CN109713090B - 一种垂直结构led芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直结构LED芯片及其制造方法，垂直结构LED芯片包括导电衬底，形成于导电衬底的下表面的P电极，依次设置于导电衬底的上表面的具有键合面的第一键合结构、具有键合面的第二键合结构、反射层、P型GaN层、多量子阱层、N型GaN层和N电极；其中，第一键合结构和第二键合结构的材料相同，第一键合结构的键合面朝向第二键合结构的键合面。本发明通过将第一键合结构和第二键合结构设计成为两个材料相同的键合结构，使得在形成第一键合结构和第二键合结构时仅需一套设备就可以完成，可以减少人工需要，从而节约了成本，优化了产线工艺。

Description

一种垂直结构LED芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种垂直结构LED芯片及其制造方法。

背景技术

传统的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)芯片是在蓝宝石衬底上生长外延，然后通过微加工技术得到的。蓝宝石衬底具有质量好，价格便宜，热稳定性好等特点。但蓝宝石的缺点限制了LED性能的进一步提高。主要有以下几个方面：首先，蓝宝石导电性能差，因此传统的LED正装芯片将P、N电极置于同侧，通过将部分外延刻蚀至N型氮化镓面，一方面会损失掉一部分的出光面积，另一方面会导致电流拥挤效应，使得PN结温度升高从而导致LED的稳定性下降。其次，蓝宝石的热传导性能差，也会导致LED的PN结温度升高，这种情况在大功率、大面积器件中更加严重。

针对蓝宝石衬底的不足，垂直结构LED芯片采用键合工艺将LED芯片转移至导热和导电性能更好的衬底上，然后再通过剥离蓝宝石衬底，得到电极分布在上下两面的垂直结构。垂直结构有利于电流扩展，使得LED发光更均匀，提高载流子的注入效率。其次，垂直结构省去了表面制作N电极的空间，因此其单位发光面积比正装结构的单位发光面积大，提高了外延的利用效率。最后，键合上热导率高的衬底使得器件散热性能好，提高了可靠性。

目前，垂直结构LED芯片在衬底转移时，由于目标转移衬底例如是导电衬底上的第一键合结构与蓝宝石衬底上的第二键合结构的组成各不同，其需要两套设备才能完成第一键合结构和第二键合结构的制备，同时需要较多的人工，使得垂直结构LED芯片的成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直结构LED芯片及其制造方法，以减少键合时所需要的设备数量以及人工数量，从而降低垂直结构LED芯片的成本。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种垂直结构LED芯片，包括导电衬底，形成于所述导电衬底的下表面的P电极，依次设置于所述导电衬底的上表面的具有键合面的第一键合结构、具有键合面的第二键合结构、反射层、P型GaN层、多量子阱层、N型GaN层和N电极；其中，所述第一键合结构和第二键合结构的材料相同，所述第一键合结构的键合面朝向所述第二键合结构的键合面。

优选的，所述第一键合结构包括依次叠加在所述衬底上的第一金属层、第二金属层和第三金属层，所述第二键合结构包括依次叠加在所述第一键合结构上的第二键合结构的第三金属层、第二金属层和第一金属层。

进一步的，所述第一键合结构的第三金属层远离第二金属层的表面为所述第一键合结构的键合面，所述第二键合结构的第三金属层朝向所述第一键合结构的表面为所述第二键合结构的键合面。

进一步的，所述第一键合结构的第一金属层和第二键合结构的第一金属层的材料均为镍，第一键合结构的第二金属层和第二键合结构的第二金属层的材料均为锡，第一键合结构的第三金属层和第二键合结构的第三金属层的材料均为金。

可选的，所述第一键合结构的第一金属层和第二键合结构的第一金属层的厚度均为500nm～1000nm，第一键合结构的第二金属层和第二键合结构的第二金属层的厚度均为1000nm～1500nm，第一键合结构的第三金属层和第二键合结构的第三金属层的厚度均为10nm～50nm。

进一步的，所述第一键合结构的第一金属层的厚度和第二键合结构的第一金属层的厚度相同，第一键合结构的第二金属层的厚度和第二键合结构的第二金属层的厚度相同，第一键合结构的第三金属层的厚度和第二键合结构的第三金属层的厚度相同。

可选的，所述第一键合结构还包括至少一层过渡金属层，所述第一键合结构的至少一层过渡金属层位于所述导电衬底与所述第一键合结构的第一金属层之间；所述第二键合结构还包括至少一层过渡金属层，所述第二键合结构的至少一层过渡金属层位于第二键合结构的第一金属层背离所述第二键合结构的键合面的表面上。

