CN109192823A - 一种垂直结构led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直结构LED芯片的制作方法，包括提供发光结构，所述发光结构包括第一衬底、第一半导体层、有源层、第二半导体层和金属反射层；在金属反射层上依次形成第一键合缓冲层和第一键合金属层；在第二衬底上依次形成第二键合缓冲层和第二键合金属层；将第一键合金属层和第二键合层金属键合绑定在一起形成连接；去除第一衬底；将硬质掩膜置于第一半导体层的表面，采用电子束蒸发或磁控溅射的方法在第一半导体层上形成第一电极；形成单颗的垂直结构LED芯片。相应地，本发明还提供了一种垂直结构LED芯片。本发明的制作方法不需要使用光刻工艺，提高生产效率和制作成本，减少了光刻过程中产生的有机物对环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种垂直结构LED芯片及其制作方法。
背景技术
LED作为一种新型的绿色照明光源越来越受到人们的重视，其具有节能环保、发光高效、抗静电、使用寿命长等诸多优点，被应用于各种照明场所。现有的LED芯片主要分为正装结构、倒装结构和垂直结构三大类。三大类传统LED芯片的制作方法中都会使用一种光刻工艺。光刻工艺是半导体器件制造工艺中的一个重要步骤，该步骤利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形结构，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上。
光刻工艺包括涂覆光刻胶、曝光和显影这三个步骤，以光刻胶为掩膜来制作出所需的各种形状的膜层。其中，光刻工艺的三个步骤中会使用到一些化学试剂，如光刻胶是一种高分子化合物，显影工艺中用到的显影液是一种碱性化学试剂，其价格昂贵、成本高，不正确回收处理还会对我们的环境造成污染。针对这些问题，本发明专利提供一种创新的制造方法，是一种全工艺制程中无光刻工艺的制造方法。本制造方法主要针对的是垂直结构的LED芯片，因为垂直结构LED芯片结构具有方向性强的特点，是一种垂直于水平面上的膜层累加的结构。此结构特点适用于本发明无光刻制造方法的实施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种垂直结构LED芯片的制作方法，不需要对芯片进行光刻。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种垂直结构LED芯片，结构简单。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种垂直结构LED芯片的制作方法，包括：
提供发光结构，所述发光结构包括第一衬底、第一半导体层、有源层、第二半导体层和金属反射层；
在金属反射层上依次形成第一键合缓冲层和第一键合金属层；
在第二衬底上依次形成第二键合缓冲层和第二键合金属层；
将第一键合金属层和第二键合层金属键合绑定在一起形成连接；
去除第一衬底；
将硬质掩膜置于第一半导体层的表面，采用电子束蒸发或磁控溅射的方法在第一半导体层上形成第一电极，其中，所述硬质掩膜上设有与第一电极大小和形状相配的通孔；
采用激光切割第二衬底和发光结构，形成单颗的垂直结构LED芯片。
作为上述方案的改进，所述第一键合缓冲层和/或第二键合缓冲层由Cr、Ni、Ti和Pt中的一种或几种制成。
作为上述方案的改进，所述第一键合缓冲层和/或第二键合缓冲层的结构为Cr/Ti/Pt/Ti/Pt/Ti/Pt或Cr/Ni/Pt/Ni/Pt或Cr/Ti/Pt/Ni/Pt。
作为上述方案的改进，所述第一键合金属层和/或第二键合金属层由Au或Sn或AuSn制成。
作为上述方案的改进，采用热压键合绑定的方法将第一键合金属层和第二键合金属层绑定在一起形成连接，其中，压力为900-1400kg，温度为280-300℃，时间为10-30min。
作为上述方案的改进，所述硬质掩膜为铝板、不锈钢板、玻璃或塑料。
作为上述方案的改进，在去除第一衬底之后，形成第一电极之前，还包括以下步骤：
将发光结构放置在温度为60-80℃的碱性溶液中进行震动，震荡时间为3-7分钟；
用水清洗发光结构；
将发光结构旋干。
相应地，本发明还提供了一种垂直结构LED芯片，包括第二键合缓冲层，依次设于第二键合缓冲层上的第二键合金属层、第一键合金属层、第一键合缓冲层、金属反射层、第二半导体层、有源层、第一半导体层和第一电极。
