CN108847438A - 一种led芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LED芯片及其制造方法，首先提供一包含N型外延层、量子阱层及P型外延层的外延结构，刻蚀所述外延结构至剩余部分所述N型外延层，形成隔离凹槽，然后形成导电层、DBR反射层、接触层、绝缘层及键合金属层，通过键合金属层与第二衬底键合并去除第一衬底，最后在暴露出的N型外延层上形成保护层并制作P型衬垫，形成具有垂直结构的LED芯片。本发明采用DBR反射层，有效增强对紫光的反射率，提高LED的出光效率。同时本发明提供的具有垂直结构的LED芯片增加了N型外延层的扩展，使芯片的发光分布更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种基于垂直结构的新型高 效紫光LED芯片及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种半导体发光器 件，由镓(Ga)与砷(As)、磷(P)、氮(N)、铟(In)的化合物组成， 利用半导体P-N结电致发光原理制成。LED以其亮度高、低功耗、寿命长、 启动快，功率小、无频闪、不容易产生视觉疲劳等优点，成为新一代光源 首选。
相比于传统的GaN基LED正装结构，垂直结构具有散热好，能够承 载大电流，发光强度高，耗电量小、寿命长等优点，被广泛应用于通用照 明、景观照明、特种照明、汽车照明等领域，成为一代大功率GaN基LED 极具潜力的解决方案，正受到业界越来越多的关注和研究。
紫外光波长覆盖范围为100-400nm，通常UVA波长范围为 400-315nm，UVB波长范围为315-280nm，UVC波长范围为280-100nm。 随着波长的降低，现有垂直结构LED的发光效率降低迅速，特别是在低于 365nm以下的波段，发光效率不足10％。因此想要获得大功率紫外光LED 器件，一方面需要提高GaN本身的发光效率，另一方面，在有限的发光内 需要更大程度的提高光提取效率。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种LED芯片及其制造方法，采用垂直 结构LED芯片设计理念，提出一种针对紫光LED的新型反射镜结构，提 高芯片光功率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种LED芯片的制造方法，包括：
提供外延结构，所述外延结构包括第一衬底与外延层，所述外延层包 括自下至上依次形成于所述第一衬底上的N型外延层、量子阱层及P型外 延层；
刻蚀所述外延层，直至剩余部分厚度的所述N型外延层，以形成隔离 凹槽；
在所述P型外延层上形成导电层，并进行图案化，暴露出部分所述P 型外延层；
在所述外延层和导电层上形成DBR反射层，并进行图案化，暴露出部 分所述导电层及所述隔离凹槽底部的N型外延层；
形成接触层，所述接触层至少覆盖暴露出的部分所述导电层及所述隔 离凹槽的底部的N型外延层；
在所述接触层上形成绝缘层，并进行图案化，暴露出所述隔离凹槽底 部的所述接触层，在所述绝缘层及暴露出的所述接触层上形成键合金属层；
形成键合金属层并提供第二衬底，将所述第二衬底与所述键合金属层 进行键合并去除所述第一衬底。
优选的，所述DBR反射层的材质为Si3N4和SiO2的叠层结构。
优选的，在去除所述第一衬底之后还包括：在所述N型外延层上形成 保护层。
优选的，在所述N型外延层上形成保护层之后还包括：对所述保护层 进行刻蚀，暴露出部分所述N型外延层。
优选的，对所述保护层进行刻蚀之后还包括：对暴露出的部分所述N 型外延层进行刻蚀，暴露出部分所述DBR反射层。
优选的，对暴露出的所述N型外延层进行刻蚀之后还包括：对暴露出 的所述DBR反射层进行刻蚀，暴露出部分所述接触层。
优选的，对暴露出的部分所述DBR反射层进行刻蚀之后还包括：在暴 露出部分所述接触层上形成P型衬垫。
优选的，去除所述第一衬底之后，形成所述保护层之前，所述LED芯 片的制造方法还包括：对所述N型外延层进行表面粗化处理。
优选的，所述外延层还包括非掺杂外延层，所述非掺杂外延层位于所 述第一衬底与所述N型外延层之间。
优选的，在去除所述第一衬底之后，对所述N型外延层进行表面粗化 处理之前，所述LED芯片的制造方法还包括：去除所述非掺杂外延层。
优选的，所述非掺杂外延层、N型外延层及P型外延层的材质均为氮 化镓。
进一步的，本发明提供一种LED芯片结构，采用上述的一种LED芯 片的制造方法制得。
综上所述，本发明提供的一种LED芯片及其制造方法中，首先提供一 包含N型外延层、量子阱层及P型外延层的外延结构，刻蚀所述外延结构 至剩余部分所述N型外延层，形成隔离凹槽，然后形成导电层、DBR反射 层、接触层、绝缘层及键合金属层，通过键合金属层与第二衬底键合并去 除第一衬底，最后在暴露出的N型外延层上形成保护层并制作P型衬垫， 形成具有垂直结构的LED芯片。本发明采用DBR反射层，有效增强对紫 光的反射率，提高LED的出光效率。同时本发明提供的具有垂直结构的 LED芯片增加了N型外延层的扩展，使芯片的发光分布更加均匀。
