CN108400227B - 一种倒装led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种倒装LED芯片及其制作方法。其中，倒装LED芯片的制作方法，包括提供一发光结构，所述发光结构包括衬底，设于衬底上的第一半导体层，设于第一半导体层上的有源层和第一电极，依次设于有源层上的第二半导体层、透明导电层和第二电极，在所述发光结构上依次形成绝缘层和反射层，对所述反射层和绝缘层进行刻蚀，将第一电极和第二电极裸露出来，分别在第一电极和第二电极表面沉积一层合金层，位于第一电极上的合金层为第一合金焊盘，位于第二电极上的合金层为第二合金焊盘，其中，合金层由Si和金属制成。本发明电极的表面形成一层合金层，通过合金层来减少电极中的金属水解、迁移，从而增加倒装LED芯片的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种倒装LED芯片及其制作方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件，LED芯片具有耗电低、色度纯、寿命长、体积小、响应时间快、节能环保等诸多优势。
目前，显示屏应用领域，RGB Mini LED芯片克服了正装芯片的焊接及可靠性的缺陷，同时结合COB封装的优势，使显示屏点间距进一步缩小，对应的终端产品的视觉效果大幅提升，同时视距能够大幅减小，使得户内显示屏能够进一步取代原有的LCD市场。
另一方面，RGB Mini LED芯片搭配柔性基板的使用，也能够实现曲面的高画质显示效果，加上其自发光的特性，在一些特殊造型需求(如汽车显示)方面有极为广阔的市场。
为了满足RGB Mini LED芯片的尺寸要求，便于封装，一般采用倒装结构的LED芯片来制作，但现有的倒装LED芯片所使用的等大焊盘面积较大，无法进行抗水解迁移处理，受使用环境与封装体密封性的影响，往往会使电极因受热、水解电离而使金属发生迁移。因此，如何提升等大焊盘的抗水解能力问题急需解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种倒装LED芯片及其制作方法，通过在电极的表面形成一层合金层，减少电极中的金属迁移，有效增加倒装LED芯片的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种倒装LED芯片的制作方法，包括：
提供一发光结构，所述发光结构包括衬底，设于衬底上的第一半导体层，设于第一半导体层上的有源层和第一电极，依次设于有源层上的第二半导体层、透明导电层和第二电极；
在所述发光结构上依次形成绝缘层和反射层；
对所述反射层和绝缘层进行刻蚀，将第一电极和第二电极裸露出来；
分别在第一电极和第二电极表面沉积一层合金层，位于第一电极上的合金层为第一合金焊盘，位于第二电极上的合金层为第二合金焊盘，其中，合金层由Si和金属制成。
作为上述方案的改进，合金层中Si的含量不小于5％。
作为上述方案的改进，合金层中的金属由Au、Sn、Ni、Al、Ti和Cr中的一种或几种组成。
作为上述方案的改进，所述第一电极和第二电极均由Cr、Al、Ti、Pt、Au、Ni、Ag和W中的一种几种材料制成。
作为上述方案的改进，所述反射层由SiO2、Si3N4、TiO2、ZnO、MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、ZnSe、ZnS、ZrO2和Al2O3中的两种或两种以上材料制成。
作为上述方案的改进，所述绝缘层由SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2和Ta2O3中的一种或几种材料制成。
作为上述方案的改进，所述发光结构的制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底表面形成外延层，所述外延层包括依次设于所述衬底表面的第一半导体层、有源层和第二半导体层；
对所述外延层进行刻蚀，形成贯穿所述第二半导体层和有源层并延伸至所述第一半导体层的裸露区域；
在第二半导体层上形成透明导电层；
在裸露区域的第一半导体层上形成第一电极，在透明导电层上形成第二电极。
相应地，本发明还提供了一种倒装LED芯片，包括：
衬底；
设于衬底上的外延层，所述外延层包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；
贯穿第二半导体层和有源层，并设于第一半导体层上的第一电极；
设于第二半导体层上的透明导电层；