可选的，所述第一键合结构还包括三层过渡金属层，所述第一键合结构的三层过渡金属层依次为铬层、钛层和铂层，所述第一键合结构的铬层与导电衬底相邻；所述第二键合结构还包括三层过渡金属层，所述第二键合结构的三层过渡金属层依次为铂层、钛层和铬层，所述第二键合结构的铂层与第二键合结构的第一金属层相邻。

另一方面，本发明还提供了一种垂直结构LED芯片的制造方法，包括以下步骤：

提供生长衬底和导电衬底，在所述生长衬底上形成有外延层和反射层，所述外延层包括依次形成的未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层，在所述导电衬底的下表面上形成有P电极；

在所述反射层上形成具有键合面的第二键合结构，在所述导电衬底的上表面形成具有键合面的第一键合结构，其中，所述第一键合结构和第二键合结构的材料相同，且所述第一键合结构和第二键合结构在同一套设备中形成；

键合所述生长衬底和导电衬底，所述第一键合结构的键合面朝向所述第二键合结构的键合面；

去除所述生长衬底，并刻蚀所述未掺杂GaN层至暴露出所述N型GaN层；以及

在所述N型GaN层上形成N电极。

可选的，在键合所述生长衬底和导电衬底时：键合压力为8000毫巴～9000毫巴；键合温度为250℃～310℃；键合时间为20～40分钟。

与现有技术相比，本发明提供了一种垂直结构LED芯片及其制造方法，通过将第一键合结构和第二键合结构设计成为两个材料相同的键合结构，使得在形成第一键合结构和第二键合结构时仅需一套设备就可以完成，可以减少人工需要，从而节约了成本，优化了产线工艺。进一步的，将所述第一键合结构和第二键合结构设计成为厚度相同的键合结构，可以进一步的优化工艺。

附图说明

图1a为本发明一实施例的垂直结构LED芯片的剖面结构示意图；

图1b为本发明一实施例的第一键合结构和第二键合结构的放大剖面示意图；

图2a～2d为本发明一实施例的垂直LED芯片的制备过程中各步骤的剖面结构示意图；

图3为本发明一实施例的垂直LED芯片的制备方法的流程示意图。

附图标记说明：

100-导电衬底；

200-第一键合结构；210-第一键合结构的第一金属层；220-第一键合结构的第二金属层；230-第一键合结构的第三金属层；241、242、243-第一键合结构的三层过渡金属层；

300-第二键合结构；310-第二键合结构的第一金属层；320-第二键合结构的第二金属层；330-第二键合结构的第三金属层；341、342、343-第二键合结构的三层过渡金属层；

400-外延层；410-未掺杂GaN层；420-N型GaN层；430-多量子阱层；440-P型GaN层；

500-反射层；

610-P电极；620-N电极；

700-保护层；

800-生长衬底。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的一种垂直结构LED芯片及其制造方法进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。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。

图1为本实施例的垂直结构LED芯片的剖面结构示意图。如图1所示，本实施例提供了一种垂直结构LED芯片包括导电衬底100，所述导电衬底100例如是具有P型离子掺杂的硅衬底或者Cu衬底，利用所述导电衬底100较高的导电以及导热率，可以大大提高垂直LED芯片的散热效率。本实施例中，采用具有P型离子掺杂的硅衬底作为导电衬底100。

所述垂直结构LED芯片还包括形成于导电衬底100的下表面的P电极610，需要说明的是，所述导电衬底100朝向所述P电极610的表面为所述导电衬底100的下表面，所述导电衬底100背向所述P电极610的表面为所述导电衬底100的上表面。所述P电极610的厚度例如是大于等于

优选的，所述P电极610的厚度例如是

所述P电极610的材料为Cr、Ni、Al、Ti、Pt或者Au中的一种或几种的组合。本实施例中，所述P电极610的材料为Au。

所述垂直结构LED芯片还包括第一键合结构200和第二键合结构300，所述第一键合结构200和第二键合结构300依次设置于所述导电衬底100的上表面。所述第一键合结构200具有键合面，所述第二键合结构300具有键合面，所述第一键合结构200的键合面朝向所述第二键合结构300的键合面。所述第一键合结构200和第二键合结构300的材料相同，由上可知，制作第一键合结构200和第二键合结构300时可以在同一套设备中进行，其减少了机台的数量，同时减少了人工数量，从而节约了成本，优化了产线工艺。