作为上述方案的改进，所述第一键合缓冲层和/或第二键合缓冲层由Cr、Ni、Ti和Pt中的一种或几种制成。
作为上述方案的改进，所述第一键合缓冲层和/或第二键合缓冲层的结构为Cr/Ti/Pt/Ti/Pt/Ti/Pt或Cr/Ni/Pt/Ni/Pt或Cr/Ti/Pt/Ni/Pt。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明通过对垂直结构LED芯片的制作方法进行改进，将各重要膜层进行层层叠加的方式形成一体化垂直芯片大圆片，再利用激光可以一步切割氮化镓的优点，实现垂直结构芯片小尺寸的物理分离，全过程没有使用光刻工艺，省去了常规LED芯片制作过程中繁杂的光刻工艺，提高生产效率和制作成本，减少了光刻过程中产生的有机物对环境的污染，真正实现绿色环保光源。
附图说明
图1是本发明垂直结构LED芯片的制作流程图；
图2是本发明垂直结构LED芯片的结构示意图。
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是本发明垂直结构LED芯片的制作流程图，本发明提供的一种垂直结构LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
S101、提供发光结构，所述发光结构包括第一衬底、第一半导体层、有源层、第二半导体层和金属反射层。
所述第一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，本发明的第一衬底优先选择蓝宝石衬底。
采用MOCVD工艺在衬底上生长形成外延层。所述外延层包括设置在衬底上的第一半导体层，设置在第一半导体层上的有源层，以及设置在有源层上的第二半导体层。本发明的第一半导体层为N型氮化镓层，有源层为多量子阱层，第二半导体层为P型氮化镓层。
采用磁控溅射或蒸镀的方法在第二半导体层上形成金属反射层，在氮气保护的环境下经过炉管高温退火或者快速退火炉的高温退火，使金属反射层与第二半导体层形成良好的欧姆接触。
所述金属反射层由Al、Ag和Ni中的一种或几种制成。
需要说明的是，所述发光结构还包括设置第一衬底和第一半导体层之间的缓冲层。所述缓冲层为氮化镓缓冲层。
S102、在金属反射层上依次形成第一键合缓冲层和第一键合金属层。
采用磁控溅射或蒸镀的方法在金属反射层上形成第一键合缓冲层。本发明的第一键合缓冲层用于消除绑定第一键合金属层和第二键合金属层时产生的应力。此外，本发明的第一键合缓冲层还可以防止第一键合金属层和第二键合金属层的金属外溢，由于第一键合金属层和第二金属键合层由低熔点的金属制成，在绑定键合时，低熔点金属容易溢出。
具体的，所述第一键合缓冲层由Cr、Ni、Ti和Pt中的一种或几种制成。本发明的第一键合缓冲层采用上述电阻率低的金属制成，不仅可以消除键合绑定时产生的应力，防止金属溢出，还可以降低芯片的电压。
优选的，所述第一键合缓冲层的结构为Cr/Ti/Pt/Ti/Pt/Ti/Pt或Cr/Ni/Pt/Ni/Pt或Cr/Ti/Pt/Ni/Pt。
采用磁控溅射或蒸镀的方法在第一键合缓冲层上形成第一键合金属层。所述第一键合金属层和/或第二键合金属层由Au或Sn或AuSn制成。
S103、在第二衬底上依次形成第二键合缓冲层和第二键合金属层。
所述第二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，本发明的第二衬底优先选择硅衬底。
采用磁控溅射或蒸镀的方法在第二衬底上形成第二键合缓冲层。本发明第二键合缓冲层用于消除绑定第一键合金属层和第二键合金属层时产生的应力。此外，本发明的第二键合缓冲层还可以防止第一键合金属层和第二键合金属层的金属外溢，由于第一键合金属层和第二金属键合层由低熔点的金属制成，在绑定键合时，低熔点金属容易溢出。
具体的，所述第二键合缓冲层由Cr、Ni、Ti和Pt中的一种或几种制成。本发明的第二键合缓冲层采用上述电阻率低的金属制成，不仅可以消除键合绑定时产生的应力，防止金属溢出，还可以降低芯片的电压。
优选的，所述第二键合缓冲层的结构为Cr/Ti/Pt/Ti/Pt/Ti/Pt或Cr/Ni/Pt/Ni/Pt或Cr/Ti/Pt/Ni/Pt。
采用磁控溅射或蒸镀的方法在第二键合缓冲层上形成第二键合金属层。所述第一键合金属层和/或第二键合金属层由Au或Sn或AuSn制成。
S104、将第一键合金属层和第二键合层金属键合绑定在一起形成连接。
采用热压键合绑定的方法将第一键合金属层和第二键合金属层绑定在一起形成连接，其中，压力为900-1400kg，温度为280-300℃，时间为10-30min。为了消除应力，温度从室温逐渐加热到280-300℃，键合绑定完成后，将温度逐渐降低为室温后，将压力除去。
