CN109768137B - 垂直结构led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种垂直结构LED芯片及其制备方法，其中，LED芯片中包括：支撑衬底；设于支撑衬底表面的键合金属层；设于键合金属层表面的反射金属层；设于反射金属层表面的用于制备电流阻挡层的阻挡层区域及用于制备p电极的电极区域；设于阻挡层区域和电极区域表面的外延结构；设于外延结构表面的n电极，n电极与阻挡层区域于垂直方向上相对设置，且n电极的边界不超过阻挡区域的边界；及设于外延结构表面除n电极区域及侧壁的钝化层，其制作工艺简单，出光效率高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种垂直结构LED芯片及其制备方法。
背景技术
LED由于具有发光效率高、寿命长、环保等优点，已经广泛应用在固态照明、显示、移动照明等领域。垂直结构LED芯片由于具备电流扩散好、散热快、能用大电流驱动等天然优势，是重要的LED芯片结构之一。为了提高垂直结构LED芯片的光效，业界采用了高反射率p欧姆接触电极、芯片表面粗化、p面电流阻挡层(或电流阻挡区域)等技术。
在制备垂直结构LED芯片时，通常需要在p面与n电极(包括焊盘)垂直对应的位置制备如图1所示的电流阻挡层3或如图2所示的电流阻挡区域12，使电流不流经n电极底部，避免了LED芯片的出光被n电极所吸收，其中，电流阻挡层一般为介电材料，采用物理或化学沉积形成；电流阻挡区域一般采用等离子体轰击p面，使p面形成高阻区域。在图1和图2所示的垂直结构LED芯片中，从下到至上还包括：支撑基板9、键合金属8、P电极5、外延结构2及n电极11。
但是，电流阻挡层需要通过一次额外的光刻工艺才能实现，电流阻挡区域更需要两次额外的光刻才能实现(包括一次对版标记光刻)，一定程度上提高了垂直结构LED芯片的制造成本。
发明内容
为了克服以上不足，本发明提供了一种垂直结构LED芯片及其制备方法，有效解决现有垂直结构LED芯片在制备电流阻挡层或电流阻挡区域过程中需要额外的光刻工艺导致制造成本提高的技术问题。
本发明提供的技术方案包括：
一种垂直结构LED芯片，包括：
支撑衬底；
设于所述支撑衬底表面的键合金属层；
设于所述键合金属层表面的反射金属层；
设于所述反射金属层表面的用于制备电流阻挡层的阻挡层区域及用于制备p电极的电极区域；
设于所述阻挡层区域和电极区域表面的外延结构；
设于所述外延结构表面的n电极，所述n电极与所述阻挡层区域于垂直方向上相对设置，且所述n电极的边界不超过阻挡区域的边界；及
设于所述外延结构表面除n电极区域及侧壁的钝化层。
进一步优选地，在所述电极区域包括：
设于所述反射金属层表面的保护金属层；及
设于所述保护金属层表面的p电极，所述保护金属层的边界超过所述p电极的边界，或所述保护金属层的边界与所述p电极的边界齐平。
进一步优选地，所述电流阻挡层由单层或多层结构的透明介电材料制备而成，于所述阻挡层区域，与所述反射金属层形成全方位反射镜。
进一步优选地，所述p电极由高反射率金属制备而成。
本发明还提供了一种垂直结构LED芯片制备方法，包括：
在生长衬底上生长外延结构；
在所述外延结构表面沉积电流阻挡层，并在所述电流阻挡层中阻挡层区域表面制备牺牲层；
腐蚀未被牺牲层覆盖的电流阻挡层，直到露出所述外延结构；
依次沉积p电极及保护金属层；
去除所述牺牲层；
在所述保护金属层及剩余的电流阻挡层表面沉积键合金属层；
通过所述键合金属层键合支撑基板，并去除生长衬底；
在电流阻挡区域，腐蚀外延结构，直至电流阻挡层，形成LED芯片的独立结构；
沉积钝化层；
在每个独立结构中，腐蚀外延结构表面与电流阻挡层对应的区域，并制备n电极。
进一步优选地，在腐蚀未被牺牲层覆盖的电流阻挡层中，进一步包括：在腐蚀未被牺牲层覆盖的电流阻挡层中，进一步包括：延长腐蚀时间，腐蚀牺牲层覆盖的电流阻挡层1～4μm。
进一步优选地，沉积p电极之后，还包括：
针对p电极进行退火处理。
进一步优选地，去除生长衬底之后，还包括：
粗化外延结构表面。
