CN109920887B - 一种发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种发光二极管芯片及其制造方法，包括：提供一衬底；形成外延结构于所述衬底上；移除部分所述外延结构，形成至少一个凹槽，所述凹槽暴露部分所述第二半导体层；形成第一金属电极于所述金属层上，以及形成第二金属电极于暴露出的部分所述第二半导体层上；移除部分所述第一金属电极以及所述外延结构，形成多个纳米柱。本发明提出的发光二级管芯片优化了纳米柱的结构，改善了出光效率，具有较大的推广应用价值。

Description

一种发光二极管芯片及其制造方法

技术领域

本领域涉及半导体领域，特别涉及一种发光二极管芯片及其制造方法。

背景技术

发光二极管(LED)具有体积小、发光效率高、节能、环保等优点，目前已经在照明和显示领域占据主导地位，它已经成为21世纪照明和显示领域的发展趋势。随着社会和科技的发展进步，人们对LED的要求越来越高。高光效、大功率LED已经成为目前照明LED的主流发展趋势。

与传统的大尺寸LED相比，纳米LED具有更高的内量子效率。一方面，有效的应力释放可以缓解量子阱区域的极化场作用，增加电子空穴波函数的交叠程度，加快辐射复合过程。另一方面，当器件的尺寸达到与出光波长同量级时，产生明显的纳米谐振腔耦合效应，极大地提高器件的本征发射。与此同时，较大的比表面积和很少的导波模式可以使得纳米LED器件具有很高的光提取效率、优异的出光方向性。考虑到纳米LED的准一维结构，可以对载流子进行横向限制，提高器件响应速率。

然而，目前纳米LED技术距离产业化应用还有差距。未作尺寸和形状优化的圆柱形LED阵列，侧面出光较多，相邻单元之间遮光非常严重，导致出光效率下降。同时，影响器件本征发射的纳米谐振腔耦合效应与纳米柱的尺寸形貌密切相关，未经设计的纳米LED难以获得良好的性能。

发明内容

为实现上述目的，本发明提出一种发光二极管芯片的制造方法，以提高发光二极管芯片的出光效率。

本发明提出一种发光二极管芯片的制造方法，包括：

S1：提供一衬底；

S2：形成外延结构于所述衬底上；其中，所述外延结构依次包括第二半导体层，发光层，第一半导体层；

S3：形成金属层于所述外延结构上；

S4：移除部分所述外延结构，形成至少一个凹槽，所述凹槽暴露部分所述第二半导体层；

S5：形成第一金属电极于所述金属层上，以及形成第二金属电极于暴露出的部分所述第二半导体层上；

S6：移除部分所述第一金属电极以及所述外延结构，形成多个纳米柱；

其中，在S1中，所述衬底包括蓝宝石或碳化硅或氧化锌或氮化镓衬底，所述衬底的背面可进行抛光处理。

在S2中，所述第二半导体层位于所述衬底上，所述发光层位于所述第二半导体层上，所述第一半导体层位于所述发光层上，所述第二半导体层可包括N型半导体层，所述第一半导体层可包括P型半导体层。

