CN110491976A - 一种抗水解的倒装led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗水解的倒装LED芯片，其包括衬底；设于所述衬底上的外延层，所述外延层依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；设于所述外延层上的第一电极和第二电极；设于第一电极上的第一焊盘和设于所述第二电极上的第二焊盘；所述第一焊盘和第二焊盘相互绝缘；其中，所述外延层的宽度从所述电极侧到所述衬底侧呈递减变化；所述外延层顶面和侧面设有电场屏蔽层，所述第一焊盘和第二焊盘的侧面设有电场屏蔽层。本发明在焊盘和外延层之间形成了一断层结构，有效防止焊盘产生的水解物通过毛细作用爬升，造成电极连通，芯片侧边漏电的问题，大幅提升倒装LED芯片的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及光电子制造技术领域，尤其涉及一种抗水解的倒装LED芯片及其制备方法。
背景技术
倒装LED芯片是一种新型LED芯片，其散热性能和光效都比普通正装LED芯片优异，因此常被应用在一些较为特殊的场合，如显示屏领域。显示屏领域的芯片一般要求点间距较小，以提供较好的视距效果，同时也需要配合柔性基板使用，因此多采用便于封装、尺寸较小的倒装LED芯片。
普通LED在长期点亮的过程中，与环境中的水蒸气或者封装胶中残留的水蒸气反应，引起电极水解，从而产生芯片电极脱落、电压升高等异常现象，造成LED可靠性大幅下降，使用寿命缩短。电极水解的主要原因是金属电极、金属焊锡等与水蒸气之间形成电解池结构，从而导致金属电极失去电子而发生溶解。对于倒装LED芯片而言，其采用了较大的焊盘，使得较普通LED芯片更加容易发生水解，导致其可靠性下降，使用寿命降低。此外，水解产物还会沿着倒装LED芯片结构爬升，造成电极连通、侧面漏电的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种抗水解的倒装LED芯片，其能有效减少电极中的金属迁移，提升倒装LED芯片的可靠性，防止漏电。
本发明还要解决的技术问题在于，提供一种上述抗水解的倒装LED芯片的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抗水解的倒装LED芯片，其包括：
衬底；
设于所述衬底上的外延层，所述外延层依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；
设于所述外延层上的第一电极和第二电极；所述第一电极和第二电极相互绝缘；
设于第一电极上的第一焊盘和设于所述第二电极上的第二焊盘；所述第一焊盘和第二焊盘相互绝缘；
其中，所述外延层的宽度从所述电极侧到所述衬底侧呈递减变化；
所述外延层顶面和侧面设有电场屏蔽层，所述第一焊盘和第二焊盘的侧面设有电场屏蔽层。
作为上述技术方案的改进，所述递减变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化。
作为上述技术方案的改进，所述外延层所述外延层为倒梯形体。
作为上述技术方案的改进，所述外延层为倒等腰梯形体，其底角为65～70°。
作为上述技术方案的改进，所述电场屏蔽层由SiO2、SiNx、Al2O3中的一种或多种制成；所述电场屏蔽层的厚度为100～500nm。
作为上述技术方案的改进，所述电场屏蔽层包括至少一层SiNx层和至少一层Al2O3层；所述SiNx层和所述Al2O3层间隔设置。
作为上述技术方案的改进，所述第一焊盘、第二焊盘与所述电场屏蔽层之间设有粘附层。
作为上述技术方案的改进，所述粘附层由Ni、Al或Ti中的一种或多种制成，所述粘附层的厚度为2～20nm。
作为上述技术方案的改进，还包括：
设于所述第二半导体层上的透明导电层；