图1b为本实施例的第一键合结构和第二键合结构的放大剖面示意图。如图1b所示，所述第一键合结构200包括依次叠加在所述导电衬底100上的第一金属层210、第二金属层220和第三金属层230，所述第一键合结构的第三金属层230背离第二金属层220的表面为所述第一键合结构200的键合面。所述第一键合结构的第一金属层210的材料均为镍，第一键合结构的第二金属层220的材料均为锡，第一键合结构的第三金属层230的材料均为金。所述第一键合结构的第一金属层210的厚度例如是500nm～1000nm，所述第一键合结构的第二金属层220的厚度例如是1000nm～1500nm，所述第一键合结构的第三金属层230的厚度例如是10nm～50nm。可选的，所述第一键合结构200还包括至少一层过渡金属层，所述第一键合结构200的至少一层过渡金属层的厚度例如是100nm～400nm，所述第一键合结构200的至少一层过渡金属层位于所述导电衬底100与所述第一键合结构的第一金属层210之间，所述第一键合结构200的至少一层过渡金属层的材料为Cr、Ti、Pt或者W中的一种或几种的组合。在本实施例中，所述第一键合结构200包括三层过渡金属层241、241、243，所述第一键合结构的三层过渡金属层241、241、243依次为铬层、钛层和铂层，其中，所述第一键合结构的铬层与导电衬底100相邻。

所述第二键合结构300包括依次叠加在所述第一键合结构200上的第二键合结构的第三金属层330、第二金属层320和第一金属层310，所述第二键合结构的第三金属层330朝向所述第一键合结构200的表面为所述第二键合结构300的键合面。所述第二键合结构的第一金属层310的材料均为镍，第二键合结构的第二金属层320的材料均为锡，第二键合结构的第三金属层330的材料均为金。可知，第一键合结构与第二键合结构均包括镍、锡和金三种材料，其可以在同一套设备中形成。所述第二键合结构的第一金属层310的厚度例如是500nm～1000nm，所述第二键合结构的第二金属层320的厚度例如是1000nm～1500nm，所述第二键合结构的第三金属层330的厚度例如是10nm～50nm。优选的，所述第一键合结构的第一金属层210的厚度和第二键合结构的第一金属层310的厚度相同，第一键合结构的第二金属层220的厚度和第二键合结构的第二金属层320的厚度相同，第一键合结构的第三金属层230的厚度和第二键合结构的第三金属层330的厚度相同。第一键合结构和第二键合结构中各层的厚度相同，材料也相同，进一步的优化了产线工艺，降低了生产成本。可选的，所述第二键合结构300还包括至少一层过渡金属层，所述第二键合结构300的至少一层过渡金属层的厚度例如是100～400nm，所述第二键合结构的至少一层过渡金属层位于第二键合结构的第一金属层310背离所述第二键合结构的键合面的表面上。所述第二键合结构300的至少一层过渡金属层的材料为Cr、Ti、Pt或者W中的一种或几种的组合。在本实施例中，所述第二键合结构300包括三层过渡金属层341、341、343，所述第二键合结构的三层过渡金属层341、341、343依次为铂层、钛层和铬层，其中，所述第二键合结构300的铂层与第二键合结构的第一金属层310相邻。

所述垂直结构LED芯片还包括依次叠加在所述第二键合结构300上的反射层500、p型GaN层(氮化镓)440、多量子阱层(MQW)430、n型GaN层420、保护层700和N电极620，所述反射层500和P型GaN层440有良好的欧姆接触并具有高反射率特性。所述反射层500材料为Ni、Ag、Ti、Pt、Al或者Rh等中的一种或多种组合，其厚度例如为

本实施例中，采用Ag作为反射层500的材料。当然，其他的反射金属也可以适用于本发明，并不限定于此处所列举的示例。所述反射层500的尺寸根据LED芯片尺寸而定，且小于LED芯片的尺寸。

所述n型GaN层420背向所述导电衬底100一侧的表面(即，所述n型GaN层420的上表面)例如是粗糙表面。所述p型GaN层440、多量子阱层430和n型GaN层420的尺寸例如是小于所述反射层500的尺寸，且所述p型GaN层440、多量子阱层430和n型GaN层420的尺寸均相等或依次减小。在垂直LED芯片工作时，所述n型GaN层420的上表面作为垂直LED芯片的出光面将光线射出，其为垂直LED芯片光线的有效出光区域。在本实施例中，所述p型GaN层440、多量子阱层430和n型GaN层420的尺寸均相同。所述保护层700形成于所述p型GaN层440、多量子阱层430和n型GaN层420的侧壁以及所述n型GaN层420靠近所述N电极620的表面上(即所述n型GaN层420的上表面)。所述保护层700的材料例如是氧化铝、氮化硅或二氧化硅等绝缘材料，所述保护层700的厚度例如是

