CN109920888B - 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，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；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，以形成纳米柱；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；制备第一金属电极焊盘于所述第一金属电极上以及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；形成倒装焊接板于所述发光二极管芯片对应的位置上。

Description

一种发光二极管芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种发光二极管芯片及其制造方法。

背景技术

近年来，氮化镓(GaN)基纳米发光二极管(LED)在生物科技、光通信和固态照明等方面潜在的应用价值而得到广泛的关注。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，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。考虑到纳米LED的准一维结构，可以对载流子进行横向限制，提高器件的电流扩展均匀性以及注入效率。纳米LED在高效、高速器件应用方面具有广阔的应用前景。

然而，目前纳米LED技术距离产业化应用还有差距，需要对纳米LED技术进行优化改进。通常情况下，电致发光纳米LED采用先获得纳米柱结构再制备金属电极的方式，由于纳米柱顶端接触面积较小，使用现有金属生长手段，难以确保金属与纳米柱顶端形成良好的欧姆接触，从而影响器件的注入效率。受到有源区面积的影响，单根纳米柱出光强度较低，实用性较低。由于横截面积较小，单颗LED四周大多为绝缘、绝热物质，导致器件具有较大的电阻和热阻，使得结温增加，纳米LED发光性能下降。

发明内容

鉴于现有技术的问题，本发明提供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性能。

为实现上述目的及其他目的，本发明提出一种发光二极管芯片的制造方法，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；

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；

移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暴露的所述第二半导体层；

形成所述第一金属电极于所述金属层上，所述第一金属电极的长度小于所述金属层的层长度；以及

形成另一图案化光阻层于所述第一金属电极上，暴露所述凹槽内的所述第二半导体层；

形成第二金属电极于所述第二半导体层上，所述第二金属电极和所述第一金属电极的高度平齐。

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。

其中，所述纳米柱包括多种不同的结构；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S7中，形成所述绝缘层的步骤包括：

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；

所述绝缘层位于所述纳米柱之间以及位于所述第一金属电极和第二金属电极之间。

在S8中，形成所述互相连接结构的步骤包括：

形成图案化光阻层于所述外延结构上；

制备第一金属电极焊盘于所述第一金属电极上以及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。

在S9中，将倒装焊接板设置在所述发光二极管芯片的对应位置上，形成所述发光二极管芯片。

所述倒装焊接板包括基板，绝缘层以及焊盘金属；所述绝缘层设置在所述基板上，所述焊盘金属设置在所述绝缘层上。

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，包括第二半导体层，发光层，第一半导体层；

电极，位于所述衬底上，包括金属层，金属电极，焊盘；其中，所述金属层位于所述第一半导体层上，所述金属层当作第一金属电极的接触电极和反射电极；所述金属电极包括第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极位于所述金属层上，所述第二金属电极位于所述第二半导体层上；所述焊盘包括第一金属电极焊盘和第二金属电极焊盘，所述第一金属电极焊盘位于所述第一金属电极上，所述第二金属电极焊盘位于所述第二金属电极上；

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

绝缘层，位于相邻所述纳米柱之间，以及位于所述第一金属电极以及所述第二金属电极之间；

倒装焊接板，位于所述发光二极管芯片对应的位置上。

本发明提出一种发光二极管芯片及其制造方法，通过制备大面积的金属层，保证了和大尺寸芯片相同的接触特性，改善了芯片的接触特性；通过制备不同结构的纳米柱，解决了发光二极管芯片因为遮挡出光效率低的问题；同时先制备金属电极，后制备纳米柱，保证了纳米柱不被损坏，实现了发光二极管芯片结构的优化调整；通过大面积的互联和倒装结构，提高了芯片的散热性能。

附图说明

图1：本发明提出的发光二极管芯片的制造流程图。

图2-13：各步骤的简要示意图。

S1-S9：步骤。

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，本发明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；

其中，请参阅图2，在步骤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，在步骤S2中，所述外延结构包括第二半导体层11，发光层12，第一半导体层13；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；所述第二半导体层11可包括N型半导体层，所述第一半导体层13可包括P型半导体层。

请参阅图4，在步骤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的材质可包括例如为氧化铟锡；所述金属层21的沉积方式可包括例如为化学气相沉积，磁控溅射；所述金属层21可当作第一金属电极的接触电极和反射电极。

请参阅图5，在步骤S4中，首先在所述金属层21上形成图案化光阻层，通过感应耦合等离子体的刻蚀工艺移除部分所述金属层21以及部分所述外延结构，形成凹槽；所述凹槽依次包括所述金属层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。