在本发明提供的垂直结构LED芯片及其制备方法中，电流阻挡层和p电极相互补充排布于反射金属层表面，其制作工艺简单，出光效率高。相比传统的制造工艺，该制备方法可以减少一到两次光刻工艺，进而降低了制造成本、缩短了制造周期。另外，外延结构的边界被钝化层和电流阻挡层两种绝缘材料完全包覆，大幅提高了垂直结构LED芯片的可靠性。
附图说明
图1为现有技术中带有电流阻挡层的垂直结构LED芯片结构示意图；
图2为现有技术中具有电流阻挡区域的垂直结构LED芯片结构示意图；
图3为本发明中垂直结构LED芯片结构示意图；
图4～图15为本发明一实例中垂直结构LED芯片制备流程示意图。
附图标号说明：
1-生长衬底，2-外延结构，3-电流阻挡层，4-牺牲层，5-P电极，6-保护金属层，7-反射金属层，8-键合金属层，9-支撑基板，10-钝化层，11-n电极，12-电流阻挡区域。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
如图3所示为本发明提供的垂直结构LED芯片结构示意图，如图示，在该垂直结构LED芯片中包括：支撑衬底；设于支撑衬底表面的键合金属层；设于键合金属层表面的反射金属层；设于反射金属层表面的用于制备电流阻挡层的阻挡层区域及用于制备p电极的电极区域；设于阻挡层区域和电极区域表面的外延结构；设于外延结构表面的n电极，n电极与阻挡层区域于垂直方向上相对设置，且n电极的边界不超过阻挡区域的边界；及设于外延结构表面除n电极区域及侧壁的钝化层。在电极区域中进一步包括：设于反射金属层表面的保护金属层；及设于保护金属层表面的p电极，保护金属层的边界超过p电极的边界，或保护金属层的边界与p电极的边界齐平。
在该垂直结构LED芯片中，外延结构中包括n型GaN层、有源层及p型GaN层。键合金属层表面阻挡层区域和电极区域相互补充设置，即在键合金属层表面没有p电极的区域制备电流阻挡层。键合金属层由粘结金属层、阻挡金属层以及低熔点金属层组成。电流阻挡层由单层或多层结构的透明介电材料制备而成，于阻挡层区域，与反射金属层形成全方位反射镜；p电极由高反射率金属制备而成。另外，外延结构的边界被钝化层和电流阻挡层两种绝缘材料完全包覆，大大提高了垂直结构LED芯片的可靠性。
在实际应用中，支撑衬底可以为半导体Si(硅)，也可以为金属Cu(铜)、W(钨)、Mo(钼)或者它们的合金；反射金属层的材料为Al(铝)、Ti(钛)、Ni(镍)或Ag(银)；电流阻挡层的材料为SiO2(二氧化硅)、SiN(氮化硅)、SiON(氮氧化硅)、AlOx(氧化铝)或者它们的复合结构；p电极为Ni/Ag复合金属层；钝化层为SiO2、SiN、SiON或者它们的复合结构；保护金属层的材料为Ti、Ni、Cr、TiW或者它们的复合结构。
本发明还提供了一种垂直结构LED芯片制备方法，包括：在生长衬底上生长外延结构(包括n型GaN层、有源层及p型GaN层)；在外延结构表面沉积电流阻挡层，并在电流阻挡层中阻挡层区域表面制备牺牲层；腐蚀未被牺牲层覆盖的电流阻挡层，直到露出外延结构；依次沉积p电极及保护金属层；去除牺牲层；在保护金属层及剩余的电流阻挡层表面沉积键合金属层；通过键合金属层键合支撑基板，并去除生长衬底；在电流阻挡区域，腐蚀外延结构，直至电流阻挡层，形成LED芯片的独立结构；沉积钝化层；在每个独立结构中，腐蚀外延结构表面与电流阻挡层对应的区域，并制备n电极。
进一步来说，在腐蚀未被牺牲层覆盖的电流阻挡层中，延长腐蚀时间，腐蚀牺牲层覆盖的电流阻挡层1～4μm，即过腐蚀电流阻挡层。沉积p电极之后，根据需求对p电极进行退火处理。去除生长衬底之后，还包括：粗化外延结构表面，增强垂直结构LED芯片的出光效率。
在一实例中，垂直结构LED芯片的制备过程包括：
使用GaN基发光二极管材料通过金属有机化学气相沉积的方法在生长衬底1上生长包括n型GaN层、有源层及p型GaN层的外延结构2，如图4所示；
在外延结构2中p型GaN层上用等离子体化学气相沉积的方法沉积一层SiO2电流阻挡层3，如图5所示；
利用光刻和电子束蒸镀的方法在电流阻挡层3的部分区域(对应阻挡层区域)形成牺牲层4，材料为金属Al，如图6所示；
用氢氟酸和氟化铵的混合溶液腐蚀没有被牺牲层覆盖的电流阻挡层3，直至p型GaN层暴露出来；延长腐蚀时间，腐蚀牺牲层覆盖的电流阻挡层3的边界2微米左右停止腐蚀，如图7所示；
