CN109888076B - 一种自带反射碗杯的红外led芯片及制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种自带反射碗杯的红外LED芯片及制作方法，该自带反射碗杯的红外LED芯片通过在衬底中第二区域的侧壁和背面依次形成ODR介质层和ODR金属反射层，进而构成反射碗杯，使射向衬底的光线可以被反射，并从LED芯片的上表面或侧壁取出。并且，ODR介质层和ODR金属反射层形成的结构在三维结构中实际为倒置四棱台型，类似于反射碗杯的功能，进而提高LED光取出率，降低能量损失。

Description

一种自带反射碗杯的红外LED芯片及制作方法

技术领域

本发明涉及半导体发光二极管技术领域，更具体地说，涉及一种自带反射碗杯的红外LED芯片及制作方法。

背景技术

GaAs是一种禁带宽度为1.42eV的直接带隙半导体，作为衬底材料被广泛应用于AlGaAs基红外LED外延片的生长。根据其禁带宽度可知，波长大于870nm的红外光可以穿透GaAs衬底。

但是，目前的GaAs衬底上的红外LED芯片LED光取出没有最大化，仍存在较多能量损失。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种自带反射碗杯的红外LED芯片及制作方法，技术方案如下：

一种自带反射碗杯的红外LED芯片，所述红外LED芯片包括：

衬底，所述衬底划分为相对的第一区域和第二区域，所述第一区域的表面为所述衬底的正面，所述第二区域的侧壁为斜侧壁，且所述衬底从正面到背面的方向上逐渐变窄，且所述斜侧壁的高度小于所述衬底的高度；

设置在所述第一区域表面的外延层，所述外延层包括在第一方向上依次设置的N型限制层、MQW有源层、P型限制层和P型窗口层，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层；

设置在所述P型窗口层背离所述P型限制层一侧的P电极；

覆盖所述第二区域的斜侧壁和背面的ODR介质层，位于所述第二区域背面的所述ODR介质层上设置有多个贯穿所述ODR介质层的通孔；

覆盖所述ODR介质层的ODR金属反射层，且填充所述通孔，其中，所述ODR金属反射层和所述ODR介质层构成反射碗杯，且所述ODR金属反射层为N电极；

其中，所述外延层暴露在外的表面和侧壁以及所述第一区域的侧壁均为粗化面。

优选的，所述斜侧壁的高度占所述衬底高度的5％-95％，包括端点值。

优选的，所述通孔的排布方式为整面阵列排布方式或边缘排布方式。

优选的，所述斜侧壁的倾斜角为5°-85°，包括端点值。

优选的，所述ODR介质层的材料为MgF₂或SiO₂。

优选的，所述P型窗口层的厚度为1μm-10μm，包括端点值。

优选的，所述P型窗口层包括高掺杂区域和低掺杂区域；

所述低掺杂区域相邻所述P型限制层，所述高掺杂区域背离所述P型限制层。

优选的，所述高掺杂区域的掺杂浓度为1E19/cm³-9.9E19/cm³；所述低掺杂区域的掺杂浓度为1E18/cm³-9.9E18/cm³。

优选的，所述红外LED芯片中L1＝L0-2H*cotθ；

其中，L1表示所述红外LED芯片的底部宽度；L0表示所述红外LED芯片的顶部宽度；H表示所述斜侧壁的高度；θ表示所述斜侧壁的倾斜角。

一种自带反射碗杯的红外LED芯片的制作方法，所述制作方法包括：

提供一衬底，所述衬底划分为相对的第一区域和第二区域，所述第一区域的表面为所述衬底的正面；

在所述第一区域的表面生长外延层，所述外延层包括在第一方向上依次设置的N型限制层、MQW有源层、P型限制层和P型窗口层，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层；

在所述P型窗口层背离所述P型限制层的一侧形成P电极；

从所述第二区域背面的多个预设区域进行斜角切割，且切割深度为所述第二区域的厚度，以使所述第二区域的侧壁为斜侧壁，且所述衬底从正面到背面的方向上逐渐变窄，且所斜侧壁的高度小于所述衬底的高度；