附图说明
图1为本发明实施例中LED芯片的制造方法的流程图；
图2为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S01中外延结构的 剖面示意图；
图3为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S02中刻蚀外延层 形成隔离凹槽后的剖面示图；
图4为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S03中形成导电层 层后的剖面示图；
图5为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S04中形成反射层 层后的剖面示图；
图6为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S05中形成接触层 后的剖面示图；
图7为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S06中形成绝缘层 后的剖面示图；
图8为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S06中形成键合金 属层后的剖面示图；
图9为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S07中形成键合第 二衬底后的剖面示图；
图10为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S07中去除第一 衬底后的剖面示图；
图11为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S08中去除非掺 杂外延层后的剖面示图；
图12为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S08中形成保护 层后的剖面示图；
图13为本发明实施例中LED芯片的制造方法中步骤S08中形成P型 衬垫后的剖面示图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的LED芯片及其制造方法进行更详细的描 述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改 在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当 被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描 述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应 当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者 的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为 另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的， 但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说 明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采 用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明 本发明实施例的目的。
现有垂直结构LED大多数以银(Ag)或铝(Al)作为反射层，对于在 短波段的紫光LED，金属Ag和Al的反射率会随波长减小而变低。本发明 的核心思想在于，提供一种基于垂直结构的新型高效紫光LED芯片及其制 造方法，制作方法包括：
步骤S01：提供外延结构，所述外延结构包括第一衬底与外延层，所 述外延层包括自下至上依次形成于所述第一衬底上的N型外延层、量子阱 层及P型外延层；
步骤S02：刻蚀所述外延层，直至剩余部分厚度的所述N型外延层， 以形成隔离凹槽；
步骤S03：在所述P型外延层上形成导电层，并进行图案化，暴露出 部分所述P型外延层；
步骤S04：在所述外延层和导电层上形成DBR反射层，并进行图案 化，暴露出部分所述导电层及所述隔离凹槽底部的N型外延层；
步骤S05：形成接触层，所述接触层至少覆盖暴露出的部分所述导电 层及所述隔离凹槽的底部的N型外延层；
