CN109728136A - 垂直led芯片结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直LED芯片结构及其制备方法，该制备方法包括：提供一衬底，衬底的一侧上形成有n型GaN层，n型GaN层至少包括N电极区；在n型GaN层上形成一图形化的掩模层，图形化的掩模层在N电极区具有一开口，并以图形化的掩模层为掩模，从开口处对n型GaN层进行硅离子掺杂，然后清除图形化的掩模层；以及在N电极区上形成N电极，N电极至少包括与N电极区相接触的第一层金属层，第一层金属层的材料为铝。本发明通过对n型GaN层的N电极区进行硅离子的再掺杂，以提高后续形成的第一层金属层与n型GaN层之间的欧姆接触；再通过采用材料Al作为N电极与n型GaN层的第一层金属层，以降低接触金属对光能的吸收，从而提高垂直LED芯片的亮度。

Description

垂直LED芯片结构及其制备方法

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LED芯片结构及其制备方法。

背景技术

欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区而不再接触面。欧姆接触在半导体与外部电路的信号传输上有很重要的作用，特别是接触的电阻相对于大功率器件必须忽略，因为电极上的电压降会增加消耗功率，从而降低系统的效率。故而，欧姆接触是实现高质量器件的基础。要获得低阻欧姆接触，必须有低的接触势垒高度、高的掺杂浓度，或二者兼有。一般情况下，在半导体上制备欧姆接触都需要蒸镀合适的金属结构，然后经过退火降低接触电阻，从而形成良好的欧姆接触。

行业内通常采用Cr或Ti作为垂直LED芯片中电极与半导体的接触金属，以实现较好的欧姆接触，但是，在垂直LED芯片工作时，Cr或Ti对光能具有较强的吸收能力，使得垂直LED芯片的亮度难以提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直LED芯片结构及其制备方法，以提高垂直结构LED的亮度。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种垂直LED芯片结构的制备方法，包括以下步骤：

提供一衬底，所述衬底的一侧上形成有n型GaN层，所述n型GaN层至少包括N电极区；

在所述n型GaN层上形成一图形化的掩模层，所述图形化的掩模层在所述N电极区具有一开口，并以所述图形化的掩模层为掩模，对所述n型GaN层进行硅离子掺杂，然后清除所述图形化的掩模层；以及

在所述N电极区上形成N电极，所述N电极至少包括与所述N电极区相接触的第一层金属层，所述第一层金属层的材料为铝。

可选的，所述图形化的掩模层为图形化的光刻胶层。所述图形化的光刻胶层的厚度为1.8μm-3.5μm。

可选的，从所述开口处对所述n型GaN层进行硅离子掺杂包括：

通入四氯化硅气体，对所述n型GaN层以刻蚀的方式进行硅离子掺杂，其中，所述四氯化硅气体的刻蚀率为5-10埃每秒。对所述n型GaN层进行硅离子掺杂后，所述N电极区的高度降低

可选的，所述第一层金属层的材料为Al，所述第一层金属层的厚度为

另一方面，本发明还提供了一种垂直LED芯片结构，包括：

衬底；

形成于所述衬底一侧的n型GaN层，所述n型GaN至少包括N电极区，所述n型GaN掺杂有硅离子；以及

位于所述N电极区的N电极，所述N电极至少包括与所述N电极区相接触的第一层金属层，所述第一层金属层的材料为铝。

可选的，所述N电极还包括剩余金属层，位于所述第一层金属层上，且所述剩余金属层的层数大于等于1。

可选的，所述衬底包括：

导电衬底；

依次位于所述导电衬底与n型GaN层之间的p型GaN层和多量子阱层；

位于所述衬底背离所述n型GaN层一侧的P电极；

其中，所述导电衬底、p型GaN层、多量子阱层和n型GaN层堆叠设置。

与现有技术相比，本发明提供了一种垂直芯片结构及其制备方法，通过对n型GaN层的N电极区进行硅离子的掺杂，以提高后续形成的第一层金属层与n型GaN层之间的欧姆接触；再通过采用材料铝作为N电极与所述N电极区相接触的第一层金属层(即，接触金属)，以降低接触金属对光能的吸收，从而提高垂直LED芯片的亮度。