在S3中，所述金属层位于所述第一半导体层上，所述金属层可作为一种接触电极，同时也允许作为一种发射电极，所述金属层的材质可包括氧化铟锡。

在S4中，形成所述凹槽的步骤包括；

形成图案化光阻层于所述金属层上；

通过刻蚀去除部分所述金属层和所述外延结构，形成所述凹槽；

所述凹槽暴露部分所述第二半导体层。

在S5中，形成所述第一金属电极以及第二金属电极的步骤包括：

形成图案化的光阻层于所述金属层上，所述光阻层覆盖所述凹槽；

通过沉积的方式在所述金属层上形成所述第一金属电极；以及

形成另一图案化光阻层于所述第一金属电极上，暴露所述凹槽内的第二半导体层；

通过沉积的方式在所述第二半导体层上形成所述第二金属电极；

所述第一金属电极可包括P型金属电极，所述第二金属电极可包括N型金属电极。

在S6中，形成所述纳米柱的步骤包括：

提供一纳米压印模板；

形成一层掩膜材料与所述外延结构的表面上；

形成一层压印胶于所述掩膜材料上；

通过纳米压印的方式将所述纳米压印模板上的图形转移到所述压印胶上，以得到周期性的掩膜结构；

利用所述周期性掩膜结构，图案化所述掩膜材料，以得到图案化后的所述掩膜材料；

利用图案化后的所述掩膜材料，图案化所述第一金属电极以及所述外延结构，以获得所述纳米柱；

所述纳米柱包括多种结构，所述纳米柱依次包括第一金属电极，金属层，第一半导体层，发光层以及部分第二半导体层。

本发明提出一种发光二极管芯片，包括：

衬底；

外延结构，位于所述衬底上，依次包括第一半导体层，发光层，第二半导体层；

金属层，位于所述外延结构的第一半导体层上；

多个凹槽，位于所述衬底上，暴露部分所述第二半导体层；

第一金属电极，位于所述金属层上；以及

第二金属电极，位于所述凹槽内的第二半导体层上；

多个纳米柱，位于所述衬底上，依次包括所述第一金属电极，金属层，第一半导体层，发光层以及部分所述第二半导体层。

本发明提出的发光二极管芯片的制造方法，通过对纳米柱的结构进行优化调整，能够对器件出光的远场进行分布进行调控，提高了发光二极管芯片的出光效率，同时本发明提出的发光二极管芯片的制造方法可操作性强，可在行业内推广应用。

附图说明

图1：本实施例提出的发光二极管芯片的制造工艺流程图。

图2-7C：各步骤的剖视结构图。

图8：纳米柱的结构图。

图9：其他实施例提出的发光二极管芯片的制造工艺流程图。

图10：其他实施例提出的发光二极管芯片的结构图。

图11：其他实施例提出的发光二极管芯片的制造工艺流程图。

图12：其他实施例提出的发光二极管芯片的结构图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本实施例提出一种发光二极管芯片的制造方法，至少包括以下步骤：

S1：提供一衬底；

S2：形成外延结构于所述衬底上；其中，所述外延结构依次包括第二半导体层，发光层，第一半导体层；

S3：形成金属层于所述外延结构上；

S4：移除部分所述外延结构，形成至少一个凹槽，所述凹槽暴露部分所述第二半导体层；

S5：形成第一金属电极于所述金属层上，以及形成第二金属电极于暴露出的部分所述第二半导体层上；

S6：移除部分所述第一金属电极以及所述外延结构，形成多个纳米柱。

请参阅图2，在S1中，所述衬底10包括蓝宝石或碳化硅或氧化锌或氮化镓衬底，所述衬底10的背面可进行抛光处理。

请参阅图3，在S2中，所述第二半导体层11位于所述衬底10上，所述发光层12位于所述第二半导体层11上，所述第一半导体层13位于所述发光层12上，所述第一半导体层13包括P型半导体层，所述第二半导体层11包括N型半导体层。

请参阅图4，在S3中，所述金属层21位于所述第一半导体层13上，所述金属层21可作为一种接触电极，同时也可以作为一种发射电极，所述金属层21材质可包括例如为氧化铟锡，本实施例中，可采用例如为化学气相沉积或磁控溅射或其他方式获得所述金属层21。

请参阅图5，在S4中，首先在所述金属层21上形成一层图案化光阻层，然后通过刻蚀去除部分所述金属层和所述外延结构，形成所述凹槽，所述凹槽暴露部分所述第二半导体层11，本实施例中，可采用例如为感应耦合等离子体方式或其他方式去除所述外延结构。

请参阅图6，在S5中，首先在所述金属层21上形成一层图案化光阻层，所述图案化光阻层包括第一开口和第二开口，所述第一开口位于所述金属层21上，所述第二开口位于所述凹槽内的第二半导体11上，第一金属电极位于所述第一开口内，第二金属电极位于所述第二开口内；然后通过蒸镀和/或溅射技术在光刻胶，第一开口，第二开口上沉积电极，最后，剥离光刻胶上的金属及去除芯片上的光刻胶，即可得到所述第一金属电极221和所述第二件金属电极222；通过蒸镀的方式形成电极的速率较快；所述第一金属电极221和所述第二件金属电极222可包括金、铝、铬、镍、钛、铂中的至少一种，所述第一金属电极221与所述金属层21电连接，所述第二金属电极222与所述第二半导体11电连接，所述第一金属电极221和所述第二件金属电极222高度相等；所述第一金属电极221和所述第二件金属电极222高度形成金属电极22；所述第一金属电极221，所述第二件金属电极222和所述金属层21形成电极2。

