CN108365073A - 一种反射层金属结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反射层金属结构及其制造方法，适用于倒装结构或垂直结构的LED芯片，在高反射率的银层上方增加钛金属层，防止银扩散同时增加后续膜层的黏附性，使反射层薄膜具有高稳定性，高粘附力，可以有效降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种反射层金属结构及其制造方法。
背景技术
LED行业主流的芯片结构常见的有正装、倒装、垂直三类，其中倒装、垂直因相较于正装产品的高性能而受到更多得关注。
传统的正装结构LED芯片，P型GaN掺杂困难导致空穴载流子浓度低下和不易长厚而导致电流不易扩散，当前普遍采用在P型GaN表面制备超薄金属薄膜或ITO薄膜的方法达到电流得均匀扩散。但是金属薄膜电极层要吸收部分光降低出光效率，如果厚度减薄反过来又限制电流扩散层在P型GaN层表面实现均匀和可靠的电流扩散。ITO透光率虽然高达90％，但电导率却不及金属，电流的扩散效果亦有限。而且这种结构的电极和引线做到出光面，工作时会挡住部分光线。因此，这种P型接触结构制约了LED芯片的工作电流大小。另一方面，这种结构的PN结热量通过蓝宝石衬底导出，鉴于蓝宝石的导热系数很低，对大尺寸的功率型芯片来说导热路径较长，这种LED芯片的热阻较大，工作电流也受到限制。
为了克服正装LED芯片的这些不足，业界提出一种倒装结构的LED芯片(Flipchip)。如图1所示，包括蓝宝石衬底31、外延层32和焊接层33。在进行封装时首先制备具有适合共晶焊接的大尺寸倒装LED芯片，同时制备相应尺寸的散热载基板35，并在其上制作共晶焊接电极的金导电层和引出导电层，例如超声波金丝球焊点34。然后，利用共晶焊接设备将大尺寸倒装LED芯片与散热载基板35通过超声波金丝球焊点34焊接在一起。在这种结构中，光从蓝宝石衬底31取出。由于光不从电流扩散层出射，这样不透光的电流扩散层可以加厚，可以均匀倒装LED芯片的电流密度分布。同时这种结构还可以将PN结的热量直接通过金导电层或金属凸点导给热导系数比蓝宝石高3～5倍的硅衬底，散热效果更优；而且在PN结与P电极之间增加了一个反射层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。
正装、倒装的LED芯片均为横向结构，其中的两个电极位于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。而垂直结构的LED芯片剥离衬底，其中的两个电极位于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。如图2所示，是典型的垂直结构LED晶片的示意图，如图2所示，是典型的垂直结构LED晶片的示意图，包含阻挡层(Barrier)46、反射层45、欧姆接触层44、外延层，所述外延层包含P-GaN(P型氮化镓)层43，多量子阱(MQW)层42，N-GaN(N型氮化镓)层41。N-GaN层41设置N型电极(N-Pad)48，整个P-GaN层24则作为P型电极。
在倒装、垂直结构的LED芯片中都使用到的反射层，依赖Ag等金属的高反射率，对量子阱层发射到芯片底部的光进行定向性的反射，增加出光量；Ag层再依次以TiW(钛钨)层及Pt(铂金)层包覆，防止Ag扩散，但使用Pt的成本较高。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种反射层金属结构及其制造方法，在反射层中使用Ag-Ti(银-钛)，具有高稳定性，高粘附力及降低成本的效果。
为了达到上述目的，本发明的技术方案在于提供：
一种反射层金属结构，适用于倒装结构LED芯片，所述LED芯片包含：
衬底，及依次形成于所述衬底上的N-GaN层、量子阱层和P-GaN层、欧姆接触层、反射层；
贯穿所述反射层、欧姆接触层、P-GaN层及量子阱层的第一电极接触孔；
形成于所述第一电极接触孔并与所述N-GaN层相连接的第一电极；
与所述反射层相连接的第二电极；
其中，所述反射层包含形成在所述欧姆接触层上的银层，以及形成在银层上的钛层。
优选地，所述反射层中银层的厚度为1200～2500埃，钛层的厚度为800～1500埃。