附图说明

图1为一种垂直LED芯片结构的剖面结构示意图；

图2a～2c为本发明一实施例的垂直LED芯片结构的制备过程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：

图1中：

10-导电衬底；11-P电极；12-p型GaN层；13-多量子阱层；14-n型GaN层；15-N电极；15a-第一层金属层；

图2a～2c中：

100-衬底；110-导电衬底；120-p型GaN层；130-多量子阱层；140-P电极；

200-n型GaN层；200a-N电极区；201-凹槽；

300-N电极；310-第一层金属层；320-剩余金属层；321-过渡金属层；322-顶部金属层。

具体实施方式

图1为一种垂直LED芯片结构的剖面结构示意图。如图1所示，如背景技术所述，垂直LED芯片例如是包括导电衬底10，依次叠加在所述导电结构10一侧的p型GaN层12、多量子阱层13和n型GaN层14，位于所述n型GaN层14部分表面上的N电极15，以及位于所述导电衬底10另一侧的P电极11，所述N电极15例如是包括依次叠加的至少三层金属层，其中设置在n型GaN层上的第一层金属层15a，即，所述第一层金属层15a作为N电极与n型GaN层的接触金属的材料例如是Cr或Ti。发明人研究发现，上述垂直LED芯片在工作时，接触金属对光能具有较强的吸收作用，使得垂直LED芯片的亮度难以提升。

为了克服上述结构存在的问题，通过对n型GaN层的N电极区进行硅离子的掺杂，以提高后续形成的第一层金属层与n型GaN层之间的欧姆接触；再通过采用材料Al作为N电极与n型GaN层的第一层金属层，以降低接触金属对光能的吸收，从而提高垂直LED芯片的亮度。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图2a-3对本发明的具体实施方式作进一步的说明。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率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图3为本实施例的垂直LED芯片结构的制备方法的流程示意图。如图3所示，所述垂直LED芯片结构的制备方法包括以下步骤：

步骤S1：提供一衬底，所述衬底的一侧上形成有n型GaN层，所述n型GaN层至少包括N电极区；

步骤S2：在所述n型GaN层上形成一图形化的掩模层，所述图形化的掩模层在所述N电极区形成有一开口，并以所述图形化的掩模层为掩模，对所述n型GaN层进行硅离子掺杂，然后清除所述图形化的掩模层；以及步骤S3：在所述N电极区上形成N电极，所述N电极至少包括与所述N电极区相接触的第一层金属层，所述第一层金属层的材料为铝。

下面结合图2a-3对本发明实施例所提供的一种垂直LED芯片结构的制备方法进行详细介绍。

图2a为本实施例的垂直LED芯片结构的衬底的剖面示意图。如图2a所示，首先执行步骤S1，提供一衬底100，所述衬底100的一侧上形成有n型GaN层200，所述n型GaN层200至少包括N电极区200a，所述N电极区200a上方(背离所述衬底100的一侧上)用于形成N电极。

需要解释的是，所述衬底100面向所述n型GaN层200的一侧可以定义为所述衬底100的正面，或者上表面；所述衬底100背向所述n型GaN层200的一侧可以定义为所述衬底100的背面，或者下表面。

所述衬底100例如是包括导电衬底110，依次位于所述导电衬底110与n型GaN层200之间的p型GaN层(氮化镓)120和多量子阱层(MQW)130，所述导电衬底110、p型GaN层120、多量子阱层130和n型GaN层200堆叠设置。所述导电衬底110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110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。所述衬底100还包括位于所述衬底100背向n型GaN层200的一侧的P电极140，即，所述衬底100还包括位于所述衬底100下表面的P电极140，所述P电极140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，采用具有P型离子掺杂的硅衬底作为导电衬底110，所述P电极140的材料为Au。

在本实施例中，所述n型GaN层200除N电极区200a以外部分的上表面例如是经过了粗化处理，以增加垂直LED芯片结构的光能可以从n型GaN层200的上表面射出时的出光面积。在其他实施例中，所述n型GaN层除N电极区以外部分的上表面也可以不经过粗化处理。