在所述第二区域的侧壁和背面形成ODR介质层；

对位于所述第二区域背面的所述ODR介质层进行刻蚀，以形成多个贯穿所述ODR介质层的通孔；

在所述ODR介质层背离所述第二区域的一侧形成ODR金属反射层，所述ODR金属反射层覆盖所述ODR介质层，且填充所述通孔，其中，所述ODR金属反射层和所述ODR介质层构成反射碗杯，且所述ODR金属反射层为N电极；

进行切割处理，以形成单个的LED芯片；

对所述外延层暴露在外的表面和侧壁以及所述第一区域的侧壁进行粗化处理。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

该自带反射碗杯的红外LED芯片通过在衬底中第二区域的侧壁和背面依次形成ODR介质层和ODR金属反射层，进而构成反射碗杯，使射向衬底的光线可以被反射，并从LED芯片的上表面或侧壁取出。

并且，ODR介质层和ODR金属反射层形成的结构在三维结构中实际为倒置四棱台型，类似于反射碗杯的功能，进而提高LED光取出率，降低能量损失。

附图说明

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种自带反射碗杯的红外LED芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种衬底的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种通孔的排布示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种通孔的排布示意图；

图5为本发明实施例提供的一种自带反射碗杯的红外LED芯片的简易示意图；

图6为本发明实施例提供的一种自带反射碗杯的红外LED芯片的制作方法的流程示意图；

图7-图12为图6所示的制作方法相对应的工艺结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种自带反射碗杯的红外LED芯片的结构示意图，所述红外LED芯片包括：

衬底11，所述衬底11划分为相对的第一区域和第二区域，所述第一区域的表面为所述衬底11的正面，所述第二区域的侧壁为斜侧壁，且所述衬底从正面到背面的方向上逐渐变窄(例如，类似图1中的倒梯形结构)，且所述斜侧壁的高度小于所述衬底11的高度；

设置在所述第一区域表面的外延层，所述外延层包括在所述第一方向上依次设置的N型限制层14、MQW有源层15、P型限制层16和P型窗口层17，所述第一方向垂直于所述衬底11，且由所述衬底11指向所述外延层；

设置在所述P型窗口层17背离所述P型限制层16一侧的P电极18；

覆盖所述第二区域的斜侧壁和背面的ODR介质层19，位于所述第二区域背面的所述ODR介质层19上设置有多个贯穿所述ODR介质层19的通孔20；

覆盖所述ODR介质层19的ODR金属反射层21，且填充所述通孔20，其中，所述ODR金属反射层21和所述ODR介质层19构成反射碗杯，且所述ODR金属反射层21为N电极；

其中，所述外延层暴露在外的表面和侧壁以及所述第一区域的侧壁均为粗化面22。

进一步的，所述红外LED芯片还包括：N型缓冲层12和N型电流扩展层13，二者设置在所述衬底11和所述N型限制层14之间，所述N型缓冲层12相邻所述衬底11，所述N型电流扩展层相邻所述N型限制层。

进一步的，所述通孔20作为N电极和衬底11之间进行欧姆接触的导电通道。

通过上述描述可知，该自带反射碗杯的红外LED芯片通过在衬底中第二区域的侧壁和背面依次形成ODR介质层和ODR金属反射层，进而构成反射碗杯，使射向衬底的光线可以被反射，并从LED芯片的上表面或侧壁取出。

并且，ODR介质层和ODR金属反射层形成的结构在三维结构中实际为倒置四棱台型，类似于反射碗杯的功能，进而提高LED光取出率，降低能量损失。

需要说明的是，所述通孔的形状可以为圆形通孔，也可以是多边形通孔，在本发明实施例中并不作限定。

进一步的，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种衬底的结构示意图，所述斜侧壁的高度H占所述衬底高度的5％-95％，包括端点值。

在该实施例中，例如，所述斜侧壁的高度H占所述衬底高度的10％或25％或60％，在本发明实施例中并不作限定，可根据实际情况而定。

进一步的，如图2所示，所述所述斜侧壁的倾斜角θ为5°-85°，包括端点值。在该实施例中，例如，所述所述斜侧壁的倾斜角θ为10°或26°或70°，在本发明实施例中并不作限定，可根据实际情况而定。

进一步的，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种通孔的排布示意图，其中，所述通孔20的排布方式为整面阵列排布方式。