本实施例中，所述保护层700的材料为二氧化硅。

所述N电极620位于部分所述n型GaN层420上，且所述保护层700暴露所述N电极620。所述N电极620的材料例如为Cr、Ni、Al、Ti、Pt或者Au中的一种或几种的组合，所述N电极620的厚度例如是大于等于

优选的，所述N电极620的厚度例如是本实施例中，采用Ni/Au作为电极的材料。当然，其他的电极金属也可能适用于本发明，并不限定与此处所列举的示例。

需要说明的是，虽然本实施例中垂直结构LED芯片包括了导电衬底100以及形成于导电衬底100的下表面的P电极610，依次形成于所述导电衬底100的上表面的具有键合面的第一键合结构200、具有键合面的第二键合结构300、反射层500、P型GaN层440、多量子阱层430、N型GaN层420和N电极620，但是，实际上，本实施例仅需要第一键合结构和第二键合结构的材料相同即可，对垂直结构LED芯片是否还包括其他组成部件不做限定，同时对已知各层的形状、位置亦不做限定，其可以根据实际需求进行变换。

图3为本实施例的垂直LED芯片的制备方法的流程示意图。如图3所示，本实施例还提供了一种垂直LED芯片的制备方法包括以下步骤：

步骤S1：提供生长衬底和导电衬底，在所述生长衬底上形成有外延层和反射层，所述外延层包括依次形成的未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层，在所述导电衬底的下表面上形成有P电极；

步骤S2：在所述反射层上形成具有键合面的第二键合结构，在所述导电衬底的上表面形成具有键合面的第一键合结构，其中，所述第一键合结构和第二键合结构的材料相同，且所述第一键合结构和第二键合结构在同一套设备中形成；

步骤S3：键合所述生长衬底和导电衬底，所述第一键合结构的键合面朝向所述第二键合结构的键合面；

步骤S4：去除所述生长衬底，并刻蚀所述未掺杂GaN层至暴露出所述N型GaN层；以及

步骤S5：在所述N型GaN层上形成N电极。

下面结合图2a-图3对本发明实施例的一种垂直结构LED芯片的制造方法进行详细说明。

图2a为本实施例所提供的生长衬底和导电衬底的剖面结构示意图。如图2a所示，首先执行步骤S1，提供生长衬底800和导电衬底100，在所述生长衬底800上形成有外延层400和反射层500，所述外延层400包括依次形成的未掺杂GaN层410、N型GaN层420、多量子阱层430和P型GaN层440，在所述导电衬底100的下表面上形成有P电极610。

其中，所述生长衬底800可以为蓝宝石衬底、硅衬底、SiC衬底。

图2b为本实施例形成第一键合结构和第二键合结构之后的剖面结构示意图。如图2b所示，接着执行步骤S2，在所述反射层500上形成具有键合面的第二键合结构300，在所述导电衬底100的上表面形成具有键合面的第一键合结构200，其中，所述第一键合结构200和第二键合结构300的材料相同，且所述第一键合结构200和第二键合结构300在同一套设备中形成。

所述第一键合结构200依次包括至少一层过渡金属层、第一金属层210、第二金属层220和第三金属层230；所述第二键合结构300包括依次形成于所述反射层500上的至少一层过渡金属层、第一金属层310、第二金属层320和第三金属层330。

在本步骤中，所述第一键合结构200和第二键合结构300在同一套设备中形成，可以减少人工需要，从而节约了成本，优化了产线工艺。

图2c为本实施例键合后的剖面结构示意图。如图2c所示，接着执行步骤S3，键合所述生长衬底800和导电衬底100，所述第一键合结构200具有键合面的朝向所述第二键合结构300的具有键合面。

在本步骤中，该键合工艺的键合压力为8000毫巴～9000毫巴；键合温度为250℃～310℃；键合时间为20～40分钟。

图2d为本实施例去除生长衬底后的剖面结构示意图。如图2d所示，接着执行步骤S4，去除所述生长衬底800，并刻蚀所述未掺杂GaN层410至暴露出所述N型GaN层420。

具体的，首先，激光剥离所述生长衬底800；接着，刻蚀所述未掺杂GaN层410至暴露出所述N型GaN层420，再对所述N型GaN层420进行粗化处理以形成粗糙表面。