图2b为本实施例的清除所述图形化的掩模层之后的剖面示意图。如图2b所示，同时请参阅图2a，接着执行步骤S2，在所述n型GaN层200上形成一图形化的掩模层，所述图形化的掩模层在所述N电极区200a形成有一开口，并以所述图形化的掩模层为掩模，对所述n型GaN层200进行硅离子掺杂，然后清除所述图形化的掩模层。

首先，在所述n型GaN层200上形成一图形化的掩模层(图中未示出)，所述图形化的掩模层在所述N电极区200a形成有一开口。所述图形化的掩模层例如是图形化的光刻胶层，或者是图形化的硬掩模层，所述图形化的硬掩模层的材料例如是采用常用的硬掩模材料诸如氮化硅。在本实施例中，所述图形化的掩模层例如是图形化的光刻胶层，所述图形化的光刻胶层的厚度为1.8-3.5μm。在本步骤中，通过匀胶、前烘、曝光、显影和坚膜等工艺，在所述n型GaN层200上制作图形化的光刻胶层。

接着，以所述图形化的掩模层为掩模，对所述n型GaN层200进行Si(硅)离子掺杂。

在本步骤中，以所述图形化的掩模层为掩模，例如是通入SiCl₄气体以刻蚀的方式对所述n型GaN层200进行硅离子掺杂，以提高后续所形成的接触金属与n型GaN层200之间的欧姆接触。在通入SiCl₄气体时，所述SiCl₄气体的刻蚀率为(埃每秒)，该刻蚀使得所述n型GaN层200在N电极区处形成一凹槽201，进一步的，所述N电极区的高度下降 即，所述N电极区以外区域的最高高度与所述N电极区的最高高度的高度差为

最后，清除所述图形化的掩模层。

可选的，在对所述n型GaN层200进行硅离子掺杂与清除所述图形化的掩模层之间还包括对所述n型GaN层200的N电极区200a进行粗化处理，使得N电极区200a的表面为粗糙表面。

图2c为本实施例的在形成N电极之后的剖面示意图。如图2c所示，同时请参阅如2b，接着执行步骤S3，在所述N电极区200a上方形成N电极300，所述N电极300至少包括与所述N电极区200a相接触的第一层金属层310，所述第一层金属层310的材料为铝，由上可知，采用材料铝作为N电极与n型GaN层的接触金属，可以降低接触金属对光能的吸收，从而提高了垂直LED芯片的亮度。

在本实施例中，例如是采用蒸镀方法在所述N电极区200a上方形成第一层金属层310。所述第一层金属层310位于所述凹槽201中，且所述第一层金属层310的尺寸小于或等于所述凹槽201的尺寸，即，所述第一层金属层310在所述n型GaN层200上表面的投影至少部分覆盖所述N电极区200a。所述第一层金属层310的镀率为(埃/每秒)，所述第一层金属层310的厚度为在其他实施例中，还可以采用溅射方法在所述N电极区形成第一层金属层。

可选的，所述N电极300还包括剩余金属层320，所述剩余金属层320位于所述第一层金属层310上，且所述剩余金属层320的层数大于或等于1。优选的，所述剩余金属层320可以包括电性较为稳定的过渡金属层321以及电性稳定的顶部金属层330。在本实施例中，在所述第一层金属层310上依次形成过渡金属层321和顶部金属层322，以形成N电极300。所述过渡金属层321和顶部金属层322采用蒸镀或溅射方法形成。所述顶部金属层322、所述过渡金属层321和第一层金属层310的形状尺寸相同。所述过渡金属层321例如是包括依次叠加的Ti/Pt/Ti/Pt/Ti/Pt，即，所述过渡金属层321包括依次重复叠加的Ti和Pt。在其他实施例中，可以没有过渡金属层，也可以是Cr、Ni、Ti、Pt或者Au中的一种或几种的组合，也可以是Cr、Ni、Ti、Pt或者Au中的两种或多种的一次或多次叠加形成。所述顶部金属层322的材料例如是Au层，实际上，所述顶部金属层322的材料可以为Cr、Ni、Ti、Pt或者Au中的一种或几种的组合。