优选地，所述LED芯片进一步包含隔离层，所述隔离层覆盖所述反射层及第一电极接触孔的侧壁，所述第二电极与从所述隔离层的开口处暴露出的反射层相连接，所述第一电极与第一电极接触孔底部暴露出的N-GaN层相连接。
提供一种反射层金属结构，适用于垂直结构的LED芯片，所述LED芯片包含：
键合衬底，及依次位于所述键合衬底上的金属键合层、反射层、欧姆接触层、P-GaN层、量子阱层、N-GaN层；
与所述N-GaN层相连接的第一电极；
其中，所述反射层包含形成在欧姆接触层表面的银层，以及形成在银层表面的钛层。
优选地，所述反射层中银层的厚度为1200～2500埃，钛层的厚度为800～1500埃。
提供一种反射层金属结构的制造方法，在LED芯片的欧姆接触层上形成反射层的过程，包含：采用溅射方式，在所述欧姆接触层上形成银层，并在银层上形成钛层。
优选地，倒装结构的LED芯片，其制造过程包含：
提供前端结构，所述前端结构包括衬底，及依次形成于所述衬底上的N-GaN层、量子阱层和P-GaN层；
在所述前端结构上形成欧姆接触层，并进行图案化，暴露出P-GaN层；
在所述欧姆接触层上形成所述反射层，并进行图案化，将所述欧姆接触层开口处的P-GaN层暴露出来；
刻蚀暴露出的P-GaN层、量子阱层形成第一电极接触孔，并延伸到N-GaN层；
在第一电极接触孔中形成第一电极；
在所述反射层上形成第二电极。
优选地，倒装结构的LED芯片中，在形成所述第一电极接触孔后形成隔离层，所述隔离层覆盖所述反射层及第一电极接触孔的侧壁；
所述第二电极形成在所述隔离层上，并与从所述隔离层的开口处暴露出的反射层相连接；
所述第一电极形成在所述隔离层上，并与第一电极接触孔底部暴露出的N-GaN层相连接。
优选地，垂直结构的LED芯片，其制造过程包含：
提供前端结构，所述前端结构包含生长衬底，及依次形成在所述生长衬底上的UID-GaN缓冲层、N-GaN层、量子阱层和P-GaN层；
在所述前端结构上依次形成欧姆接触层、反射层、金属键合层；
在所述金属键合层上形成键合衬底，并将其与金属键合层进行键合；
去除所述生长衬底；
刻蚀所述UID-GaN缓冲层，暴露出N-GaN层；
在所述N-GaN层表面形成第一电极。
现有技术中使用Pt对金属银包裹及用于后续金属连接，其作为贵金属，理论上更稳定，但成本高。与之相比，本发明的反射层金属结构及其制造方法，在高反射率的银层上方增加钛金属层，防止银扩散同时增加后续膜层的黏附性，使反射层薄膜具有高稳定性，高粘附力。本发明只需简单地将作业机台所使用的金属靶材进行替换，可以有效降低制造成本，提升产能。
附图说明
图1是典型的倒装结构LED芯片的示意图；
图2是典型的垂直结构的LED芯片的示意图；
图3-图6是本发明的一种倒装结构LED芯片对应制造过程的示意图；
图7-图9是本发明的一种垂直结构LED芯片对应制造过程的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种反射层金属结构及其制造方法，在LED芯片的反射层中使用Ag-Ti(银-钛)的结构，由钛金属实现对银层的保护防止银析出和流动，并且高粘附金属实现对后续薄膜的粘附。本发明所述的反射层金属结构，适用于倒装结构或垂直结构的LED芯片。
如图3～图6所示，倒装结构的LED芯片及其制造方法，包括以下过程：
如图3所示，提供前端结构，包括蓝宝石衬底10，以及采用MOCVD/MBE分子束外延等生长方法，依次形成于所述蓝宝石衬底10正面上的N-GaN层11、量子阱层12和P-GaN层13。
在所述前端结构表面上形成欧姆接触层14，并进行图案化，暴露出所述P-GaN层13；所述欧姆接触层14的材料可以是ITO(掺锡氧化铟)和/或AZO(掺铝氧化锌)。可以通过溅射(Sputter)方式或者等离子辅助沉积(RPD)方式形成。
在所述欧姆接触层14上形成反射层15，并进行图案化，对应于欧姆接触层14的开口，将所述P-GaN层13暴露出来。所述反射层15进一步包含分别采用溅射方式，形成在所述欧姆接触层14上的银层151，形成在银层151上的钛层153。可以使银层151的边缘略向内缩，使上方的钛层153能够将银层151的边缘都包裹起来；钛层153可以有效防止银析出和流动，防止银迁移异常导致的漏电，起到金属连接层的作用，并实现对后续薄膜的粘附。