请参阅图6，在步骤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，所述第一金属电极位于所述第一开口内，所述第二金属电极位于所述第二开口内；然后通过蒸镀和/或溅射技术在光阻层，第一开口，第二开口上沉积电极，最后，剥离光阻层上的金属及去除芯片上的光阻层，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7-8，在步骤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9-11，在步骤S7中，首先在所述外延结构上形成一层光敏材料31，所述光敏材料31覆盖所述第一金属电极221以及所述第二金属电极222，然后在所述外延结构的背面对所述光敏材料31进行曝光，最后通过显影及热固化处理，获得所述绝缘层32。在本实施例中，所述光敏材料31可例如为具有热固性的液态负性光敏性绝缘材料，所述绝缘层31位于所述第一金属电极221以及第二金属电极222之间，部分所述绝缘层32位于所述第一金属电极221以及第二金属电极222上。

请参阅图12，在步骤S8中，首先在所述绝缘层32上形成一图案化光阻层，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第一金属电极221上，所述第二开口位于所述第二金属电极222上；在所述第一开口内形成第一金属电极焊盘241，在所述第二开口内形成第二金属电极焊盘242；然后通过蒸镀和/或溅射技术在光阻层，第一开口，第二开口上沉积电极；最后，剥离光阻层上的金属及去除芯片上的光阻层，即可得到所述第一金属电极焊盘241和所述第二金属电极焊盘242，形成互联连接的纳米柱结构；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；所述第一金属电极焊盘241可包括P型金属焊盘，所述第二金属电极焊盘242可包括N型金属焊盘。

请参阅图13，在步骤S9中，所述倒装焊接板4包括基板41，绝缘层42，焊盘金属43；所述基板41包括氮化铝陶瓷基板，所述绝缘层42位于所述基板41上，所述绝缘层42可包括例如为二氧化硅绝缘层；所述焊盘金属43位于所述绝缘层42上；所述焊盘金属43的材质可包括例如为金，锡或其他金属材料；所述倒装焊接板4位于所述发光二极管芯片的对应位置上。

请参阅图13，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，焊盘金属43。

综上所述，本发明提出一种发光二极管芯片及其制造方法，通过先形成金属电极，后形成纳米柱，有效避免了对纳米柱的损伤，同时对纳米柱的结构进行了优化调整，提高了发光二极管芯片的出光效率，本发明通过大面积的互联与倒装结构，提高了发光二极管芯片的散热性能。

Claims (8)

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，且所述第一金属电极与所述第二金属电极高度相等；

移除部分所述第一金属电极以及所述外延结构，以形成纳米柱，所述纳米柱呈圆柱形、圆台形或手电筒形，且所述纳米柱依次包括所述第一金属电极，所述金属层，所述第一半导体层，所述发光层以及部分所述第二半导体层；

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，且形成所述绝缘层的步骤包括：

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；

制备第一金属电极焊盘于所述第一金属电极上以及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；

形成倒装焊接板于所述发光二极管芯片对应的位置上。

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。

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暴露的所述第二半导体层；

形成所述第一金属电极于所述金属层上；以及

形成另一图案化光阻层于所述第一金属电极上，暴露所述凹槽内的所述第二半导体层；

形成第二金属电极于所述第二半导体层上，所述第二金属电极和所述第一金属电极的高度相等。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，形成所述互相连接结构的步骤包括：

形成图案化光阻层于所述外延结构上；

制备第一金属电极焊盘于所述第一金属电极上以及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。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述倒装焊接板包括基板，绝缘层以及焊盘金属，所述绝缘层设置在所述基板上，所述焊盘金属设置在所述绝缘层上。

7.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。

8.根据权利要求1-7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，包括第二半导体层，发光层，第一半导体层；

电极，位于所述衬底上，包括金属层，金属电极，焊盘；其中，所述金属层位于所述第一半导体层上，所述金属层当作第一金属电极的接触电极和反射电极；所述金属电极包括第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极位于所述金属层上，所述第二金属电极位于所述第二半导体层上；所述焊盘包括第一金属电极焊盘和第二金属电极焊盘，所述第一金属电极焊盘位于所述第一金属电极上，所述第二金属电极焊盘位于所述第二金属电极上；

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

绝缘层，位于相邻所述纳米柱之间，以及位于所述第一金属电极以及所述第二金属电极之间；

倒装焊接板，位于所述发光二极管芯片对应的位置上。

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