步骤S06：在所述接触层上形成绝缘层，并进行图案化，暴露出所述 隔离凹槽底部的所述接触层，在所述绝缘层及暴露出的所述接触层上形成 键合金属层；
步骤S07：提供第二衬底，将所述第二衬底与所述键合金属层进行键 合并去除所述第一衬底。
以下列举所述LED芯片及其制造方法的较优实施例，以清楚说明本发 明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通 过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之 内。
图1为本发明实施例中LED芯片的制造方法的流程图，图2～图13为 本发明实施例中基于LED芯片的制造方法的各步骤所对应的剖面图。下面 结合附图，详细说明本发明提出的一种LED芯片的制造方法。
执行步骤S01中，提供外延结构，所述外延结构包括第一衬底100与 外延层101，所述外延层101包括自下至上依次形成于所述第一衬底100 上的N型外延层120、量子阱层130及P型外延层140。在所述第一衬底 100和所述N型外延层120之间还包括一非掺杂外延层110，作为所述第一 衬底100和所述N型外延层120之间的缓冲层。所述第一衬底100可以是蓝宝石衬底，所述量子阱层130的发射波长范围小于等于400nm。所述非 掺杂外延层110、N型外延层120及P型外延层140的材质优选为氮化镓， 即所述外延层101包括：非掺杂的氮化镓层(U-GaN)N型氮化镓层 (N-GaN)、量子阱层(MQW)及P型氮化镓层(P-GaN)，如图2所示。所述外延结构的制备属于公知常识，在此不进行详述。
执行步骤S02中，刻蚀所述外延层101，直至剩余部分厚度的所述N 型外延层120，形成隔离凹槽101a。图3为本实施例中LED芯片制造方法 中刻蚀外延层101后的芯片剖面结构示意图，如图3所示，依次刻蚀P型 外延层140及量子阱层130，并刻蚀N型外延层120至一定深度。所述外 延层101的刻蚀可以采用化学湿法刻蚀或电感耦合等离子体(ICP)刻蚀。所述外延层101(P型外延层140及量子阱层130及部分N型外延层120) 的刻蚀厚度范围为1μm-2μm，例如1.3μm，1.5μm或1.8μm等。
执行步骤S03中，在所述P型外延层上形成导电层150，并进行图案 化，对所述导电层150进行刻蚀，暴露出所述P型外延层的边缘140a，如 图4所示。所述导电层150的材质可以为氧化铟锡(ITO)、镍(Ni)、银(Ag)、 铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、铂(Pt)、钛钨合金(TiW)、金(Au)等金 属中的一种或多种。
执行步骤S04中，在所述外延层101和导电层150上形成DBR反射层 (分布布拉格反射镜)160，并进行图案化，暴露出部分所述导电层150及 所述隔离凹槽101a底部的N型外延层120。图5为本实施例中LED芯片 制造方法中形成DBR反射层160后的芯片剖面结构示意图，如图5所示， 首先，在步骤S03中形成的芯片结构上形成DBR反射层160，所述反射层 160覆盖所述导电层150和所述外延层101(包括所述隔离凹槽101a的侧 壁及底部)，然后，进行图案化处理，暴露出部分所述导电层150及所述隔 离凹槽101a底部的N型外延层120。所述DBR反射层为包含氮化硅(Si3N4) 和氧化硅(SiO2)的叠层结构，所述Si3N4和SiO2的叠层结构的层数可以 根据所述外延层发光区(量子阱层130)的发射波长进行调整设置。
执行步骤S05中，形成接触层170，所述接触层170覆盖所述暴露出 的部分导电层150及所述隔离凹槽101a的底部的N型外延层120。图6为 本实施例中LED芯片制造方法中形成接触层170后的芯片剖面结构示意 图，如图6所示，所述接触层170覆盖所述暴露出的部分导电层150，实 现对所述P型外延层140的保护设置；所述接触层170覆盖所述隔离凹槽101a底部的N型外延层120，实现N型外延层120的接触设置。所述接触 层170的材质为铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)、金(Au)、铂(Pt)等金属 的一种或多种。
执行步骤S06中，在所述接触层170上形成绝缘层180，并进行图案 化，暴露出所述隔离凹槽101a底部接触层170，如图7所示。所述绝缘层 180的材质为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氧化钛(TiO2)等。
执行步骤S07中，形成键合金属层190并提供第二衬底200，将所述 第二衬底200与所述键合金属层190进行键合并去除所述第一衬底100， 如图8所示。所述键合金属层的材质为铬(Cr)、铝(Al)、钛(Ti)、铂(Pt)、 金(Au)、镍(Ni)、锡(Sn)等金属的一种或多种。所述第二衬底200的 材质可以为硅(Si)、铜(Cu)、钨(W)或者钼(Mo)等金属，从而具备 较好的导热和导电性。所述第二衬底200通过金属键合层190与所述外延 结构键合在一起，然后可以通过激光剥离或者湿法刻蚀工艺去除第一衬底 100，如图9与图10所示。
