CN109860364B - 发光二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管，其包括外延叠层，其依次包含支撑层、第一类型半导体层、AlGaInP有源层、第二类型半导体层，所述支撑层具有足够的厚度以提供一定的物理强度；第一电极和第二电极，均形成于所述外延叠层的同一侧上且远离所述支撑层，其中第一电极电连接所述第一类型半导体层，第二电极电连接第二类型半导体层。

Description

发光二极管
技术领域
本发明属于半导体制造领域，具体涉及一种发光二极管器件及其制作方法。
背景技术
微元件技术是指在衬底上以高密度集成的微小尺寸的元件阵列。微型器件的一些实例包括微机电系统(MEMS) 微动开关、发光二极管显示系统和基于MEMS或者石英的振荡器。目前，微发光二极管(Micro LED)显示具有高亮度、低功耗、超高分辨率与色彩饱和度等优点，吸引不少业者投入研发。
图1显示了一种常规四元系发光二极管外延结构示意图，其一般包括GaAs衬底101、GaAs缓冲层102、蚀刻截止层103、GaAs欧姆接触层111、GaInP过渡层112、n-AlGaInP窗口层121、n型覆盖层122、有源层123、p型覆盖层124和p型窗口层125。图2显示了采用上述外延结构的微型发光二极管，其在GaAs欧姆接触层111上制作n电极131，在p型窗口层125上制作p电极133，并在p型窗口层125通过支撑柱151与一承载基板161连接，部分下表面悬空，使得LED器件处于待拾取状态。
在该微型发光二极管器件中，由于GaAs欧姆接触层111非常薄且脆弱（通常为100nm以内），很容易发生断裂，从而导致芯片的p、n两端分离的异常。
发明内容
本发明提供了一种水平结构的微型发光二极管的外延结构及芯片结构，芯片P电极和N电极在同一侧，光从P/N电极面的反面发出，可提升了芯片亮度的同时，水平结构适用于更多LED芯片的封装方式，提高了封装效率，提升封装产能。
本发明的技术方案为：微型发光二极管，包括外延叠层，其依次包含支撑层、第一类型半导体层、有源层、第二类型半导体层，所述支撑层具有足够的厚度以提供一定的物理强度。
进一步地，所述微型发光二极管还包括：第一电极，设置于所述外延叠层的下表面，与所述第一类型半导体层形成电性连接；第二电极，设置于所述外延叠层的下表面，与所述第二类型半导体层形成电性连接；支撑基板，通过至少一个支撑柱与所述外延叠层的下表面连接，使得所述器件处于待拾取状态。
优选地，所述微型发光二极管还包括：绝缘保护层，形成于所述外延叠层的侧壁及表面；延伸电极，与所述第一电极连接，延伸至所述第二类型半导体层之上，与所述第二电极基本齐平。
优选地，所述支撑层的厚度为500nm以上，较佳值为1~3微米。
优选地，所述支撑层之远离所述有源层的一侧表面上具有粗化结构。
在一些实施例中，所述微型发光二极管为AlGaInP系发光二极管，所述支撑层的材料为AlxGa(1-x)InP，其中x＞0。
优选地，所述AlxGa(1-x)InP支撑层的铝组分x取值范围为：1≥x≥0.15，其材料可为AlInP或AlGaInP，一方面保证晶格常数与有源层的晶格常数匹配，另一方面尽量减少对有源层发射 的光线的吸收作用。
优选地，所述第一类型半导体层包括欧姆接触层，其邻近述支撑层。
优选地，所述第一类型半导体层还包括一AlyGa(1-y)InP窗口层，其紧邻所述欧姆接触层之远离所述支撑层的一侧表面。
优选地，所述AlxGa(1-x)InP支撑层之远离所述第一类型半导体层的一侧表面还设有GaInP晶格过渡层。
本发明同时提供一种微型发光二极管的制作方法，包括步骤：（1）提供一外延结构，其从下至上依次包括支撑层、第一类型半导体层、有源层、第二类型半导体层，所述支撑层具有足够的厚度以提供一定的物理强度；（2）在所述外延结构的上表面上定义第一电极区，蚀刻第一电极区的第二类型半导体层、有源层至第一类型半导体层，裸露出第一类型半导体层的部分表面；（3）分别在裸露出的第一类型半导体层和第二类型半导体层上制作第一电极、第二电极；（4）提供一支撑基板，通过至少一支撑柱与所述外延结构的下表面接触，使得所述器件处于待拾取状态。
本发明还提供了一种微型发光二极管的制作方法，包括步骤：（1）提供一外延结构，其从下至上包括：生长衬底、GaInP晶格过渡层、AlxGa(1-x)InP支撑层、第一类型欧姆接触层、第一类型覆盖层、有源层、第二类型覆盖层，所述AlxGa(1-x)InP支撑层具有足够的厚度以提供一定的物理强度，其中x＞0；（2）在所述外延结构的上表面上定义第一电极区，蚀刻第一电极区的第二类型覆盖层、有源层、第一类型覆盖层至第一类型欧姆接触层，裸露出第一类型欧姆接触层；（3）分别在裸露出的第一类型欧姆接触层和第二类型覆盖层上制作第一电极、第二电极；（4）提供一支撑基板，通过至少一支撑柱与所述外延结构的下表面接触，使得所述器件处于待拾取状态；（5）去除生长衬底。