如图1a所示，接着执行步骤S5，在所述N型GaN层420上形成N电极620。

首先，通过干法刻蚀以形成隔离槽，所述隔离槽的底部暴露所述导电衬底100。

接着，在所述P型GaN层440、多量子阱层430及N型GaN层420的侧壁以及所述N型GaN层420上表面形成一保护层700。

最后，采用蒸镀法在所述N型GaN层420的上表面制备所述N电极620。

综上所述，本发明提供了一种垂直结构LED芯片及其制造方法，通过将第一键合结构和第二键合结构设计成为两个材料相同的键合结构，使得在形成第一键合结构和第二键合结构时仅需一套设备就可以完成，可以减少人工需要，从而节约了成本，优化了产线工艺。进一步的，将所述第一键合结构和第二键合结构设计成为厚度相同的键合结构，可以进一步的优化工艺。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种垂直结构LED芯片，其特征在于，包括导电衬底，形成于所述导电衬底的下表面的P电极，依次设置于所述导电衬底的上表面的具有键合面的第一键合结构、具有键合面的第二键合结构、反射层、P型GaN层、多量子阱层、N型GaN层和N电极；其中，所述第一键合结构和第二键合结构的材料相同，所述第一键合结构的键合面朝向所述第二键合结构的键合面；所述第一键合结构包括依次叠加在所述导电衬底上的第一金属层、第二金属层和第三金属层，所述第二键合结构包括依次叠加在所述第一键合结构上的第二键合结构的第三金属层、第二金属层和第一金属层；所述第一键合结构还包括至少一层过渡金属层，所述第一键合结构的至少一层过渡金属层位于所述导电衬底与所述第一键合结构的第一金属层之间；所述第二键合结构还包括至少一层过渡金属层，所述第二键合结构的至少一层过渡金属层位于第二键合结构的第一金属层背离所述第二键合结构的键合面的表面上。

2.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述第一键合结构的第三金属层背离导电衬底的表面为所述第一键合结构的键合面，所述第二键合结构的第三金属层朝向所述第一键合结构的表面为所述第二键合结构的键合面。

3.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述第一键合结构的第一金属层和第二键合结构的第一金属层的材料均为镍，第一键合结构的第二金属层和第二键合结构的第二金属层的材料均为锡，第一键合结构的第三金属层和第二键合结构的第三金属层的材料均为金。

4.如权利要求1-3中任一项所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述第一键合结构的第一金属层和第二键合结构的第一金属层的厚度均为500nm～1000nm，第一键合结构的第二金属层和第二键合结构的第二金属层的厚度均为1000nm～1500nm，第一键合结构的第三金属层和第二键合结构的第三金属层的厚度均为10nm～50nm。

5.如权利要求4所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述第一键合结构的第一金属层的厚度和第二键合结构的第一金属层的厚度相同，第一键合结构的第二金属层的厚度和第二键合结构的第二金属层的厚度相同，第一键合结构的第三金属层的厚度和第二键合结构的第三金属层的厚度相同。

6.如权利要求5所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述第一键合结构还包括三层过渡金属层，所述第一键合结构的三层过渡金属层依次为铬层、钛层和铂层，所述第一键合结构的铬层与导电衬底相邻；所述第二键合结构还包括三层过渡金属层，所述第二键合结构的三层过渡金属层依次为铂层、钛层和铬层，所述第二键合结构的铂层与第二键合结构的第一金属层相邻。

7.一种垂直结构LED芯片的制造方法，制造如权利要求1-6中任一项所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，包括以下步骤：

提供生长衬底和导电衬底，在所述生长衬底上形成有外延层和反射层，所述外延层包括依次形成的未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层，在所述导电衬底的下表面上形成有P电极；

在所述反射层上形成具有键合面的第二键合结构，在所述导电衬底的上表面形成具有键合面的第一键合结构，其中，所述第一键合结构和第二键合结构的材料相同，且所述第一键合结构和第二键合结构在同一套设备中形成；

键合所述生长衬底和导电衬底，所述第一键合结构的键合面朝向所述第二键合结构的键合面；

去除所述生长衬底，并刻蚀所述未掺杂GaN层至暴露出所述N型GaN层；以及

在所述N型GaN层上形成N电极。

8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在键合所述生长衬底和导电衬底时：键合压力为8000毫巴～9000毫巴；键合温度为250℃～310℃；键合时间为20～40分钟。

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