在其中主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
LED芯片有两种基本结构，横向结构（Lateral）和垂直结构（Vertical）。横向结构LED芯片的两个电极位于LED芯片的同一侧，电流在n-和p-类型限制层中横向流动不等的距离。垂直结构的LED芯片的两个电极位于LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部的p-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，减少了横向流动的电流，可以改善横向结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。基垂直结构LED具有散热好，能够承载大电流，发光强度高，耗电量小、寿命长等优点，在通用照明、景观照明、特种照明、汽车照明中被广泛应用。GaN基垂直结构LED是半导体器件的研究热点。
如图1所示，是典型的垂直结构LED晶片的结构示意图，衬底1上设置有功能层2，功能层上设置有外延层。功能层包含设置在衬底1上的阻挡层（Barrier）201，设置在阻挡层201上的反射层（REF）202，以及设置在反射层202上的欧姆接触层（ITO）203。外延层包含设置在欧姆接触层203上的P型氮化镓层（P-GaN）3，设置在P型氮化镓层3上的多量子阱层（MQW）4，以及设置在多量子阱层4上的N型氮化镓层（N-GaN）5。N型电极（N-Pad）6设置在N型氮化镓层5上。
N型电极结构一般采用金属或合金材料，可以设置为多层结构，最上层采用贵金属金（Au）。在白光封装工艺中，在LED晶片上涂布荧光粉需要使用硅胶（一种有机硅），有机硅与Au金属的黏附性较差，在后续工艺中易发生荧光粉涂层脱落的情况，降低了产品品质。
发明内容
本发明提供一种垂直结构发光二极管及其制造方法，采用SiO2材料包覆N型电极，利用SiO2与有机硅的极佳黏附性，增强了LED晶片与荧光粉之间的粘附力，改善了荧光粉脱落的问题，减少了异常，提高了产品品质。
为了达到上述目的，本发明提供一种垂直结构发光二极管制造方法，包含以下步骤：
步骤S1、在生长衬底上形成外延层；
外延层包含形成在生长衬底的掺杂氮化镓层，形成在掺杂氮化镓层上的N型氮化镓层，形成在N型氮化镓层上的多量子阱层，以及形成在多量子阱层上的P型氮化镓层；
步骤S2、在外延层上形成功能层；
步骤S3、去除生长衬底，并将键合衬底与功能层键合；
步骤S4、刻蚀掺杂氮化镓层，暴露出N型氮化镓层，并对暴露出的N型氮化镓层进行表面粗化处理；
步骤S5、在N型氮化镓层上形成N型电极；
步骤S6、沉积SiO2保护层，令SiO2保护层包裹P型氮化镓层、多量子阱层、N型氮化镓层和N型电极的侧面，仅仅将N型电极的上表面暴露出来。
所述的形成功能层的方法包含：
在P型氮化镓层上形成欧姆接触层；
在欧姆接触层上形成反射层；
以及在反射层上形成阻挡层。
本发明还提供一种垂直结构发光二极管，包含：
键合衬底；
位于键合衬底上的功能层；
位于功能层上的外延层，该外延层包含位于欧姆接触层上的P型氮化镓层，位于P型氮化镓层上的多量子阱层，以及位于多量子阱层上的N型氮化镓层；
位于外延层上的N型电极；
SiO2保护层，其包裹P型氮化镓层、多量子阱层、N型氮化镓层和N型电极的侧面，仅仅将N型电极的上表面暴露出来。
所述的功能层包含：
位于键合衬底上的阻挡层；
位于阻挡层上的反射层；
以及位于反射层上的欧姆接触层。
本发明还提供一种垂直结构发光二极管制造方法，包含以下步骤：
步骤S1、在生长衬底上形成外延层；
外延层包含形成在生长衬底的掺杂氮化镓层，形成在掺杂氮化镓层上的N型氮化镓层，形成在N型氮化镓层上的多量子阱层，以及形成在多量子阱层上的P型氮化镓层；
步骤S2、在外延层上形成功能层；
步骤S3、去除生长衬底，并将键合衬底与功能层键合；
步骤S4、刻蚀掺杂氮化镓层，暴露出N型氮化镓层，并对暴露出的N型氮化镓层进行表面粗化处理；
步骤S5、在N型氮化镓层上形成N型电极；
步骤S6、沉积SiO2保护层，令SiO2保护层包裹P型氮化镓层、多量子阱层、N型氮化镓层和N型电极的侧面，仅仅将N型电极上需要焊线的部分暴露出来。
所述的形成功能层的方法包含：
在P型氮化镓层上形成欧姆接触层；
在欧姆接触层上形成反射层；
以及在反射层上形成阻挡层。
本发明还提供一种垂直结构发光二极管，包含：
键合衬底；
位于键合衬底上的功能层；