在该实施例中，通过将所述通孔20进行整面阵列排布，可以使电流从底部均匀的注入，进而提高LED芯片的工作效率。

其中，L0表示LED芯片的顶部宽度，L1表示LED芯片的底部宽度，L2表示在如图3所示的横向方向上两个通孔20的最大宽度。

进一步的，参考图4，图4为本发明实施例提供的另一种通孔的排布示意图，其中，所述通孔20的排布方式为边缘排布方式。

在该实施例中，由于LED芯片上方一般会设置电极结构，为了避开上方电极的覆盖区域，进而将通孔20进行边缘排布，进而节省注入电流。

需要说明的是，所述通孔20的排布方式还与所述斜侧壁的倾斜角θ和所述倒梯形结构的斜侧壁高度H相关，需要根据所述斜侧壁的倾斜角θ和所述斜侧壁的高度H调整所述通孔20的分布数量、范围、孔径和孔间距等参数，以实现电学设计和光学设计的协同统一。

进一步的，参考图5，图5为本发明实施例提供的一种自带反射碗杯的红外LED芯片的简易示意图，其中，衬底11中第二区域的斜侧壁高度H、倾斜角θ、L0表示LED芯片的顶部宽度和L1表示LED芯片的底部宽度之间的尺寸满足以下关系，即，L1＝L0-2H*cotθ。

需要说明的是，为了保证芯片制作工艺的良率，需保证L1-L2≥5μm，即要求ODR介质层的排布范围小于LED芯片底部，并留有误差余量。为了保证底部ODR金属反射层的欧姆接触比例与光反射率，每颗LED芯片的底部通孔累积面积占底部面积的比例为5％-95％。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述ODR介质层19的材料包括但不限定为MgF₂或SiO₂。

在该实施例中，所述ODR介质层19可以为低折射率的ODR介质膜层19，也可以是多种材料的绝缘型介质膜层，在本发明实施例中并不作限定，可以根据具体情况而定。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述P型窗口层17的厚度为1μm-10μm，包括端点值。

在该实施例中，例如所述P型窗口层17的厚度为2μm或5μm或6μm或8μm，可根据具体工艺而定，在本发明实施例中并不作限定。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述P型窗口层17包括高掺杂区域和低掺杂区域；所述低掺杂区域相邻所述P型限制层16，所述高掺杂区域背离所述P型限制层16。

可选的，所述高掺杂区域的掺杂浓度为1E19/cm³-9.9E19/cm³，所述低掺杂区域的掺杂浓度为1E18/cm³-9.9E18/cm³。

基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种自带反射碗杯的红外LED芯片的制作方法，参考图6，图6为本发明实施例提供的一种自带反射碗杯的红外LED芯片的制作方法的流程示意图，所述制作方法包括：

S101：如图7所示，提供一衬底11，所述衬底11划分为相对的第一区域111和第二区域112，所述第一区域111的表面为所述衬底11的正面。

在该步骤中，所述衬底11包括但不限定于GaAs衬底。所述第一区域111和所述第二区域112，在垂直于所述衬底11的方向上，上下划分，定义第一区域111的表面作为所述衬底11的正面。

S102：如图8所示，在所述第一区域111的表面生长外延层，所述外延层包括在第一方向上依次设置的N型限制层14、MQW有源层15、P型限制层16和P型窗口层17，所述第一方向垂直于所述衬底11，且由所述衬底11指向所述外延层。

在该步骤中，包括但不限定于采用MOCVD(Metal-Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉积)工艺，在所述衬底上生长外延层。

进一步的，还包括：设置在所述衬底11和所述N型限制层14之间的N型缓冲层12和N型电流扩展层13，所述N型缓冲层12相邻所述衬底11，所述N型电流扩展层相邻所述N型限制层。

可选的，所述N型缓冲层12为GaAs缓冲层，所述N型电流扩展层13为N型AlGaAs电流扩展层，N型限制层14为N型AlGaAs限制层，所述P型限制层16为P型AlGaAs限制层，所述P型窗口层17为P型AlGaAs窗口层。