设于透明导电层上的第二电极和绝缘层；
设于绝缘层上的反射层；
设于第一电极上的第一合金焊盘，设于第二电极上的第二合金焊盘，第一电极和第二电极相互绝缘。
作为上述方案的改进，所述第一合金焊盘和第二合金焊盘均由Si和金属制成。
作为上述方案的改进，第一合金焊盘和第二合金焊盘中Si的含量均不小于5％。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明提供了一种倒装LED芯片的制作方法，分别在第一电极和第二电极表面沉积一层合金层，位于第一电极上的合金层为第一合金焊盘，位于第二电极上的合金层为第二合金焊盘，其中，合金层由Si和金属制成。本发明通过在合金层中掺杂Si，在蒸镀的过程中，Si可以打断金属的粒径，减少合金层中金属的粒径，从而使合金层中的金属更加均匀地蒸镀在电极上。此外，合金层中的Si可以阻挡电极和合金焊盘中的金属进行热扩散，从而减缓金属发生水解、迁移。进一步地，金属发生水解、迁移后，合金焊盘中的Si被裸露出来，裸露出来的Si发氧化，从而在电极的表面形成氧化硅薄膜层，进一步减缓了电极中的金属继续迁移，有效的增加了LED芯片的可靠性。
附图说明
图1是本发明倒装LED芯片的制作方法流程示意图；
图2是本发明发光结构的制作方法流程示意图；
图3是本发明倒装LED芯片的结构示意图；
图4是本发明倒装LED芯片的电极结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，图1为本发明倒装LED芯片的制作方法流程示意图，本发明提供的一种倒装LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
S101：提供一发光结构，所述发光结构包括衬底，设于衬底上的第一半导体层，设于第一半导体层上的有源层和第一电极，依次设于有源层上的第二半导体层、透明导电层和第二电极。
参见图2，图2为发光结构的制作流程图，发光结构的制作方法包括以下步骤：
S201：提供一衬底；
衬底的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料，本实施例中的衬底优选为蓝宝石衬底。
S202：在衬底表面形成外延层，所述外延层包括依次设于所述衬底表面的第一半导体层、有源层和第二半导体层；
具体的，本申请实施例提供的第一半导体层和第二半导体层均为氮化镓基半导体层，有源层为氮化镓基有源层；此外，本申请实施例提供的第一半导体层、第二半导体层和有源层的材质还可以为其他材质，对此本申请不做具体限制。
其中，第一半导体层可以为N型半导体层，则第二半导体层为P型半导体层；或者，第一半导体层为P型半导体层，而第二半导体层为N型半导体层，对于第一半导体层和第二半导体层的导电类型，需要根据实际应用进行设计，对此本申请不做具体限制。
需要说明的是，在本申请的其他实施例中，所述衬底与所述外延层之间设有缓存冲层(图中未示出)。
S203：对所述外延层进行刻蚀，形成贯穿所述第二半导体层和有源层并延伸至所述第一半导体层的裸露区域。
具体的，采用光刻胶或SiO2作为掩膜，并采用电感耦合等离子体刻蚀工艺或反应离子刻蚀刻蚀工艺对所述外延层进行刻蚀，贯穿所述第二半导体层和有源层并延伸至所述第一半导体层，将所述第一半导体层裸露出来，从而形成裸露区域。由于光刻胶和SiO2具有高刻蚀比，便于刻蚀，从而形成所需的刻蚀图案，提高刻蚀的精度。在本申请的其他实施例中，还可以采用其他高刻蚀选择比的物质作为掩膜。
为了提高芯片的出光效率，提高外延层的侧边出光效率，所述裸露区域的形状为倒梯形。在本申请的其他实施例中，所述裸露区域的形状还可为多边形。
S204：在所述第二半导体层上形成透明导电层。
采用光刻胶或SiO2作为掩膜，采用电子束蒸发工艺在所述第二半导体层表面蒸镀一层透明导电层。其中，蒸镀温度为0-300℃，氧气流量为5-20sccm，蒸镀腔体真空度为3.0-10.0E-5，蒸镀时间为100-300min。当蒸镀温度低于0℃时，透明导电层无法获取足够的能量进行迁移，形成的透明导电层质量较差，缺陷多；当蒸镀温度高于300℃时，温度过高，薄膜能量过大不易于在外延层上沉积，沉积速率变慢，效率降低。氧气流量小于5sccm时，氧气流量过低，透明导电层氧化不充分，薄膜质量不佳，氧气流量大于20sccm时，氧气流量太大，透明导电层过度氧化，膜层缺陷密度增加。蒸镀时间小于100min时，薄膜需要较高的沉积速率才能达到所需厚度，沉积速率太快，原子来不及迁移，因此薄膜生长质量较差，缺陷多。优选的，蒸镀温度为290℃，氧气流量为10sccm，蒸镀腔体真空度为3.0*10-5-10.0*10-5。