本发明还提供了一种微型发光二极管的制作方法，包括步骤（1）提供一外延结构，其从下至上包括：生长衬底、支撑层、第一类型半导体层、有源层、第二类型半导体层，所述支撑层具有足够的厚度以提供一定的物理强度；（2）在所述外延结构的上表面上定义切割道区和第一电极区，所述外延结构被所述切割道区划分为一系列微单元，每个微单元具有至少一个第一电极区，蚀刻所述外延结构的第一电极区的第二类型半导体层、有源层至第一类型半导体层，裸露出第一类型半导体层的部分表面；（3）分别在各个所述微单元之裸露出的第一类型半导体层和第二类型半导体层上制作第一电极、第二电极；（4），蚀刻所述外延结构的切割道区至裸露出生长衬底，从而将所述外延结构分为一系列微单元阵列；（5）将各个微单元上的第一电极和第二电极分别引至切割道区并制作测试电极；（6）提供一支撑基板，通过至少一支撑柱与所述外延结构的下表面接触，使得所述器件处于待拾取状态。
优选地，在上述制作方法的步骤（5）中，各个测试电极同时连接邻近微单元结构的第一电极或第二电极，例如从各个微单元的第一电极和第二电极各引出引电极到切割道区，再设计成四分之一球形状，相邻四个微单元的引电极构成一个颗测试电极。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1是现有一种四元系发光二极管的外延结构示意图。
图2是采用图1所示外延结构制作而成的微型发光二极管的结构示意图。
图3是本发明第一个较佳实施例之LED外延结构示意图。
图4是采用图3所示外延结构制作而成的微型发光二极管的结构示意图。
图5~图13为根据本发明实施的制作微型发光二极管器件的过程示意图。
图14是根据本发明实施的一种微型发光二极管的测试电极图案。
图15是图14所示单个微型发光二极管器件电极图案的放大图。
图16和图17分别显示了另外两种测试电极的图案。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例一
图3为第一个较佳实施例的LED外延结构示意图，其从下到上依次包括： GaAs衬底201、GaAs缓冲层202、GaInP过渡层212、AlXGa1-XInP支撑层213、GaAs欧姆接触层211、n-AlYGa1-YInP窗口层221、n型覆盖层222、有源层223、p型覆盖层224和p型窗口层225。值得注意的是，图3所示外延结构只是本发明的一个较佳实施例，并非每层都是必须，例如可根据实际需要去除n型窗口层221，也可增加n型space层、p型space层、AlGaInP过渡层等。关于各层的功能及参数可参照下表一。
表一
序号 层 材料 厚度（nm） 功能
225 窗口层 GaP 500~5000 电流扩展
- 过渡层 AlGaInP 3~100 起衔接AlInP和GaP的作用，组分渐变，提高GaP晶格质量
224 p型覆盖层 AlInP+Mg 50~5000 提供空穴
- p- space层 AlInP/ AlGaInP 0~1000 阻挡Mg进入MQW而影响性能
223 MQW有源层 AlGaInP 2~50对 发光层，是决定发光波长及亮度的主要因素
- n- space层 AlInP/ AlGaInP 0~1000 阻挡Si进入MQW而影响性能
222 n-型覆盖层 AlInP+Si 50-5000 提供电子
221 n型窗口层 (Al<sub>0.6</sub>Ga<sub>0.4</sub>)<sub>0.5</sub>InP 0~5000 电流扩展
211 欧姆接触层 GaAs 5~20 欧姆接触
213 支撑层 Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>InP (x&gt;0) ≥500 支撑、连接P、N电极
212 过渡层 GaInP 5-200 将晶格从GaAs转换至AlGaInP
202 缓冲层 GaAs 10~1000 消除衬底对外延层的影响
201 衬底 GaAs 用于外延生长
生长衬底201用于外延生长，本实施例采用常用的GaAs衬底，并依据生长衬底设置缓冲层的材料，应当注意的是，生长衬底并不局限于GaAs，也可采用其他材料，例如GaP、InP等，对应的其上的缓冲层的设置及材料可根据具体的生长衬底进行选取。在缓冲层202上还可设置蚀刻截止层，但为利于生长衬底201的后续移除，较佳的设置较薄的截止层，其厚度控制在500nm以内，甚至200nm以内。