具体的，当键合温度高于300℃时，第一键合金属层和第二键合金属层中的金属会过多的溢出来，粘连在发光结构的侧壁上，造成芯片发生短路；当键合温度小于280℃时，第一键合金属层和第二键合金属层中的金属不能发生熔融，难以进行键合绑定。当键合压力小于900kg时，第一键合金属层和第二金属键合层之间会存在缝隙和微孔，两者不能完整地连接在一起，会增加芯片的电压；当键合压力大于1400kg时，施加在发光结构上的压力过大，使发光结构发生断裂，影响发光结构的光电性能，此外，压力过大会增加第一键合金属层和第二金属键合层中金属的溢出量，造成芯片短路，进一步地，第一键合金属层和第二键合金属层的厚度会减少，影响两者的连接。
优选的，键合温度为280℃、285℃、290℃、295℃或300℃；键合压力为900kg、950kg、1000kg、1050kg、1100kg、1150kg、1200kg、1250kg、1300kg、1350kg或1400kg。
S105、去除第一衬底。
采用激光来剥离第一衬底，将缓冲层裸露出来。除去第一衬底之后，还包括以下步骤：
采用电感耦合等离子方法对缓冲层进行大面积刻蚀，刻蚀深度到第一半导体层；
对第一半导体层进行图形化处理，使其表面形成不规则的，大小不一的尖峰，提高发光结构的出光效率。
具体的，将发光结构放置在温度为60-80℃的碱性溶液中进行震动，震荡时间为3-7分钟，然后用水清洗发光结构，最后将发光结构旋干。
其中，所述碱性溶液为氢氧化钾和/或过硫酸钾。为了提高粗化效率，同时又不损伤发光结构，所述碱性溶液的浓度为10-15％。
S106、将硬质掩膜置于第一半导体层的表面，采用电子束蒸发或磁控溅射的方法在第一半导体层上形成第一电极，其中，所述硬质掩膜上设有与第一电极大小和形状相配的通孔。
优选的，所述硬质掩膜为铝板、不锈钢板、玻璃或塑料，但不限于此。
现有芯片的电极均采用光刻工艺来制作，本发明采用的硬质掩膜是一个已设计好形状的模具，在蒸镀电极的时候和发光结构一起放到机台里面，硬质掩膜可循环使用。
S107、形成单颗的垂直结构LED芯片。
具体的，将第二衬底进行研磨减薄，利用激光器通过增大激光能量的方法对第二衬底进行规则激光分离，形成单颗的垂直结构LED芯片。
本发明通过对垂直结构LED芯片的制作方法进行改进，将各重要膜层进行层层叠加的方式形成一体化垂直芯片大圆片，再利用激光可以一步切割氮化镓的优点，实现垂直结构芯片小尺寸的物理分离，全过程没有使用光刻工艺，省去了常规LED芯片制作过程中繁杂的光刻工艺，提高生产效率和制作成本，减少了光刻过程中产生的有机物对环境的污染，真正实现绿色环保光源。
具体的，本发明的制作方法首先通过第一键合缓冲层、第一金属键合层、第二键合缓冲层和第二金属键合层的相互配合，使得第二金属键合层能有直接叠加在第一金属键合层上，可以减少一次光刻工艺，其次，本发明采用硬质掩膜来蒸镀形成第一电极，可以减少一次光刻工艺，再次，本发明采用激光来切割第二衬底和发光结构，形成单颗垂直结构LED芯片，再次减少一次光刻工艺。如果直接采用激光来切割第二衬底和发光结构，第一金属键合层和第二金属键合层中的金属容易粘附在芯片的侧壁上，造成漏电，但本发明通过形成第一键合缓冲层和第二键合缓冲层来保护第一键合金属层和第二键合金属层，避免芯片发生漏电，从而不需进行光刻工艺。
相应地，如图2所示，本发明还提供了一种垂直结构LED芯片，包括第二键合缓冲层10，依次设于第二键合缓冲层10上的第二键合金属层20、第一键合金属层30、第一键合缓冲层40、金属反射层50、第二半导体层60、有源层70、第一半导体层80和第一电极90。
本发明的第一键合缓冲层40用于消除绑定第一键合金属层30和第二键合金属层20时产生的应力。此外，本发明的第一键合缓冲层40还可以防止第一键合金属层30和第二键合金属层20的金属外溢，由于第一键合金属层30和第二金属键合层20由低熔点的金属制成，在绑定键合时，低熔点金属容易溢出。
具体的，所述第一键合缓冲层40由Cr、Ni、Ti和Pt中的一种或几种制成。本发明的第一键合缓冲层采用上述电阻率低的金属制成，不仅可以消除键合绑定时产生的应力，防止金属溢出，还可以降低芯片的电压。
优选的，所述第一键合缓冲层40的结构为Cr/Ti/Pt/Ti/Pt/Ti/Pt或Cr/Ni/Pt/Ni/Pt或Cr/Ti/Pt/Ni/Pt。