其中，所述透明导电层的材质为铟锡氧化物，但不限于此。铟锡氧化物中铟和锡的比例为70-99:1-30。优选的，铟锡氧化物中铟和锡的比例为95:5。这样有利提高透明导电层的导电能力，防止载流子聚集在一起，还提高芯片的出光效率。
S205：在裸露区域的第一半导体层上形成第一电极，在透明导电层上形成第二电极。
所述第一电极和第二电极均由Cr、Al、Ti、Pt、Au、Ni、Ag和W中的一种几种金属制成。
具体的，采用电子束蒸镀、热蒸镀或磁控溅射工艺分别在所述裸露区域和透明导电层上沉积一层金属层，其中，位于第一半导体层上的金属层为第一电极，位于透明导电层上的金属层为第二电极。
优选的，所述金属层包括Cr层、Al层、Ti层和Pt层。
需要说明的是，本发明使用Cr层作为底层，由于Cr具有良好的导电性能，而且Cr金属能够与透明导电层进行良好的欧姆接触，因此能有效地降低接触电阻；其次Cr金属与外延P型氮化镓粘附力较好，可避免合金焊盘脱落。然后，依次在Cr层上形成Al层、Ti层和Pt层。其中，所述Al层的反射率较Cr层高，从而提高了芯片的出光效率。进一步地，由于Ti和Pt的稳定性较好，因此在第Al层上形成Ti层和Pt层，能有有效防止Al层中的Al发生溶解、迁移、上窜。由于在倒装LED芯片在封装焊接的过程中，封装所使用的胶体及工艺，不能完全阻止空气中水汽进入，及胶体需经过高温烘烤，使得Al层中的Al发生溶解、迁移。本发明中的Ti层和Pt层能够防止水汽对Al层的腐蚀。
所述Cr层的厚度为10-30埃，Al层的厚度为1000-1500埃，Ti层的厚度为500-1000埃，Pt层的厚度为500-1000埃。
优选的，所述Cr层的厚度为15-20埃，Al层的厚度为1200-1400埃，Ti层的厚度为650-850埃，Pt层的厚度为650-850埃。
由于Cr层用作底层粘附层，因此其厚度不能太厚，否则会影响LED芯片发光的吸收，即Al层起不到反射作用。Cr层厚度在10-30埃时具有较好的反射率，低于10埃时粘附力较差且控制难度大。其中，当所述Al层的厚度小于1000埃时，不能较好地发挥Al层的反射性能，芯片亮度较低；当所述Al层的厚度大于2000埃时，因Al金属本身较活泼易迁移，Al层的保护难度增加。当Pt层的厚度均小于500埃时，Pt层厚度太薄无法起到保护Al层作用，当Pt层的厚度均大于1000埃时，制作成本过高。
S102：在所述发光结构上依次形成绝缘层和反射层。
采用等离子体增强化学气相沉积法工艺在所述发光结构表面形成绝缘层。优选的，绝缘层由SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2和Ta2O3中的一种或几种材料制成。
采用离子束辅助沉积镀膜工艺在所述绝缘层表面形成反射层。优选的，反射层由SiO2、Si3N4、TiO2、ZnO、MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、ZnSe、ZnS、ZrO2和Al2O3中的两种或两种以上材料制成。在本申请中，反射层用于将有源层发出的进行反射。绝缘层的作用是将反射层更好地粘附在发光结构表面，防止反射层发生脱落和碎裂。由于反射层与发光结构之间的应力较大，直接将反射层设置在发光结构表面，反射层容易发生脱落和碎裂。
S103：对所述反射层和绝缘层进行刻蚀，将第一电极和第二电极裸露出来。
具体的，对所述反射层和绝缘层进行刻蚀，形成贯穿所述反射层和绝缘层并延伸至第一电极表面的第一裸露区域，形成贯穿所述反射层和绝缘层并延伸至第二电极表面的第二裸露区域，从而将第一电极和第二电极裸露出来。
S104：分别在第一电极和第二电极表面沉积一层合金层，位于第一电极上的合金层为第一合金焊盘，位于第二电极上的合金层为第二合金焊盘，其中，合金层由Si和金属制成。
采用电子束蒸镀、热蒸镀或磁控溅射工艺分别在第一电极和第二电极表面沉积一层合金层，位于第一电极上的合金层为第一合金焊盘，位于第二电极上的合金层为第二合金焊盘。
合金层中Si的含量不小于5％。
合金层中的金属由Au、Sn、Ni、Al、Ti和Cr中的一种或几种组成。
优选的，合金层由Si和Au制成。
需要说明的是，Au和Si的硬度较好，能够有效抗击焊接时对电极的作用力，从而保护电极，防止发生碎裂和脱落。由于在焊接的时候，需要对电极进打击，因此会对电极产生一个作用力，从而使得电极容易脱落和碎裂。