银层151的厚度设计，需要考虑到光学能力：最薄是考虑光线反射和膜层制备均匀性的问题；同时，由于Ag金属具备容易聚集的特性，厚度过厚时则会聚集成块造成反射率下降。钛层153的厚度设计，主要在于对金属Ag包裹能力的考量，故需要一定厚度，但过厚的时候膜层的应力会恶化造成脱落。本实施例中，银层151的厚度为1200～2500埃钛层153的厚度为800～1500埃上述示例不作为对反射层薄膜的厚度范围的限制。
如图4所示，采用干法刻蚀等工艺，暴露出的P-GaN层13、量子阱层12形成第一电极接触孔16，其底部延伸至N-GaN层11。
如图5所示，形成隔离层17，所述隔离层17覆盖所述反射层15的大部分及第一电极接触孔16的侧壁，所述隔离层17还形成有开口将反射层15暴露出来。所述隔离层17的材料例如可以是氧化硅，经过PECVD，并结合光刻、BOE刻蚀技术形成，从而达到保护刻蚀边框的作用。
如图6所示，在所述第一电极接触孔16中形成第一电极18；在隔离层17的开口处形成与反射层15相连接的第二电极19；所述第一电极18和第二电极19可以采用电子束/溅射的方式，使用负胶去除技术形成。所述第一电极18和第二电极19用作与封装基板(未图示)的键合。
获得本发明的倒装LED芯片，包括：
蓝宝石衬底11，依次形成于所述蓝宝石衬底11正面上的N-GaN层11、量子阱层12和P-GaN层13；形成于所述P-GaN层13上的欧姆接触层14；形成于所述欧姆接触层14上的反射层15；所述反射层15进一步包含银层151、钛层153；贯穿所述反射层15、欧姆接触层14、P-GaN层13及量子阱层12的第一电极接触孔16；第一电极18形成于所述第一电极接触孔16中，并与N-GaN层11相连接；第二电极19与所述反射层15相连接。
如图7～图9所示，垂直结构的LED芯片及其制造方法，包括以下过程：
如图7所示，提供前端结构，所述前端结构包含生长衬底20-1，通常为蓝宝石衬底、Si(硅)衬底、SiC(碳化硅)衬底或图形化衬底；在所述生长衬底20-1上形成UID(非故意掺杂)-GaN缓冲层20。
在UID-GaN缓冲层20上形成外延层，所述外延层包括依次形成的N-GaN层21、量子阱层22和P-GaN层23。
在所述P-GaN层23上形成欧姆接触层24，所述欧姆接触层24为透明导电薄膜，其材质为AZO、ITO或ZnO(氧化锌)。
在所述欧姆接触层24上形成反射层25，所述反射层25进一步包含采用溅射方式依次形成的银层251、钛层253。可以使银层251的边缘略向内缩，使上方的钛层253能够将银层251的边缘都包裹起来；钛层253可以有效防止银析出和流动，实现对后续薄膜的粘附。
本实施例中，银层251的厚度为1200～2500埃钛层253的厚度为800～1500埃上述示例不作为对反射层薄膜的厚度范围的限制。
在所述放射层25上形成金属键合层26，其材质为Au-Au(金-金)或Au-Sn(金-锡)。
在所述金属键合层26上形成键合衬底27；所述键合衬底27的材质为Si、WCu(钨铜合金)或MoCu(钼铜合金)，所述金属键合层26和键合衬底27之间采用高温键合法进行键合。
如图8所示，采用激光剥离去除所述生长衬底20-1，暴露出UID-GaN缓冲层20。
如图9所示，对UID-GaN缓冲层20进行整面刻蚀或者图形化刻蚀，暴露出N-GaN层21。采用蒸镀工艺在所述N-GaN层21表面形成第一电极28，其与所述N-GaN层21欧姆接触，用于导电。其中，所述第一电极28的材质为Ni(镍)、Au、Al(铝)、Ti、Pt、Cr(铬)、Ni/Au合金、Al/Ti/Pt/Au合金或Cr/Pt/Au合金。
获得本发明的垂直结构LED芯片，包括：
键合衬底27、金属键合层26、反射层25、欧姆接触层24、P-GaN层23、量子阱层22、N-GaN层21。所述反射层25包含有银层251、钛层253。第一电极28与所述N-GaN层21相连接。
本发明对倒装结构及垂直结构LED芯片的现有处理工艺不做限制，可根据实际应用情况与本发明结合。例如，对出光面进行表面粗化处理，以增加其表面积，提高出光效率。
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 (9)
1.一种反射层金属结构，适用于倒装结构LED芯片，所述LED芯片包含：
衬底，及依次形成于所述衬底上的N-GaN层、量子阱层和P-GaN层、欧姆接触层、反射层；