设于所述透明导电层上的复合反射层；
设于所述复合反射层上的第一钝化层；和
设于所述第一电极和所述第二电极上的第二钝化层；
所述第一电极通过贯穿所述透明导电层、复合反射层、第一钝化层的多个第一小孔与所述第一半导体层连接；所述第二电极通过设于所述第一钝化层的第一孔洞与所述复合反射层连接；
所述第一焊盘通过设于所述第二钝化层的第二孔洞与所述第一电极连接，所述第二焊盘通过设于所述第二钝化层的第三孔洞与所述第二电极连接。
相应的，本发明还提供了一种上述的抗水解的倒装LED芯片的制备方法，其包括：
(1)提供一衬底；
(2)在所述衬底上形成外延层；所述外延层包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；
(3)对所述外延层进行光刻和刻蚀；
(4)在所述外延层上形成第一电极和第二电极；
(5)在所述第一电极和第二电极上分别形成第一焊盘和第二焊盘；
(6)在所述外延层顶面和侧面，所述第一焊盘、第二焊盘侧面形成电场屏蔽层，得到抗水解的倒装LED芯片成品。
实施本发明，具有如下有益效果：
1.本发明通过设置外延层的宽度从电极侧到衬底递减变化，使得外延层靠近衬底侧的宽度＜靠近电极侧的宽度，此种结构在焊盘和外延层之间形成了一断层结构，有效防止焊盘产生的水解物通过毛细作用爬升，造成电极连通，芯片侧边漏电的问题，大幅提升倒装LED芯片的可靠性。并且，这种结构还会增加出光效果，提升LED芯片亮度。
2.本发明此外，本发明在外延层的顶面、侧面，第一焊盘、第二焊盘的侧面均设置了电场屏蔽层，电场屏蔽层能够有效阻止水汽与电极、焊盘之间形成电解池结构，屏蔽电场效应，有效阻断水解反应的进行。
附图说明
图1是本发明一实施例中抗水解的倒装LED芯片的结构示意图；
图2是图1中A-A方向的剖视图；
图3是本发明一实施例中外延层宽度计算方法示意图；
图4是本发明另一实施例中外延层宽度计算方法示意图；
图5是本发明又一实施例中抗水解的倒装LED芯片的结构示意图；
图6是图5中A-A方向的剖视图；
图7是图5中B-B方向的剖视图；
图8是本发明一种抗水解的倒装LED芯片的制备方法流程图；
图9是抗水解的倒装LED芯片制备步骤S31后LED芯片的结构示意图；
图10是图9中A-A方向的剖视图；
图11现有技术中倒装LED芯片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
参见图1和图2，本发明提供了一种倒装LED芯片，其包括衬底1、外延层2、第一电极3、第二电极4、第一焊盘5和第二焊盘6；其中，外延层2包括依次设于衬底1的第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23；第一电极3设于外延层2上并与第一半导体层21连接，第二电极4设于外延层2上并与第二半导体层23连接，第一电极3与第二电极4相互绝缘；第一焊盘5设于第一电极3上，第二焊盘6设于第二电极4上，第一焊盘5与第二焊盘6高度相同，面积相等，且相互绝缘。
其中，外延层2的宽度从电极3/4侧到衬底1侧呈递减变化，即外延层2靠近衬底1侧的宽度＜靠近电极3/4一侧的宽度，此种结构在焊盘5/6和外延层2之间形成了一断层结构，有效防止焊盘5/6产生的水解物通过毛细作用爬升，造成电极连通，芯片侧边漏电的问题，大幅提升倒装LED芯片的可靠性。并且，这种结构还会增加出光效果，提升LED芯片亮度。
具体的，递减变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化。
所述连续变化是指外延层2的宽度从电极侧到衬底侧连续减小；具体的，宽度的大小可采用一次函数、二次函数的形式描述。参考图3，在本发明的一实施例之中，以一次函数描述外延层的宽度；具体的，以外延层2靠近衬底1侧的中点为原点，以外延层宽度为y轴，外延层厚度为x轴，建立坐标系。如图所示，则不同厚度的外延层的宽度y＝|y1|+|y2|；其中，y1＝a1x+b1，y2＝a2x+b2；a1、b1、a2、b2均为常数，a1的取值范围为0.01～0.1，b1的取值范围为-50～-5；a2的取值范围为0.01～0.1，b2的取值范围-50～-5。