电极在通电时，电极中的金属会发生水解、迁移，本发明通过在电极的表面形成由Au和Si制成的合金层，可以有效减缓电极中的金属发生水解、迁移。具体的，本发明通过在Au中掺杂Si，在蒸镀的过程中，Si可以打断Au的粒径，减少Au的粒径，从而使Au更加均匀地蒸镀在电极上。
此外，合金层中的Si起到阻挡Au和电极中金属进行热扩散，从而减缓Au和电极中的金属发生水解、迁移。
进一步地，电极中的金属和合金层中的Au发生水解、迁移后，合金层中的Si被裸露出来，裸露出来的Si发氧化，从而在电极的表面形成氧化硅薄膜层，进一步减缓了电极中的金属继续迁移，有效的增加了LED芯片的可靠性。
优选的，合金层中Au的含量不少于80％，当Si的含量大于20％时，会增加LED芯片的电压，还影响后续的焊接。
参见图3，本发明还提供了一种倒装LED芯片包括衬底10，设于衬底10上的外延层20，所述外延层20包括第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23，贯穿第二半导体层23和有源层22并设于第一半导体层21上的第一电极31，设于第二半导体层23上的透明导电层40，设于透明导电层40上的第二电极32和绝缘层50，设于绝缘层50上的反射层60，设于第一电极31上的第一合金焊盘71，设于第二电极32上的第二合金焊盘72，第一电极31和第二电极32相互绝缘。
衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料，本实施例中的衬底10优选为蓝宝石衬底10。
本申请实施例提供的第一半导体层21和第二半导体层23均为氮化镓基半导体层，有源层22为氮化镓基有源层22；此外，本申请实施例提供的第一半导体层21、第二半导体层23和有源层22的材质还可以为其他材质，对此本申请不做具体限制。
其中，第一半导体层21可以为N型半导体层，则第二半导体层23为P型半导体层；或者，第一半导体层21为P型半导体层，而第二半导体层23为N型半导体层，对于第一半导体层21和第二半导体层23的导电类型，需要根据实际应用进行设计，对此本申请不做具体限制。
需要说明的是，在本申请的其他实施例中，所述衬底10与所述外延层20之间设有缓存冲层(图中未示出)。
所述透明导电层40的材质为铟锡氧化物，但不限于此。
参见图4，第一电极31和第二电极32均由金属层30制成，其中，金属层30包括Cr层301、Al层302、Ti层303和Pt层304。
需要说明的是，本发明使用Cr层301作为底层，由于Cr具有良好的导电性能，而且Cr金属能够与透明导电层40进行良好的欧姆接触，因此能有效地降低接触电阻；其次Cr金属与透明导电层40粘附力较好，可避免金属层30脱落。然后，依次在Cr层301上形成Al层302、Ti层303和Pt层304。其中，所述Al层302的反射率较Cr层301高，从而提高了芯片的出光效率。进一步地，由于Ti和Pt的稳定性较好，因此在第Al层302上形成Ti层303和Pt层304，能有有效防止Al层302中的Al发生溶解、迁移、上窜。由于在倒装LED芯片在封装时，封装所使用的胶体及工艺，不能完全阻止空气中水汽进入，及胶体需经过高温烘烤，使得Al层302中的Al发生溶解、迁移。本发明中的Ti层303和Pt层304能够防止水汽对Al层302的腐蚀。
所述Cr层301的厚度为10-30埃，Al层302的厚度为1000-1500埃，Ti层303的厚度为500-1000埃，Pt层304的厚度为500-1000埃。
优选的，所述Cr层301的厚度为15-20埃，Al层302的厚度为1200-1400埃，Ti层303的厚度为650-850埃，Pt层304的厚度为650-850埃。
由于Cr层301用作底层粘附层，因此其厚度不能太厚，否则会影响LED芯片发光的吸收，即Al层302起不到反射作用。Cr层301厚度对应反射率(450nm波长)，Cr层301厚度在10-30埃时具有较好的反射率，低于10埃时粘附力较差且控制难度大。其中，当所述Al层302的厚度小于1000埃时，不能较好地发挥Al层302的反射性能，芯片亮度较低；当所述Al层302的厚度大于2000埃时，因Al金属本身较活泼易迁移，Al层302的保护难度增加。当Pt层304的厚度均小于500埃时，Pt层304厚度太薄无法起到保护Al层302作用，当Pt层304的厚度均大于1000埃时，制作成本过高。
为了保证第一电极31和第二电极32相互绝缘，绝缘层50还设置在第一半导体层21的表面。优选的，绝缘层50由SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2和Ta2O3中的一种制成。