请参阅图7A-7C，在S6中，首先提供一纳米压印模板51，然后在所述外延结构上形成一层掩膜材料53，所述掩膜材料53覆盖所述第一金属电极221，然后在所述掩膜材料53上形成一层压印胶52，通过纳米压印的方式将所述纳米压印模板51上的图形转移到所述压印胶52上，以得到周期性的掩膜结构，利用所述周期性掩膜结构，图案化所述掩膜材料53，以得到图案化后的所述掩膜材料53，利用图案化后的所述掩膜材料53，图案化所述第一金属电极221以及所述外延结构，以获得纳米柱23。在本实施例中，所述掩膜材料53可包括例如为二氧化硅，本实施例中，通过调节感应耦合等离子体的刻蚀条件，例如刻蚀时间，刻蚀功率，气体流量等其他条件，来获得特定尺寸的周期性的掩膜结构，在本实施例中，采用刻蚀(干法或湿法)将图案化后的所述掩膜材料53转移到所述外延结构上，然后通过刻蚀形成所述纳米柱23，本实施例中，在形成所述纳米柱23后，通过湿法(腐蚀液)或退火的所述纳米柱23的侧壁进行修复。本实施例中，所述纳米柱23包括所述第一金属电极221，金属层21，第一半导体层13，发光层12以及部分所述第二半导体层11，所述纳米柱23包括多种结构，例如圆柱形，圆台形，手电筒形，如图8所示。

请参阅图7C，本发明提出一种发光二极管芯片，包括：衬底10，外延结构，位于所述衬底10上，依次包括第一半导体层13，发光层12，第二半导体层11，金属层，位于所述外延结构的第一半导体层11上，多个凹槽，位于所述衬底10上，暴露部分所述第二半导体层11，第一金属电极221，位于所述金属层21上，第二金属电极222，位于所述凹槽内的第二半导体层11上；多个纳米柱23，位于所述衬底10上，依次包括所述第一金属电极221，金属层21，第一半导体层13，发光层12以及部分所述第二半导体层11。

请参阅图9，其他实施例提出一种发光二极管芯片的制造方法，包括：

S1：提供一衬底；

S2：形成外延结构于所述衬底上，其中，所述外延结构依次包括第二半导体层，发光层，第一半导体层；

S3：形成金属层于所述外延结构的第一半导体层上，所述金属层当作第一金属电极的接触电极和反射电极

S4：移除部分所述外延结构，形成至少一个凹槽，所述凹槽暴露部分所述第二半导体层；

S5：形成第一金属电极于所述金属层上，以及形成第二金属电极于暴露出的部分所述第二半导体层上；

S6：移除部分所述第一金属电极以及外延结构，形成不同结构的纳米柱；

S7：形成绝缘层于所述纳米柱之间，以及于所述第一金属电极与第二金属电极之间；

S8：制备第一金属电极焊盘于所述第一金属电极上以及制备第二金属电极焊盘于所述第二金属电极上，形成互相连接的纳米柱结构；

S9：形成倒装焊接板于所述发光二极管芯片对应的位置上。

请参阅图10，其他实施例提出一种发光二极管芯片，包括：衬底10；外延结构，位于所述衬底上，包括第二半导体层11，发光层12，第一半导体层13；电极2，位于所述衬底上，包括金属层21，金属电极22，焊盘24；其中，所述金属层21位于所述第一半导体层13上，所述金属层21当作第一金属电极221的接触电极和反射电极；所述金属电极22包括第一金属电极221和第二金属电极222，所述第一金属电极221位于所述金属层21上，所述第二金属电极222位于所述第二半导体层13上；所述焊盘24包括第一金属电极焊盘241和第二金属电极焊盘242，所述第一金属电极焊盘241位于所述第一金属电极221上，所述第二金属电极焊盘242位于所述第二金属电极222上；多个纳米柱23，位于所述衬底10上，包括所述第一金属电极221，所述金属层21，所述第一半导体层13，所述发光层12以及部分所述第二半导体层11；绝缘层32，位于相邻所述纳米柱23之间，以及位于所述第一金属电极221以及所述第二金属电极222之间；倒装焊接板4，位于所述发光二极管芯片对应的位置上，所述倒装焊接板4包括基板41，绝缘层42和焊盘金属层43。