在清除所述图形化的掩模层之后，以及在所述N电极区上形成N电极之前还包括：在所述n型GaN层200除N电极区以外部分的上表面形成绝缘层，以对垂直LED芯片结构进行保护。

请继续参阅图2c，本发明实施例的垂直LED芯片结构包括：衬底100；形成于衬底100上表面的n型GaN层200，所述n型GaN层200至少包括N电极区，所述n型GaN层200掺杂有硅离子；以及位于所述N电极区背离所述衬底100的表面的N电极300，所述N电极300至少包括与所述N电极区相接触的第一层金属层310，所述第一层金属层310的材料为铝。

所述第一层金属层310的厚度为所述第一层金属层310下方的所述n型GaN层200的表面可以是粗糙表面也可以是平坦表面，且第一层金属层310下方的所述n型GaN层200的上表面的高度例如是低于n型GaN层200其他区域上表面的高度。

可选的，所述N电极还包括剩余金属层320，所述剩余金属层320叠加在所述第一层金属层310上，所述剩余金属层320的层数至少为1层。优选的，所述剩余金属层320包括过渡金属层321和顶部金属层322，所述过渡金属层321的厚度例如是所述顶部金属层322的的厚度例如是

在本实施例中，所述衬底100至少包括导电衬底110；依次位于所述导电衬底110与n型GaN层200之间的p型GaN层(氮化镓)120和多量子阱层(MQW)130，以及位于所述衬底100背离所述n型GaN层200的一侧的P电极140。当然，在其他实施例中，所述衬底100还可以包括其他层，例如位于所述导电衬底110与p型GaN层120之间的反射层等。

综上所述，本发明提供了一种垂直芯片结构的制备方法，通过对n型GaN层的N电极区进行硅离子的掺杂，以提高后续形成的第一层金属层与n型GaN层之间的欧姆接触；再通过采用材料铝作为N电极与n型GaN层的第一层金属层(即，接触金属)，以降低接触金属对光能的吸收，从而提高垂直LED芯片的亮度。

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 (10)

1.一种垂直LED芯片结构的制备方法，其特征在于，包括：

提供一衬底，所述衬底的一侧上形成有n型GaN层，所述n型GaN层至少包括N电极区；

在所述n型GaN层上形成一图形化的掩模层，所述图形化的掩模层在所述N电极区具有一开口，并以所述图形化的掩模层为掩模，对所述n型GaN层进行硅离子掺杂，然后清除所述图形化的掩模层；以及

在所述N电极区上形成N电极，所述N电极至少包括与所述N电极区相接触的第一层金属层，所述第一层金属层的材料为铝。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述图形化的掩模层为图形化的光刻胶层。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述图形化的光刻胶层的厚度为1.8μm-3.5μm。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对所述n型GaN层进行硅离子掺杂包括：

通入四氯化硅气体，对所述n型GaN层以刻蚀的方式进行硅离子掺杂。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述四氯化硅气体的刻蚀率为5-10埃每秒。

6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，对所述n型GaN层进行硅离子掺杂后，所述N电极区的高度降低

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一层金属层的厚度为

8.一种垂直LED芯片结构，其特征在于，包括：

衬底；

形成于所述衬底一侧的n型GaN层，所述n型GaN层至少包括N电极区，所述n型GaN层掺杂有硅离子；以及

位于所述N电极区上的N电极，所述N电极至少包括与所述N电极区相接触的第一层金属层，所述第一层金属层的材料为铝。

9.如权利要求8所述的垂直LED芯片结构，其特征在于，所述N电极还包括剩余金属层，位于所述第一层金属层上，且所述剩余金属层的层数大于等于1。

10.如权利要求8所述的垂直LED芯片结构，其特征在于，所述衬底包括：

导电衬底；

依次位于所述导电衬底与n型GaN层之间的p型GaN层和多量子阱层；以及

位于所述衬底背离所述n型GaN层一侧的P电极；

其中，所述导电衬底、p型GaN层、多量子阱层和n型GaN层堆叠设置。