需要说明的是，AlGaAs是指Al_xGa_(1-x)As材料，各Al_xGa_(1-x)As的功能层组分可根据实际需求分别进行调整，以实现相应的功能。

S103：如图9所示，在所述P型窗口层17背离所述P型限制层16的一侧形成P电极18。

在该步骤中，在外延层表面旋涂负性光刻胶，曝光显影后蒸镀P电极金属材料，再通过剥离工艺完成P电极18制作。

S104：如图10所示，从所述第二区域112背面的多个预设区域进行斜角切割，且切割深度为所述第二区域112的厚度，以使所述第二区域112的侧壁为斜侧壁，且所述衬底从正面到背面的方向上逐渐变窄，且所述斜侧壁的高度小于所述衬底的高度。

在该步骤中，首先将衬底11减薄至所需厚度，然后采用斜角金刚石刀片101，从背面切割一定深度，该深度为所述第二区域112的厚度。然后采用稀释的氨水和双氧化混合液对衬底背面及斜侧壁进行溶液法抛光处理。

S105：如图11所示，在所述第二区域的斜侧壁和背面形成ODR介质层19。

在该步骤中，在上述抛光的第二区域的斜侧壁和背面上沉积MgF₂或SiO₂的低折射率的绝缘型材料作为ODR介质层19，优选材料为MgF₂。

S106：如图11所示，对位于所述第二区域背面的所述ODR介质层19进行刻蚀，以形成多个贯穿所述ODR介质层19的通孔20。

在该步骤中，采用剥离工艺或蚀刻工艺在ODR介质层19上制作通孔20。

S107：如图11所示，在所述ODR介质层19背离所述第二区域的一侧形成ODR金属反射层21，所述ODR金属反射层21覆盖所述ODR介质层19，且填充所述通孔20，其中，所述ODR金属反射层21和所述ODR介质层19构成反射碗杯，且所述ODR金属反射层21为N电极。

在该步骤中，在ODR介质层19上蒸镀金属材料，以形成ODR金属反射层21，并进行退火处理，ODR金属反射层21通过通孔20与衬底11形成欧姆接触，同时P电极18也和P型窗口层17形成欧姆接触。

S108：如图12所示，进行切割处理，以形成单个的LED芯片。

在该步骤中，将上述完成的芯片晶圆的背面贴附于蓝膜上，采用超薄金刚石切割刀片121从正面将晶圆切开，成为分离的LED芯片。

需要说明的是，采用超薄金刚石切割刀片121的优点是：正面发光区面积损失小，且切割后LED芯片的有效发光区面积大。

S109：如图1所示，对所述外延层暴露在外的表面和侧壁以及所述第一区域的侧壁进行粗化处理。

在该步骤中，将上述正面切割开的晶圆进行扩膜处理，使分离的LED芯片之间的间距增加以便侧壁粗化处理，扩膜后相邻LED芯片之间的距离为芯片尺寸的1.1倍-2.0倍。将上述扩膜后整齐排布的LED芯片浸入粗化液中，使所述外延层暴露在外的表面和侧壁以及所述第一区域的侧壁进行粗化处理，以形成粗化面22。

最后，对其进行冲水清洗。

通过上述描述可知，本申请提供的一种自带反射碗杯的红外LED芯片及制作方法，该自带反射碗杯的红外LED芯片通过在衬底中第二区域的侧壁和背面依次形成ODR介质层和ODR金属反射层，进而构成反射碗杯，使射向衬底的光线可以被反射，并从LED芯片的上表面或侧壁取出。与LED芯片正面和侧壁粗化处理搭配，可以大幅提升光取出效率。

并且，ODR介质层和ODR金属反射层形成的结构在三维结构中实际为倒置四棱台型，类似于反射碗杯的功能，进而提高LED光取出率，降低能量损失。

再者，衬底中第二区域的倾斜角可以方便地通过选用不同角度的斜角金刚石切割刀片改变，以适用于不同尺寸的芯片制程，也可以调节LED芯片的发光角度。

以及，ODR介质层选用绝缘的低折射率材料，一方面其与衬底搭配时反射率更高，另一方面LED芯片侧壁被绝缘的ODR介质层覆盖，可以避免LED芯片固晶时侧壁爬胶引起的漏电问题。

最终，通孔的排布方式与衬底的倒梯形倾斜侧壁的高度H和倾角θ相关。通孔的排布方式为LED芯片的电学设计部分，通过通孔的分布数量、范围、孔径、孔间距等参数控制N电极的电流通道，引导电流远离或接近芯片边缘，优化提高电流注入效率；衬底的倒梯形倾斜侧壁的高度H和倾角θ为LED芯片的光学设计部分，控制反射碗杯的反射角度和反射面积。本发明将LED芯片的电学设计与光学设计进行了协同统一。