位于功能层上的外延层，该外延层包含位于欧姆接触层上的P型氮化镓层，位于P型氮化镓层上的多量子阱层，以及位于多量子阱层上的N型氮化镓层；
位于外延层上的N型电极；
SiO2保护层，其包裹P型氮化镓层、多量子阱层、N型氮化镓层和N型电极的侧面，仅仅将N型电极上需要焊线的部分暴露出来。
所述的功能层包含：
位于键合衬底上的阻挡层；
位于阻挡层上的反射层；
以及位于反射层上的欧姆接触层。
本发明采用SiO2材料包覆N型电极，利用SiO2与有机硅的极佳黏附性，增强了LED晶片与荧光粉之间的粘附力，改善了荧光粉脱落的问题，减少了异常，提高了产品品质。
附图说明
图1是背景技术中垂直结构LED的结构示意图。
图2是本发明提供的一种垂直结构发光二极管制造方法的流程图。
图3是本发明实施例中形成外延层的示意图。
图4是本发明一个实施例中提供的一种垂直结构发光二极管的结构示意图。
图5是本发明另一个实施例中提供的一种垂直结构发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
以下根据图2～图5，具体说明本发明的较佳实施例。
如图2所示，本发明提供一种垂直结构发光二极管制造方法，包含以下步骤：
步骤S1、在生长衬底8上形成外延层；
外延层包含形成在生长衬底8的掺杂氮化镓层9，形成在掺杂氮化镓层9上的N型氮化镓层5，形成在N型氮化镓层5上的多量子阱层4，以及形成在多量子阱层4上的P型氮化镓层3；
步骤S2、在外延层上形成功能层；
功能层包含形成在P型氮化镓层3上的欧姆接触层203，形成在欧姆接触层203上的反射层202，以及形成在反射层202上的阻挡层201；
步骤S3、去除生长衬底8，并将键合衬底1与功能层键合；
步骤S4、刻蚀掺杂氮化镓层9，暴露出N型氮化镓层5，并对暴露出的N型氮化镓层5进行表面粗化处理；
步骤S5、在N型氮化镓层5上形成N型电极6；
步骤S6、沉积SiO2保护层7，令SiO2保护层7包裹P型氮化镓层3、多量子阱层4、N型氮化镓层5和N型电极6的侧面，仅仅将N型电极6的上表面暴露出来，或者仅仅将N型电极6上需要焊线的部分暴露出来。
在本发明的一个实施例中，如图3所示，首先提供一生长衬底8，生长衬底8 可以为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底或图形化衬底。在该生长衬底8上形成外延层。采用MOCVD金属有机气相沉积/MBE分子束外延等生长方法在生长衬底8上依次形成掺杂氮化镓层9、N型氮化镓层5、多量子阱层4和P型氮化镓层3。
在P型氮化镓层3上形成功能层2。首先，在P型氮化镓层3上形成欧姆接触层203，欧姆接触层203的材料包含氧化铟锡（ITO）、氧化锌（ZnO）或掺铝氧化锌（AZO）等低电阻，高透光率的氧化物，可以通过溅射（Sputter）方式或者等离子辅助沉积（RPD）方式形成。继续在欧姆接触层203上形成反射层202，反射层202的材料包含银（Ag）、铝（Al）或铑（Rh）等高反射率金属。最后在欧姆接触层203上形成阻挡层201，所述阻挡层201的材料包含氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）或氮化硅（SiN），可以通过CVD工艺进行沉积，然后经过光刻刻蚀工艺之后得到具有所需图形的阻挡层201。
提供一键合衬底1，键合衬底1的材质为Si、Cu 或MoCu 等导电且散热良好的衬底，将该键合衬底1与阻挡层201键合，并去除生长衬底8，可以采用激光剥离或化学剥离去除所述生长衬底8。
对掺杂氮化镓层9进行整面刻蚀或者图形化刻蚀，暴露出N型氮化镓层5。对暴露出的N型氮化镓层5进行表面粗化处理，增加N型氮化镓层5的表面积，进而增加出光的面积，从而提高垂直型LED 芯片结构的出光效率。这一粗化过程可以利用湿法刻蚀来完成，例如使用的刻蚀液可以是氢氧化钾（KOH）溶液、硫酸（H2SO4）溶液等。
在N型氮化镓层5上，采用蒸镀工艺在N型氮化镓层5上形成N型电极6，N型电极6的上表面高于N型氮化镓层5的粗糙上表面以暴露出所述N型电极6，该N型电极6的材质可以是镍（Ni）/金（Au），铝（Al）/钛（Ti）/铂（Pt）/金（Au），铬（Cr）/铂（Pt）/金（Au）等。
如图4所示，采用PECVD等离子体增强化学气相沉积法沉积SiO2保护层7，使用浓度为10%的SiH4/N2气体（硅烷/氮气混合气体）70sccm（标准毫升/分钟），以及N2O气体（一氧化二氮气体）1000sccm，在600mTorr（微米汞柱）的压强下，260℃的温度下，80W的功率下，先后分两次进行沉积，生成致密性良好的SiO2保护层。