本发明第二键合缓冲层10用于消除绑定第一键合金属层30和第二键合金属层20时产生的应力。此外，本发明的第二键合缓冲层10还可以防止第一键合金属层30和第二键合金属层20的金属外溢，由于第一键合金属层30和第二金属键合层20由低熔点的金属制成，在绑定键合时，低熔点金属容易溢出。
具体的，所述第二键合缓冲层10由Cr、Ni、Ti和Pt中的一种或几种制成。本发明的第二键合缓冲层采用上述电阻率低的金属制成，不仅可以消除键合绑定时产生的应力，防止金属溢出，还可以降低芯片的电压。
优选的，所述第二键合缓冲层10的结构为Cr/Ti/Pt/Ti/Pt/Ti/Pt或Cr/Ni/Pt/Ni/Pt或Cr/Ti/Pt/Ni/Pt。
所述第一键合金属层30和/或第二键合金属层20由Au或Sn或AuSn制成。
所述金属反射层50由Al、Ag和Ni中的一种或几种制成。
本发明的垂直结构LED芯片，通过设置第一键合缓冲层和第二键合缓冲层来消除绑定第一键合金属层和第二键合金属层时产生的应力。此外，本发明的第一键合缓冲层和第二键合换从层还可以防止第一键合金属层和第二键合金属层的金属外溢，提高芯片的良率。
进一步的，本发明通过对第二键合缓冲层的结构进行设计，不仅可以消除键合绑定时产生的应力，防止金属溢出，还可以降低芯片的电压。
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 (10)
1.一种垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，包括：
提供发光结构，所述发光结构包括第一衬底、第一半导体层、有源层、第二半导体层和金属反射层；
在金属反射层上依次形成第一键合缓冲层和第一键合金属层；
在第二衬底上依次形成第二键合缓冲层和第二键合金属层；
将第一键合金属层和第二键合层金属键合绑定在一起形成连接；
去除第一衬底；
将硬质掩膜置于第一半导体层的表面，采用电子束蒸发或磁控溅射的方法在第一半导体层上形成第一电极，其中，所述硬质掩膜上设有与第一电极大小和形状相配的通孔；
采用激光切割第二衬底和发光结构，形成单颗的垂直结构LED芯片。
2.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第一键合缓冲层和/或第二键合缓冲层由Cr、Ni、Ti和Pt中的一种或几种制成。
3.如权利要求2所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第一键合缓冲层和/或第二键合缓冲层的结构为Cr/Ti/Pt/Ti/Pt/Ti/Pt或Cr/Ni/Pt/Ni/Pt或Cr/Ti/Pt/Ni/Pt。
4.如权利要求3所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第一键合金属层和/或第二键合金属层由Au或Sn或AuSn制成。
5.如权利要求4所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，采用热压键合绑定的方法将第一键合金属层和第二键合金属层绑定在一起形成连接，其中，压力为900-1400kg，温度为280-300℃，时间为10-30min。
6.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述硬质掩膜为铝板、不锈钢板、玻璃或塑料。
7.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，在去除第一衬底之后，形成第一电极之前，还包括以下步骤：
将发光结构放置在温度为60-80℃的碱性溶液中进行震动，震荡时间为3-7分钟；
用水清洗发光结构；
将发光结构旋干。
8.一种垂直结构LED芯片，其特征在于，包括第二键合缓冲层，依次设于第二键合缓冲层上的第二键合金属层、第一键合金属层、第一键合缓冲层、金属反射层、第二半导体层、有源层、第一半导体层和第一电极。
9.如权利要求8所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述第一键合缓冲层和/或第二键合缓冲层由Cr、Ni、Ti和Pt中的一种或几种制成。
10.如权利要求9所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述第一键合缓冲层和/或第二键合缓冲层的结构为Cr/Ti/Pt/Ti/Pt/Ti/Pt或Cr/Ni/Pt/Ni/Pt或Cr/Ti/Pt/Ni/Pt。
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