请参阅图11，其他实施例提出一种发光二极管芯片的制造方法，包括：

S1：提供一衬底；

S2：形成外延结构于所述衬底上；其中，所述外延结构依次包括第二半导体层，发光层，第一半导体层；

S3：形成金属层于所述外延结构上；

S4：移除部分所述外延结构，形成至少一个凹槽，所述凹槽暴露部分所述第二半导体层；

S5：形成第一金属电极于所述金属层上，以及形成第二金属电极于暴露出的部分所述第二半导体层上；

S6：形成绝缘层于所述第一金属电极以及所述第二金属电极之间；

其中，形成所述绝缘层包括：

形成一层光敏性材料于所述外延结构的表面上；

对所述光敏材料进行图案化步骤及热固化处理，以形成所述绝缘层。

请参阅图12，本实施例提出一种发光二极管芯片，包括：衬底10，外延结构，位于所述衬底10上，所述外延结构包括第二半导体层13，发光层12，第一半导体层11，金属层21，位于所述外延结构的第一半导体层13上，多个凹槽，位于所述衬底10上，暴露部分所述第二半导体层11，第一金属电极221，位于所述金属层21上，第二金属电极222，位于所述凹槽内的第二半导体层11上，绝缘层32，位于所述第一金属电极221以及第二金属电极222之间。

综上所述，本发明提出一种发光二极管芯片及其制造方法，在确保工艺稳定性和成本控制的基础上，优化调整了纳米柱的结构，对器件出光的远场分布进行了调控，提高了出光效率，本发明提出的发光二极管芯片的制造方法工艺可操作性强，具有很大的推广应用价值。

Claims (7)

1.一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，包括：

提供一衬底；

形成外延结构于所述衬底上；其中，所述外延结构依次包括第二半导体层，发光层，第一半导体层；

形成金属层于所述外延结构上；

移除部分所述外延结构，形成至少一个凹槽，所述凹槽暴露部分所述第二半导体层；

形成第一金属电极于所述金属层上，以及形成第二金属电极于暴露出的部分所述第二半导体层上，所述第一金属电极和所述第二金属电极的高度相等；

移除部分所述第一金属电极以及所述外延结构，形成多个纳米柱，所述纳米柱呈圆柱形、圆台形或手电筒形；

其中，形成所述纳米柱的步骤包括：

提供一纳米压印模板；

形成一层掩膜材料与所述外延结构的表面上；

形成一层压印胶于所述掩膜材料上；

通过纳米压印的方式将所述纳米压印模板上的图形转移到所述压印胶上，以得到周期性的掩膜结构；

利用所述周期性掩膜结构，图案化所述掩膜材料，以得到图案化后的所述掩膜材料；

利用图案化后的所述掩膜材料，图案化所述第一金属电极以及所述外延结构，以获得所述纳米柱；

所述纳米柱依次包括所述第一金属电极，金属层，第一半导体层，发光层以及部分第二半导体层；

在所述外延结构的表面上形成光敏性材料，对所述光敏材料进行图案化步骤及热固化处理，以形成绝缘层。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，形成所述凹槽的步骤包括：

形成图案化光阻层于所述金属层上；

移除部分所述金属层及外延结构，以形成所述凹槽。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，形成所述第一金属电极以及第二金属电极的步骤包括：

形成图案化的光阻层于所述金属层上，所述光阻层覆盖所述凹槽；

通过沉积的方式在所述金属层上形成所述第一金属电极；以及

形成另一图案化光阻层于所述第一金属电极上，暴露所述凹槽内的第二半导体层；

通过沉积的方式在所述第二半导体层上形成所述第二金属电极。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述第一半导体层包括P型半导体层，所述第二半导体层包括N型半导体层。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述第一金属电极包括P型金属电极，所述第二金属电极包括N型金属电极。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述纳米柱侧壁通过腐蚀或退火去除刻蚀损伤。

7.根据权利要求1-6任一项制造的一种发光二极管芯片，其特征在于，包括：

衬底；

外延结构，位于所述衬底上，依次包括第一半导体层，发光层，第二半导体层；

金属层，位于所述外延结构的第一半导体层上；

多个凹槽，位于所述衬底上，暴露部分所述第二半导体层；

第一金属电极，位于所述金属层上；以及

第二金属电极，位于所述凹槽内的第二半导体层上；

多个纳米柱，位于所述衬底上，依次包括所述第一金属电极，金属层，第一半导体层，发光层以及部分所述第二半导体层。

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