该SiO2保护层7包裹P型氮化镓层3、多量子阱层4、N型氮化镓层5和N型电极6的侧面，仅仅将N型电极6的上表面暴露出来。由于SiO2与有机硅的黏附性极佳，增强了LED晶片与荧光粉之间的粘附力，改善了荧光粉脱落的问题，提高了产品品质。
采用上述制造方法获得的垂直结构发光二极管的结构包含：
键合衬底1；
位于键合衬底1上的功能层2，该功能层进一步包含位于键合衬底1上的阻挡层201，位于阻挡层201上的反射层202，以及位于反射层202上的欧姆接触层203；
位于功能层2上的外延层，该外延层进一步包含位于欧姆接触层203上的P型氮化镓层3，位于P型氮化镓层3上的多量子阱层4，以及位于多量子阱层4上的N型氮化镓层5；
位于外延层上的N型电极6；
SiO2保护层7，其包裹P型氮化镓层3、多量子阱层4、N型氮化镓层5和N型电极6的侧面，仅仅将N型电极6的上表面暴露出来。
在本发明的另一个实施例中，如图3所示，首先提供一生长衬底8，生长衬底8 可以为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底或图形化衬底。在该生长衬底8上形成外延层。采用MOCVD金属有机气相沉积/MBE分子束外延等生长方法在生长衬底8上依次形成掺杂氮化镓层9、N型氮化镓层5、多量子阱层4和P型氮化镓层3。
在P型氮化镓层3上形成功能层2。首先，在P型氮化镓层3上形成欧姆接触层203，欧姆接触层203的材料包含氧化铟锡（ITO）、氧化锌（ZnO）或掺铝氧化锌（AZO）等低电阻，高透光率的氧化物，可以通过溅射（Sputter）方式或者等离子辅助沉积（RPD）方式形成。继续在欧姆接触层203上形成反射层202，反射层202的材料包含银（Ag）、铝（Al）或铑（Rh）等高反射率金属。最后在欧姆接触层203上形成阻挡层201，所述阻挡层201的材料包含氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）或氮化硅（SiN），可以通过CVD工艺进行沉积，然后经过光刻刻蚀工艺之后得到具有所需图形的阻挡层201。
提供一键合衬底1，键合衬底1的材质为Si、Cu 或MoCu 等导电且散热良好的衬底，将该键合衬底1与阻挡层201键合，并去除生长衬底8，可以采用激光剥离或化学剥离去除所述生长衬底8。
对掺杂氮化镓层9进行整面刻蚀或者图形化刻蚀，暴露出N型氮化镓层5。对暴露出的N型氮化镓层5进行表面粗化处理，增加N型氮化镓层5的表面积，进而增加出光的面积，从而提高垂直型LED 芯片结构的出光效率。这一粗化过程可以利用湿法刻蚀来完成，例如使用的刻蚀液可以是氢氧化钾（KOH）溶液、硫酸（H2SO4）溶液等。
在N型氮化镓层5上，采用蒸镀工艺在N型氮化镓层5上形成N型电极6，N型电极6的上表面高于N型氮化镓层5的粗糙上表面以暴露出所述N型电极6，该N型电极6的材质可以是镍（Ni）/金（Au），铝（Al）/钛（Ti）/铂（Pt）/金（Au），铬（Cr）/铂（Pt）/金（Au）等。
如图5所示，采用PECVD等离子体增强化学气相沉积法沉积SiO2保护层7，使用浓度为10%的SiH4/N2气体（硅烷/氮气混合气体）70sccm（标准毫升/分钟），以及N2O气体（一氧化二氮气体）1000sccm，在600mTorr（微米汞柱）的压强下，260℃的温度下，80W的功率下，先后分两次进行沉积，生成致密性良好的SiO2保护层。
该SiO2保护层7包裹P型氮化镓层3、多量子阱层4、N型氮化镓层5和N型电极6的侧面，仅仅将N型电极6上需要焊线的部分暴露出来。由于SiO2与有机硅的黏附性极佳，增强了LED晶片与荧光粉之间的粘附力，改善了荧光粉脱落的问题，提高了产品品质。
采用上述制造方法获得的垂直结构发光二极管的结构包含：
键合衬底1；
位于键合衬底1上的功能层2，该功能层进一步包含位于键合衬底1上的阻挡层201，位于阻挡层201上的反射层202，以及位于反射层202上的欧姆接触层203；
位于功能层2上的外延层，该外延层进一步包含位于欧姆接触层203上的P型氮化镓层3，位于P型氮化镓层3上的多量子阱层4，以及位于多量子阱层4上的N型氮化镓层5；
位于外延层上的N型电极6；
SiO2保护层7，其包裹P型氮化镓层3、多量子阱层4、N型氮化镓层5和N型电极6的侧面，仅仅将N型电极6上需要焊线的部分暴露出来。