n型欧姆接触层211用于后续制作器件后与n型电极形成欧姆接触，材料常采用GaAs，为减少吸光，其较佳厚度控制在50nm以内，例如5~20nm。
支撑层213设置于n型欧姆接触层211的下方，用于支撑和连接电极。该支撑层213需要考虑下面因素：（1）具有足够的厚度，使得在芯片制程中去除生长衬底后具有一定的物理强度以支撑P、N电极，并保护GaAs欧姆接触层211，防止GaAs欧姆接触层发生断裂而导致芯片的p、n两端分离，因此支撑层213的厚度较佳值为500nm以上，更佳值为1000nm以上，例如可取2000nm；（2）由于支撑层的厚度较大，因此其晶格常数较佳的与有源层的晶格常数匹配，以红光为例，一般有源层的材料为AlGaInP，支撑层213较佳的也采用AlxGa1-xInP (x>0)，例如AlGaInP或AlInP，同时考虑到材料吸光问题，因此AlxGa1-xInP的Al组分的较佳取值为0.15以上，例如可以选用Al0.6Ga0.4InP。在本实施例中，由于GaAs材料的晶格常数与AlxGa1-xInP材料的晶格常数差异较大，因此较佳地在GaAs缓冲层201与支撑层213之间形成一GaInP过渡层212，从而将晶格从GaAs渐变至AlGaInP。
n型窗口层221设置在n型欧姆接触层211上，主要起到电流扩展的作用，其扩展能力与厚度相关，因此在本实施例中可根据具体的器件尺寸选择其厚度，较佳厚度控制在5000nm以下。一般微型发光二极管器件的可为1~5000μm，对于100μm对下的器件通常不存在电流扩展的问题，此时可选择厚度为0，即不需要设置n型窗口层221，对于500μm以上的器件，此时可选择500nm~1000nm的厚度。
有源层223为外延结构的发光层，其决定发光波长及亮度。在本实施例中，较佳的采用多量子阱结构，具体垒层为Ala1Ga1-a1InP，阱层为Ala2Ga1-a2 InP，其中a1＞a2。n型覆盖层222和p型覆盖层224的材料根据有源层223的带隙进行选择，对于发光波长为670nm以上的有源层，其带隙较低，覆盖层可以直接选用AlGaAs或AlGaInP即可，对于发光波长为670nm以下，特别是640nm以下的有源层，其带隙较大，一般为1.9eV以上，则覆盖层需要采用高带隙材料，一般选用AlbIn1-bP材料(0＜b≤0.5)，在AlGaInP材料体系中，带隙最高的匹配材料为Al0.5In0.5P，因此在本实施例中，n型覆盖层和p型覆盖层均采用Al0.5In0.5P材料，因此可使得有源层与p型覆盖层之间带隙差最大化。
较佳地，可在有源层224的两侧分别形成未掺杂的AlInP或AlGaInP材料层，借由不通入掺杂源，抑制p/n掺杂源向有源层224扩散而影响有源层的性能。
p型窗口层225形成于p型覆盖层224之上，起到电流扩展的作用。在本实施例，可采用GaP材料，其厚度可取1.2μm。由于GaP材料的晶格常数与p型AlInP覆盖层224的晶格常数差异较大，较佳的，在p型AlInP覆盖层224与p型窗口层225之间插入一AlGaInP过渡层，其组分渐变，起衔接AlInP和GaP的作用，从而提高GaP窗口层的晶格质量。
图4显示了一种微型发光二极管器件，其采用图3所示的外延结构，下表面的部分区域与至少一个支撑柱接触从而保持在承载基板上的适当位置，使得器件处于待拾取状态，所述支撑柱可采用热固性材料，诸如但不限于苯并环丁烯(BCB)或环氧树脂。该微型LED器件包括外延结构、n电极231、p电极232、绝缘保护层241、支撑柱251和承载基板261，其中外延结构从上至下依次可包含支撑层213、n型欧姆接触层211、GaInP过渡层212、n型AlyGa1-yInP窗口层221、n型覆盖层222、有源层223、p型覆盖层224和p型窗口层225。具体的，n电极231、p电极232和支撑柱251处于同一侧，具体地该外延结构具有n型台面，裸露出n型欧姆接触层211，n电极231形成在该台面上，p电极232设置在p型窗口层225上，绝缘保护层241覆盖在外延结构的侧壁和表面上，只露出部分n电极231和p电极232的表面，支撑层251仅与外延结构的部分下表面接触，使得该外延结构有大部分下表面呈悬空状态，方便对器件进行拾取。
在本实施例中，该微型器件p电极、n电极和支撑柱子处于同一侧，则微型芯片可在另外一侧发光，增大出光面积的同时，方便了微型芯片的封装。进一步地，在n型欧姆接触层211的上方设有AlxGa1-xInP支撑层213，使得n电极上方具有较厚的支撑层起支撑作用，防止在工艺制作过程中，因外界因素影响致使n欧姆接触层断裂而发生芯片p 、n两端分离异常。