用电子束蒸发的方法沉积p电极5，p电极为Ni/Ag复合金属层，如图8所示，并用RTA对p电极进行退火；
用测控溅射的方法溅射保护金属层6，材料为Ti，该保护金属层6的边界覆盖了p电极5的边界，如图9所示；
用氢氧化钠溶液腐蚀牺牲层，使得p电极和电流阻挡层相互补充排布在外延结构表面，如图10所示；
沉积反射金属层7，材料为Al，该反射金属层7和电流阻挡层形成复合全方向反射镜，如图11所示；
沉积键合金属层8，如图12所示，具体该键合金属层为Ti/TiW/Ti/Pt/Ni/Sn的多层复合结构，其中Ti为粘结层，TiW/Ti/Pt/Ni为阻挡层，Sn为低熔点金属层；
利用加温加压的方式将外延结构和一个镀了键合金属的支撑基板9键合在一起，如图13所示；
去除生长衬底，使n型GaN朝上，如所示图14；
对n型GaN表面进行粗化处理，如图15所示；
腐蚀部分区域的GaN外延材料，深度至电流阻挡层，使晶圆上的LED芯片相互独立；用等离子体化学气相沉积方法沉积SiO2钝化层。用光刻和腐蚀的方法腐蚀部分SiO2钝化层，使得n型GaN表面露出，最后用电子束蒸镀的方法制备n电极，得到垂直结构LED芯片，如图3所示。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种垂直结构LED芯片，其特征在于，包括：
支撑衬底；
设于所述支撑衬底表面的键合金属层；
设于整个键合金属层表面的反射金属层；
设于所述反射金属层表面的用于制备电流阻挡层的阻挡层区域及用于制备p电极的电极区域；
设于所述阻挡层区域和电极区域表面的外延结构；
设于所述外延结构表面的n电极，所述n电极与所述阻挡层区域于垂直方向上相对设置，且所述n电极的边界不超过阻挡区域的边界；及
设于所述外延结构表面除n电极区域及侧壁的钝化层；
所述电流阻挡层由单层或多层结构的透明介电材料制备而成，于所述阻挡层区域，与所述反射金属层形成复合全方向反射镜。
2.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，在所述电极区域包括：
设于所述反射金属层表面的保护金属层；及
设于所述保护金属层表面的p电极，所述保护金属层的边界超过所述p电极的边界，或所述保护金属层的边界与所述p电极的边界齐平。
3.如权利要求1或2所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述p电极由高反射率金属制备而成。
4.一种垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于，包括：
在生长衬底上生长外延结构；
在所述外延结构表面沉积电流阻挡层，并在所述电流阻挡层中阻挡层区域表面制备牺牲层；
腐蚀未被牺牲层覆盖的电流阻挡层，直到露出所述外延结构；
依次沉积p电极及保护金属层；
去除所述牺牲层；
在所述保护金属层及剩余的电流阻挡层表面沉积反射金属层和键合金属层；
通过所述键合金属层键合支撑基板，并去除生长衬底；
在电流阻挡区域，腐蚀外延结构，直至电流阻挡层，形成LED芯片的独立结构；
沉积钝化层；
在每个独立结构中，腐蚀外延结构表面与电流阻挡层对应的区域，并制备n电极；
所述电流阻挡层由单层或多层结构的透明介电材料制备而成，于所述阻挡层区域，与所述反射金属层形成复合全方向反射镜。
5.如权利要求4所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于，在腐蚀未被牺牲层覆盖的电流阻挡层中，进一步包括：延长腐蚀时间，腐蚀牺牲层覆盖的电流阻挡层1~4μm。
6.如权利要求4所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于，沉积p电极之后，还包括：
针对p电极进行退火处理。
7.如权利要求4所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于，去除生长衬底之后，还包括：
粗化外延结构表面。
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