本发明采用SiO2材料包覆N型电极，利用SiO2与有机硅的极佳黏附性，增强了LED晶片与荧光粉之间的粘附力，改善了荧光粉脱落的问题，减少了异常，提高了产品品质。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种垂直结构发光二极管制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、在生长衬底上形成外延层；
外延层包含形成在生长衬底的掺杂氮化镓层，形成在掺杂氮化镓层上的N型氮化镓层，形成在N型氮化镓层上的多量子阱层，以及形成在多量子阱层上的P型氮化镓层；
步骤S2、在外延层上形成功能层；
步骤S3、去除生长衬底，并将键合衬底与功能层键合；
步骤S4、刻蚀掺杂氮化镓层，暴露出N型氮化镓层，并对暴露出的N型氮化镓层进行表面粗化处理；
步骤S5、在N型氮化镓层上形成N型电极；
步骤S6、沉积SiO2保护层，令SiO2保护层包裹P型氮化镓层、多量子阱层、N型氮化镓层和N型电极的侧面，仅仅将N型电极的上表面暴露出来。
2.如权利要求1所述的垂直结构发光二极管制造方法，其特征在于，所述的形成功能层的方法包含：
在P型氮化镓层上形成欧姆接触层；
在欧姆接触层上形成反射层；
以及在反射层上形成阻挡层。
3.一种垂直结构发光二极管，其特征在于，包含：
键合衬底；
位于键合衬底上的功能层；
位于功能层上的外延层，该外延层包含位于功能层上的P型氮化镓层，位于P型氮化镓层上的多量子阱层，以及位于多量子阱层上的N型氮化镓层；
位于外延层上的N型电极；
SiO2保护层，其包裹P型氮化镓层、多量子阱层、N型氮化镓层和N型电极的侧面，仅仅将N型电极的上表面暴露出来。
4.如权利要求3所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述的功能层包含：
位于键合衬底上的阻挡层；
位于阻挡层上的反射层；
以及位于反射层上的欧姆接触层。
5.一种垂直结构发光二极管制造方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1、在生长衬底上形成外延层；
外延层包含形成在生长衬底的掺杂氮化镓层，形成在掺杂氮化镓层上的N型氮化镓层，形成在N型氮化镓层上的多量子阱层，以及形成在多量子阱层上的P型氮化镓层；
步骤S2、在外延层上形成功能层；
步骤S3、去除生长衬底，并将键合衬底与功能层键合；
步骤S4、刻蚀掺杂氮化镓层，暴露出N型氮化镓层，并对暴露出的N型氮化镓层进行表面粗化处理；
步骤S5、在N型氮化镓层上形成N型电极；
步骤S6、沉积SiO2保护层，令SiO2保护层包裹P型氮化镓层、多量子阱层、N型氮化镓层和N型电极的侧面，仅仅将N型电极上需要焊线的部分暴露出来。
6.如权利要求5所述的垂直结构发光二极管制造方法，其特征在于，所述的形成功能层的方法包含：
在P型氮化镓层上形成欧姆接触层；
在欧姆接触层上形成反射层；
以及在反射层上形成阻挡层。
7.一种垂直结构发光二极管，其特征在于，包含：
键合衬底；
位于键合衬底上的功能层；
位于功能层上的外延层，该外延层包含位于欧姆接触层上的P型氮化镓层，位于P型氮化镓层上的多量子阱层，以及位于多量子阱层上的N型氮化镓层；
位于外延层上的N型电极；
SiO2保护层，其包裹P型氮化镓层、多量子阱层、N型氮化镓层和N型电极的侧面，仅仅将N型电极上需要焊线的部分暴露出来。
8.如权利要求7所述的垂直结构发光二极管，其特征在于，所述的功能层包含：
位于键合衬底上的阻挡层；
位于阻挡层上的反射层；
以及位于反射层上的欧姆接触层。
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|---|---|---|---|---|
| CN111933765A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-11-13 | 厦门士兰明镓化合物半导体有限公司 | 微型发光二极管及制作方法，微型led显示模块及制作方法 |
| CN112038455A (zh) * | 2020-08-27 | 2020-12-04 | 厦门士兰明镓化合物半导体有限公司 | 紫外发光二极管及其制造方法 |
| JP2022096917A (ja) * | 2020-12-18 | 2022-06-30 | 日亜化学工業株式会社 | 発光素子の製造方法 |
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Application publication date: 20180803 |