在本实施例中，采用图3所示外延结构制作成微型发光二极管器件时，采用湿法蚀刻去除生长衬底201和缓冲层202时，一般会同时蚀刻掉GaInP过渡层212及部分AlxGa1-xInP支撑层213，蚀刻深度大概0.1~0.2μm，此时通过精确控制蚀刻的时间，使得AlxGa1-xInP支撑层213被蚀刻很少一部分，在不影响支撑作用的前提下，对微型发光二极管器件背面出光芯片有粗化提亮的效果。
实施例二
图5~图13显示了根据本发明实施的制作微型发光二极管器件的过程示意图，下面结合示意图对本发明的微型发光二极管器件的制作方法进行详细的描述。
（一）提供LED外延结构
如图5所示，提供外延结构，其一般可包括生长衬底301和其上外延叠层，具体可以包含缓冲层302、支撑层313、n型半导体层、有源层323、p型半导体层。在下面描述中所示和所述的具体实施例参考了红光发射LED器件的形成，具体的，n型半导体层可包括n型欧姆接触层311、n型窗口层321、n型覆盖层322，p型半导体层可包括p型覆盖层324、p型窗口层325。但以下序列和描述也适用于其他LED器件诸如绿光(例如495nm-570nm波长) LED器件或蓝光(例如450nm-495nm波长) LED器件的形成，所述绿光LED器件由材料诸如氮化铟镓(InGaN)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、磷化铝镓铟(AlGaInP)和磷化铝镓(AlGaP)形成，所述蓝光LED器件由材料诸如氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)和硒化锌(ZnSe)形成。
（二）单元化外延结构，形成微发光二极芯片
首先，在外延结构的表面上定义切割道区和电极区，其中切割道区将外延结构划分为一系列微单元阵列，每个微单元阵列具有至少一个n电极区和p电极区。
接着，蚀刻n电极区的p型窗口层325、p型覆盖层324、有源层323、n型覆盖层322、n型窗口层321，直至裸露出n型欧姆接触层311形成n型台面320，如图6所示。在本步骤中，优选先采用干法蚀刻至n型窗口层321，接着采用湿蚀刻的方法将残留的n型窗口层321去除，保证表面露出n型欧姆接触层311，以便与n型电极形成欧姆接触。
接着，分别p型窗口层325表面的p电极区和裸露出的n型欧姆接触层311上制作p电极332和n电极331，如图7所示。电极的材料可以例如Au/AuZn/Au，在本步骤中可对电极进行熔合，使其与外延结构形成欧姆接触。
接着，蚀刻切割道区的p型窗口层325、p型覆盖层324、有源层323、n型覆盖层322、n型窗口层321、n型欧姆接触层311、直至裸露出生长衬底301的表面，从而将外延结构分割为一系列微器件单元，如图8所示。
较佳的，在各个微器件单元的表面上覆盖一层绝缘保护层341，只裸露出n电极331和p电极332，如图9所示。优选的，绝缘保护层341采用SiNx或者SiO2，厚度为1μm以上。
较佳的，分别将在n电极331和p电极332上制作延伸电极333和334，其延伸至绝缘保护层341的部分表面上，如图10所示。其中n型延伸电极333延伸至p型窗口层325上方的绝缘保护层上，与p型延伸电极334基本齐平，以便于封装。
（三）制作支撑结构
首先，在微器件单元的表面上牺牲层371，并预留一个开口372作为支撑点，如图11所示。较佳的，牺牲层371的厚度为0.1~5μm之间，材料可为氧化物、氮化物或者可选择性地相对于其他层被移除的其他材料，例如可选用厚度为2~4微米的Ti层作为牺牲层371。
接着，提供一承载基板361，分别在该承载基板361和牺牲层371形成热固型材料，例如BCB，然后将两者贴合进行固化、键合，如图12所示，从而在开口372处形成支撑柱351。
接着，移除生长衬底301及其上缓冲层302，裸露出支撑层313。可通过多种方法来实现移除，包括激光剥离(LLO)、磨削或者蚀刻，具体取决于生长衬底301的材料选择，在所示的具体实施例中，在生长衬底101由GaAs构成的情况下，可通过蚀刻或磨削及选择性蚀刻的组合连同蚀刻停止层上的选择性蚀刻停止来实现移除。
最后，去除牺牲层371，使得微型发光二极管器件的下表面部分悬空，形成通过支撑柱351固定的微型发光二极管器件，如图13所示。
实施例三