参考图4，在本发明的另一实施之中，采用二次函数的形式描述厚度；具体的，具体的，以外延层2靠近衬底1侧的中点为原点，以外延层宽度为y轴，外延层厚度为x轴，建立坐标系。如图所示，则不同厚度的外延层的宽度y＝2|y1|；
其中：
a、b均为常数；a的取值范围为50～1000，b的取值范围为0.01～0.5；c的取值范围为2000～6000。
其中，梯度变化是指外延层2的宽度从电极侧到衬底侧呈阶梯状变化，即在第一个厚度范围内，其维持恒定，在下一个厚度范围内，其减小到某一恒定宽度，如此多次循环，这种阶梯状变化形成的结构对于阻碍水解物的爬升有更佳的效果，对透光率的提高也有良好的效果，但其工艺难度较高；混合梯度变化是指两者的融合。
优选的，递减变化为连续变化。进一步的，连续变化为一次函数变化；即通过上述宽度的连续变化，外延层2整体上呈一倒梯形体；这种倒梯形体工艺可行性高，同时对提升亮度，减少水解产物的爬升具有良好的效果。进一步优选的，外延层2为倒等腰梯形体，其底边宽度≤1000μm，外延层厚度为1～5μm；所述倒等腰梯形体的底角(α)为65～70°；此角度与GaN的晶格角度接近，对于提升亮度具有更佳的效果，也能有效防止水解产物的爬升。
此外，为了有效提升本发明中倒装LED芯片抗水解的效果，在外延层2的顶面、侧面，第一焊盘5、第二焊盘6的侧面均设有电场屏蔽层7，电场屏蔽层7能够有效阻止水汽与电极、焊盘之间形成电解池结构，屏蔽电场效应，有效阻断水解反应的进行。
其中，电场屏蔽层7由SiO2、SiNx、Al2O3中的一种或多种制成；但不限于此。具体的，电场屏蔽层7可为单一的SiO2层、SiNx层、Al2O3层，亦可为其中两种或三种层堆栈的结构。其中，电场屏蔽层7的厚度为100～500nm，当电场屏蔽层7厚度＜100nm时，其屏蔽作用弱；当电场屏蔽层7的厚度＞500nm时，会对出光效果造成不利影响。
需要说明的是，电场屏蔽层7虽然能够有效屏蔽电场，减少水解产物的生成量；然而，由于电场屏蔽层7也覆盖于外延层2侧面，因此其会造成出光反射增加，造成光提取效率下降的问题；为了达到有效屏蔽电场与保证光提取效率之间的平衡，本发明选择SiNx层和/或Al2O3层作为电场屏蔽层，这两种材料折射率与GaN折射率相近，有效降低出光全反射，提升光提取效率；进一步的，本发明选择SiNx层作为电场屏蔽层，其折射率(2.04)与氮化硅(折射率2.4)更加相近，可有效减少出光的全反射。同时，也需要对电场屏蔽层7的厚度加以控制，优选的，控制电场屏蔽层7的厚度为100～300nm，以弱化其对光提取效率的不利影响。
此外，由于电场屏蔽层7与焊盘5/6之间的晶格差异大，导致其粘附能力较弱。为了克服这一缺陷，本发明还在焊盘5/6与电场屏蔽层7之间设置了粘附层8。具体的，粘附层8为一薄金属层，其由Ni、Al或Ti中的一种或多种制成；其厚度为2～20nm，优选为5～10nm；此厚度的粘附层8能够有效的连接焊盘与电场屏蔽层7。
具体的，参见图5～图7，本发明的倒装LED芯片还包括一次设于外延层2和电场屏蔽层7之间的透明导电层9、复合反射层10、第一钝化层11、和第二钝化层12。其中，第一电极3与第二电极4均设于第一钝化层11上；电极3、4上方覆盖第二钝化层12，焊盘5/6设于第二钝化层12上。本发明将第一电极和第二电极设立在同一平面(第一钝化层)上，使得后期焊盘水平度高，大幅降低倒装LED芯片的封装难度，提升了倒装LED芯片的封装良率。
其中，参见图6，第一电极3通过贯穿透明导电层9、复合反射层10、第一钝化层11的多个第一小孔13与中的第一半导体层21形成电连接。在LED芯片上设有多个均匀分布的第一小孔13，以增强第一电极3与第一半导体层21的电性连接作用，降低接触电阻，提升LED芯片的光效。