以上对本发明所提供的一种自带反射碗杯的红外LED芯片及制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自带反射碗杯的红外LED芯片，其特征在于，所述红外LED芯片包括：

衬底，所述衬底划分为相对的第一区域和第二区域，所述第一区域的表面为所述衬底的正面，所述第二区域的侧壁为斜侧壁，且所述衬底从正面到背面的方向上逐渐变窄，且所述斜侧壁的高度小于所述衬底的高度；

设置在所述第一区域表面的外延层，所述外延层包括在第一方向上依次设置的N型限制层、MQW有源层、P型限制层和P型窗口层，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层；

设置在所述P型窗口层背离所述P型限制层一侧的P电极；

覆盖所述第二区域的斜侧壁和背面的ODR介质层，位于所述第二区域背面的所述ODR介质层上设置有多个贯穿所述ODR介质层的通孔；

覆盖所述ODR介质层的ODR金属反射层，且填充所述通孔，其中，所述ODR金属反射层和所述ODR介质层构成反射碗杯，且所述ODR金属反射层为N电极；

其中，所述外延层暴露在外的表面和侧壁以及所述第一区域的侧壁均为粗化面。

2.根据权利要求1所述的红外LED芯片，其特征在于，所述斜侧壁的高度占所述衬底高度的5％-95％，包括端点值。

3.根据权利要求1所述的红外LED芯片，其特征在于，所述通孔的排布方式为整面阵列排布方式或边缘排布方式。

4.根据权利要求1所述的红外LED芯片，其特征在于，所述斜侧壁的倾斜角为5°-85°，包括端点值。

5.根据权利要求1所述的红外LED芯片，其特征在于，所述ODR介质层为MgF₂ODR介质层或SiO₂ODR介质层。

6.根据权利要求1所述的红外LED芯片，其特征在于，所述P型窗口层的厚度为1μm-10μm，包括端点值。

7.根据权利要求1所述的红外LED芯片，其特征在于，所述P型窗口层包括高掺杂区域和低掺杂区域；

所述低掺杂区域相邻所述P型限制层，所述高掺杂区域背离所述P型限制层。

8.根据权利要求7所述的红外LED芯片，其特征在于，所述高掺杂区域的掺杂浓度为1E19/cm³-9.9 E19/cm³；所述低掺杂区域的掺杂浓度为1E18/cm³-9.9 E18/cm³。

9.根据权利要求1所述的红外LED芯片，其特征在于，所述红外LED芯片中L1＝L0-2H*cotθ；

其中，L1表示所述红外LED芯片的底部宽度；L0表示所述红外LED芯片的顶部宽度；H表示所述斜侧壁的高度；θ表示所述斜侧壁的倾斜角。

10.一种自带反射碗杯的红外LED芯片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

提供一衬底，所述衬底划分为相对的第一区域和第二区域，所述第一区域的表面为所述衬底的正面；

在所述第一区域的表面生长外延层，所述外延层包括在第一方向上依次设置的N型限制层、MQW有源层、P型限制层和P型窗口层，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层；

在所述P型窗口层背离所述P型限制层的一侧形成P电极；

从所述第二区域背面的多个预设区域进行斜角切割，且切割深度为所述第二区域的厚度，以使所述第二区域的侧壁为斜侧壁，且所述衬底从正面到背面的方向上逐渐变窄，且所述斜侧壁的高度小于所述衬底的高度；

在所述第二区域的斜侧壁和背面形成ODR介质层；

对位于所述第二区域背面的所述ODR介质层进行刻蚀，以形成多个贯穿所述ODR介质层的通孔；

在所述ODR介质层背离所述第二区域的一侧形成ODR金属反射层，所述ODR金属反射层覆盖所述ODR介质层，且填充所述通孔，其中，所述ODR金属反射层和所述ODR介质层构成反射碗杯，且所述ODR金属反射层为N电极；

进行切割处理，以形成单个的LED芯片；

对所述外延层暴露在外的表面和侧壁以及所述第一区域的侧壁进行粗化处理。