通常微型发光二极管器的P、N电极尺寸一般较小（10μm左右），无法准确将测试针扎在电极上完成光电参数的测试。本实施例设计测试电极的图案，如图14所示，分别微发光二极管器件从P电极332和N电极331分别引线到微器件之间走道的空白区域，再设计成半球形状引电极，如此相邻两颗微型发光二极管的引电极构成一个测试电极335，其尺寸根据微型器件之间的走道尺寸而确定，一般可达100μm，此时既是左上侧LED1的N电极，又是右上侧LED 2的P电极。此微型阵列结构的测度电极可以测试每一颗微型发光二极管芯片的光电参数。
图15为图14所示各个微型发光二极管器件电极图案的放大图，其中LED 1的n电极331通过延伸电极333延伸扩大至n型台面区(即图中线A-A的右侧)以外的区域，例如p型窗口层的上表面之上，并通过引线336引至走道区域，在走道区域形成测试电极335a；LED1的p电极332通过延伸电极334扩大其面积，并通过引线337引至走道区域，在走道区域形成测试电极335b。其中测试电极335可在制作延伸电极333、334的同时制作，并进行测试。而制作完成微型发光二极管的支撑柱后，随着生长衬底的移除，引线336和337与测试电极断开，从而移除测试电极。
对于各个LED的引电极的图形可根据实际需要进行设计，如三角形、矩形等。例如可设计成四分之一球形状，如此相邻的四颗微型发光二极管的引电极可构成一个测试电极。
进一步地，并不是每个微型发光二极管器件都要设计测试电极，如果整个LED外延片的光电特性均匀性较好，则可以选取个别区域设计成带可测电极的单元，通过测试这些个别区域的光电特性，了解整个LED外延片的光电特性，例如上下左右各设计1颗测试电极。
进一步地，测试电极的设计并非局限于此类单颗点测，也可设计为串并/联多颗点测，例如图16显示了40颗芯粒串联的测试电极图案，图17显示了75颗芯粒并联的测试电极图案。在图17所示的电极图案中，为防止两侧的条状测试电极355a、355b发生断裂，还可设置一系列的备用测试电极355c~355f。
应该注意的是，本实施例中的测试电极并不局限于上述图3或图5所示的LED外延结构制作的微型发光二极管（即具有支撑层），一般适用于p/n电极和支撑柱位于同侧的微型发光二极管器件，例如图2所示的微型发光二极管器件也同样适用。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.发光二极管，包括：
外延叠层，其从上至下依次包含支撑层、欧姆接触层、第一类型半导体层、AlGaInP有源层、第二类型半导体层，其中所述外延叠层至少部分被蚀刻去除所述第二类型半导体层、有源层和第一类型半导体层，裸露出所述欧姆接触层的部分表面，所述欧姆接触层的厚度为100nm以内，所述支撑层的晶格常数与有源层的晶格常数匹配，具有足够的厚度以提供一定的物理强度，其厚度为500nm以上；
第一电极和第二电极，均形成于所述外延叠层的同一侧上且远离所述支撑层，其中第一电极设置于裸露出的所述欧姆接触层的表面上，电连接所述第一类型半导体层，第二电极电连接第二类型半导体层，所述支撑层支撑所述第一电极并保护所述欧姆接触层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述支撑层的厚度为1000nm以上。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述支撑层之远离所述有源层的一侧表面上具有粗化结构。
4.根据权利要求1述的发光二极管，其特征在于：所述支撑层与该欧姆接触层接触，保护该欧姆接触层，防止该欧姆接触层发生断裂。
5.根据权利要求1述的发光二极管，其特征在于：所述第一类型半导体层还包括AlyGa(1-y)InP窗口层，其紧邻所述欧姆接触层之远离所述支撑层的一侧表面。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述支撑层的材料为AlxGa(1-x)InP，其中x＞0。
7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述AlxGa(1-x)InP支撑层的铝组分x取值范围为：1≥x≥0.15。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的尺寸为1~5000微米。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述有源层的两侧分别形成未故意掺杂的AlInP或AlGaInP材料层。
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