反射层60由SiO2、Si3N4、TiO2、ZnO、MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、ZnSe、ZnS、ZrO2和Al2O3中的一种制成。在本申请中，反射层60用于将有源层22发出的进行反射。绝缘层50的作用是将反射层60更好地粘附透明导电层40表面，防止反射层60发生脱落和碎裂。由于反射层60与透明导电层40之间的应力较大，直接将反射层60设置在透明导电层40表面，反射层60容易发生脱落和碎裂。
优选的，第一合金焊盘和第二合金焊盘均由Si和金属制成。
优选的，第一合金焊盘和第二合金焊盘中Si的含量均不小于5％。
优选的，第一合金焊盘和第二合金焊盘中的金属由Au、Sn、Ni、Al、Ti和Cr中的一种或几种组成。
更佳的，第一合金焊盘和第二合金焊盘均由AuSi制成。
需要说明的是，Au Si的硬度较好，能够有效抗击焊盘在焊接时对电极的作用力，从而保护电极，防止发生碎裂和脱落。由于在焊盘在焊接的时候，需要对电极进打击，因此会对电极产生一个作用力，从而使得电极容易脱落和碎裂。
电极在通电时，电极中的金属会发生水解、迁移，本发明通过在电极的表面形成由AuSi制成的合金焊盘，可以有效减缓电极中的金属发生水解、迁移。此外，合金焊盘中的AuSi可以阻挡电极中金属进行热扩散，从而减缓电极中的金属发生水解、迁移。
进一步地，电极中的金属发生水解、迁移后，合金焊盘中的AuSi被裸露出来，裸露出来的AuSi发氧化，从而在电极的表面形成氧化薄膜层，进一步减缓了电极中的金属继续迁移，有效的增加了倒装LED芯片的可靠性。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，包括：
提供一发光结构，所述发光结构包括衬底，设于衬底上的第一半导体层，设于第一半导体层上的有源层和第一电极，依次设于有源层上的第二半导体层、透明导电层和第二电极；
在所述发光结构上依次形成绝缘层和反射层；
对所述反射层和绝缘层进行刻蚀，将第一电极和第二电极裸露出来；
分别在第一电极和第二电极表面沉积一层合金层，位于第一电极上的合金层为第一合金焊盘，位于第二电极上的合金层为第二合金焊盘，其中，合金层由Si和Au制成，合金层中Si的含量不小于5％。
2.根据权利要求1所述的倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第一电极和第二电极均由Cr、Al、Ti、Pt、Au、Ni、Ag和W中的一种几种材料制成。
3.根据权利要求1所述的倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，所述反射层由SiO2、Si3N4、TiO2、ZnO、MgF2、CaF2、SrF2、BaF2、ZnSe、ZnS、ZrO2和Al2O3中的两种或两种以上材料制成。
4.根据权利要求1所述的倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，所述绝缘层由SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2和Ta2O3中的一种或几种材料制成。
5.根据权利要求1所述的倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，所述发光结构的制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底表面形成外延层，所述外延层包括依次设于所述衬底表面的第一半导体层、有源层和第二半导体层；
对所述外延层进行刻蚀，形成贯穿所述第二半导体层和有源层并延伸至所述第一半导体层的裸露区域；
在第二半导体层上形成透明导电层；
在裸露区域的第一半导体层上形成第一电极，在透明导电层上形成第二电极。
6.一种倒装LED芯片，其特征在于，包括：
衬底；
设于衬底上的外延层，所述外延层包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；
贯穿第二半导体层和有源层，并设于第一半导体层上的第一电极；
设于第二半导体层上的透明导电层；
设于透明导电层上的第二电极和绝缘层；
设于绝缘层上的反射层；
设于第一电极上的第一合金焊盘，设于第二电极上的第二合金焊盘，第一电极和第二电极相互绝缘；所述第一合金焊盘和第二合金焊盘均由Si和Au制成，第一合金焊盘和第二合金焊盘中Si的含量均不小于5％。
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