贯穿所述反射层、欧姆接触层、P-GaN层及量子阱层的第一电极接触孔；
形成于所述第一电极接触孔并与所述N-GaN层相连接的第一电极；
与所述反射层相连接的第二电极；
其特征在于，所述反射层包含形成在所述欧姆接触层上的银层，以及形成在银层上的钛层。
2.如权利要求1所述的反射层金属结构，其特征在于，
所述反射层中银层的厚度为1200～2500埃，钛层的厚度为800～1500埃。
3.如权利要求2所述的反射层金属结构，其特征在于，
所述LED芯片进一步包含隔离层，所述隔离层覆盖所述反射层及第一电极接触孔的侧壁，所述第二电极与从所述隔离层的开口处暴露出的反射层相连接，所述第一电极与第一电极接触孔底部暴露出的N-GaN层相连接。
4.一种反射层金属结构，适用于垂直结构的LED芯片，所述LED芯片包含：
键合衬底，及依次位于所述键合衬底上的金属键合层、反射层、欧姆接触层、P-GaN层、量子阱层、N-GaN层；
与所述N-GaN层相连接的第一电极；
其特征在于，所述反射层包含形成在欧姆接触层表面的银层，以及形成在银层表面的钛层。
5.如权利要求4所述的反射层金属结构，其特征在于，
所述反射层中银层的厚度为1200～2500埃，钛层的厚度为800～1500埃。
6.一种反射层金属结构的制造方法，其特征在于，
在LED芯片的欧姆接触层上形成反射层的过程，包含：采用溅射方式，在所述欧姆接触层上形成银层，并在银层上形成钛层。
7.如权利要求6所述反射层金属结构的制造方法，其特征在于，
倒装结构的LED芯片，其制造过程包含：
提供前端结构，所述前端结构包括衬底，及依次形成于所述衬底上的N-GaN层、量子阱层和P-GaN层；
在所述前端结构上形成欧姆接触层，并进行图案化，暴露出P-GaN层；
在所述欧姆接触层上形成所述反射层，并进行图案化，将所述欧姆接触层开口处的P-GaN层暴露出来；
刻蚀暴露出的P-GaN层、量子阱层形成第一电极接触孔，并延伸到N-GaN层；
在第一电极接触孔中形成第一电极；
在所述反射层上形成第二电极。
8.如权利要求7所述反射层金属结构的制造方法，其特征在于，
倒装结构的LED芯片中，在形成所述第一电极接触孔后形成隔离层，所述隔离层覆盖所述反射层及第一电极接触孔的侧壁；
所述第二电极形成在所述隔离层上，并与从所述隔离层的开口处暴露出的反射层相连接；
所述第一电极形成在所述隔离层上，并与第一电极接触孔底部暴露出的N-GaN层相连接。
9.如权利要求6所述反射层金属结构的制造方法，其特征在于，
垂直结构的LED芯片，其制造过程包含：
提供前端结构，所述前端结构包含生长衬底，及依次形成在所述生长衬底上的UID-GaN缓冲层、N-GaN层、量子阱层和P-GaN层；
在所述前端结构上依次形成欧姆接触层、反射层、金属键合层；
在所述金属键合层上形成键合衬底，并将其与金属键合层进行键合；
去除所述生长衬底；
刻蚀所述UID-GaN缓冲层，暴露出N-GaN层；
在所述N-GaN层表面形成第一电极。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711462989.8A CN108365073A (zh) | 2017-12-28 | 2017-12-28 | 一种反射层金属结构及其制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN108365073A true CN108365073A (zh) | 2018-08-03 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109244197A (zh) * | 2018-08-29 | 2019-01-18 | 武汉大学 | 一种倒装结构发光二极管芯片及其制备方法 |
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2017
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109244197B (zh) * | 2018-08-29 | 2020-04-10 | 武汉大学 | 一种倒装结构发光二极管芯片及其制备方法 |
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