本实施例中，在步骤S07后还包括步骤S08：形成保护层210和P型 衬垫。
首先，去除所述第一衬底100之后，对暴露出的所述N型外延层120 进行表面粗化处理(图中未示)，所述表面粗化处理例如可以采用氢氧化钾 (KOH)溶液、硫酸(H2SO4)溶液等进行湿法刻蚀，获得粗糙表面，以 提高出光率。接着，在所述N型外延层120上形成保护层210，并对所述 保护层210进行刻蚀，暴露出部分所述N型外延层，如图12所示。所述保 护层210的材质例如可以为氧化硅(SiO2)。之后，对暴露的部分N型外延 层进行刻蚀，暴露出部分所述DBR反射层160。然后，对暴露出的部分所 述DBR反射层160进行刻蚀，暴露出部分所述接触层170。最后，在所述 暴露出的部分接触层170上形成P型衬垫220。所述P型衬垫220可以通 过蒸镀方法形成。以上刻蚀所述保护层210、所述N型外延层140、所述 DBR反射层160，以暴露出部分所述接触层170，可以分步骤依次刻蚀， 也可以在同一步骤中刻蚀去除。
进一步的，本发明提供一种LED芯片结构，采用上述LED芯片的制 造方法制得。
综上所述，本发明提供的一种LED芯片及其制造方法中，首先提供一 包含N型外延层、量子阱层及P型外延层的外延结构，刻蚀所述外延结构 至剩余部分所述N型外延层，形成隔离凹槽，然后形成导电层、DBR反射 层、接触层、绝缘层及键合金属层，通过键合金属层与第二衬底键合并去 除第一衬底，最后在暴露出的N型外延层上形成保护层并制作P型衬垫， 形成具有垂直结构的LED芯片。本发明采用DBR反射层，有效增强对紫 光的反射率，提高LED的出光效率。同时本发明提供的具有垂直结构的 LED芯片增加了N型外延层的扩展，使芯片的发光分布更加均匀。
Claims (12)
1.一种LED芯片制造方法，其特征在于，包括：
提供外延结构，所述外延结构包括第一衬底与外延层，所述外延层包括自下至上依次形成于所述第一衬底上的N型外延层、量子阱层及P型外延层；
刻蚀所述外延层，直至剩余部分厚度的所述N型外延层，以形成隔离凹槽；
在所述P型外延层上形成导电层，并进行图案化，暴露出部分所述P型外延层；
在所述外延层和导电层上形成DBR反射层，并进行图案化，暴露出部分所述导电层及所述隔离凹槽底部的N型外延层；
形成接触层，所述接触层至少覆盖暴露出的部分所述导电层及所述隔离凹槽底部的N型外延层；
在所述接触层上形成绝缘层，并进行图案化，暴露出所述隔离凹槽底部的所述接触层，在所述绝缘层及暴露出的所述接触层上形成键合金属层；
提供第二衬底，将所述第二衬底与所述键合金属层进行键合并去除所述第一衬底。
2.根据权利要求1所述的一种LED芯片的制造方法，其特征在于，所述DBR反射层为包含Si3N4和SiO2的叠层结构。
3.根据权利要求1所述的一种LED芯片的制造方法，其特征在于，在去除所述第一衬底之后还包括：在所述N型外延层上形成保护层。
4.根据权利要求3所述的一种LED芯片的制造方法，其特征在于，在所述N型外延层上形成保护层之后还包括：对所述保护层进行刻蚀，暴露出部分所述N型外延层。
5.根据权利要求4所述的一种LED芯片的制造方法，其特征在于，对所述保护层进行刻蚀之后还包括：对暴露出的部分所述N型外延层进行刻蚀，暴露出部分所述DBR反射层。
6.根据权利要求5所述的一种LED芯片的制造方法，其特征在于，对暴露出的部分所述N型外延层进行刻蚀之后还包括：对暴露出的部分所述DBR反射层进行刻蚀，暴露出部分所述接触层。
7.根据权利要求6所述的一种LED芯片的制造方法，其特征在于，对暴露出的部分所述DBR反射层进行刻蚀之后还包括：在暴露出部分所述接触层上形成P型衬垫。
8.根据权利要求3所述的一种LED芯片的制造方法，其特征在于，在去除所述第一衬底之后，形成所述保护层之前，所述LED芯片的制造方法还包括：对所述N型外延层进行表面粗化处理。
9.根据权利要求1所述的一种LED芯片的制造方法，其特征在于，所述外延层还包括非掺杂外延层，所述非掺杂外延层位于所述第一衬底与所述N型外延层之间。
10.根据权利要求9所述的一种LED芯片的制造方法，其特征在于，在去除所述第一衬底之后，对所述N型外延层进行表面粗化处理之前，所述LED芯片的制造方法还包括：去除所述非掺杂外延层。
11.根据权利要求10所述的一种LED芯片的制造方法，其特征在于，所述非掺杂外延层、N型外延层及P型外延层的材质均为氮化镓。
12.一种LED芯片结构，其特征在于，采用由权利要求1-10中任意一项所述的一种LED芯片的制造方法制得。
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