其中，参见图7，第二电极4通过设于所述第一钝化层16的第一孔洞14与复合反射层10形成电连接。第一电极3与第二电极4之间通过第二钝化层12绝缘。
相应的，参见图8，本发明还公开了一种上述倒装LED芯片的制备方法，其包括：
S1：提供一衬底；
其中，衬底选用蓝宝石、SiC或尖晶石，但不限于此；
S2：在衬底上形成外延层；
其中，外延层2包括第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23；具体的，第一半导体层21为N型氮化镓层，第二半导体层23为P型半导体层，但不限于此。
S3：对外延层进行光刻刻蚀；
具体的，S3包括：
S31：对外延层进行一次光刻和刻蚀，形成多个第一小孔；
具体的，通过对外延层的一次光刻和刻蚀，形成多个贯穿至第一半导体层21的第二小孔131(如图9、图10所示)。多个第二小孔131均匀分布在外延层2上，其能促进第一电极3与第一半导体层21的电接触，促进电流的均匀分布。
进一步的，所述第一小孔131的宽度为优选为
需要说明的是，在常用的倒装LED芯片制备过程之中，一般是对外延层进行台阶刻蚀，以形成一个巨大的孔洞A，此孔洞的宽度一般在在后期直接在此孔洞中形成N电极B(如图11所示)；但是这种方法形成的P电极C和N电极B之间具有较大的高度差，后期在形成焊盘时很难形成平整的焊盘，影响倒装LED芯片封装。而本发明通过对于前期开孔工艺的改变，使得后期第一电极与第二电极在同一平面形成，大幅提升了后期焊盘的水平度，提升了封装良率。
S32：对所述外延层进行二次光刻和刻蚀；
具体的，通过二次光刻和刻蚀，可使得外延层2的宽度从第二半导体层侧(电极侧)到衬底侧呈递减变化，形成阻碍水解产物爬升的结构，提升本发明倒装LED芯片的抗水解性能。
S4：在外延层上形成第一电极和第二电极；
具体的，S4包括：
S41：在外延层上形成透明导电层；
具体的，在外延层2上形成透明导电层9，然后对透明导电层9进行光刻刻蚀，暴露出第一小孔13；并将第一小孔13侧壁和底部的透明导电层9去除。
其中，透明导电层9可为ITO层、AZO层、GZO层等，但不限于此。优选的，透明导电层9为ITO层，其透光率较高，可有效降低光的损失。
S42：在透明导电层上形成复合反射层；
具体的，包括：
S421：在透明导电层上形成复合反射层；
其中，复合发射层10包括反射层101和设于发射层101上的金属阻挡层102。反射层101的材质为Ag，其可有效接收并反射有源层22发出的光线；金属阻挡层102采用Ti、Ni、Pt、W、Pd、Rh、TiW中的一种制成；优选的，选用TiW，金属阻挡层102可对反射层101形成良好的保护。
S422：对复合反射层进行光刻刻蚀；
通过光刻刻蚀，可完全去除第二小孔131内的复合反射层10；防止复合反射层10金属导通电极。
S43：在复合反射层上形成第一钝化层；
具体的，S43包括：
S431：在复合反射层上形成第一钝化层；
其中，第一钝化层11的材质为SiO2或SiNx，但不限于此。
S432：对第一钝化层进行光刻刻蚀，形成第一孔洞和第一孔洞；
具体的，第一孔洞14分布在没有第二小孔131的区域；第一孔洞14贯穿至复合反射层10；第一孔洞14在后期用于形成第二电极4(P电极)；故将第一孔洞14刻蚀至复合反射层10，即可确保第二电极4与第二半导体层23的欧姆接触。
具体的，第一小孔13即在第二小孔131侧壁覆盖了第一钝化层11后形成；其后期用于填充第一电极3。其中，第一钝化层11用于第一电极3与复合反射层10形成绝缘，避免电极导通。
S44：在第一钝化层上形成第一电极和第二电极；
具体的，采用电子束蒸镀、热蒸镀或磁控溅射工艺形成第一电极3和第二电极4。
S45：在第一电极、第二电极表面形成第二钝化层；
具体的，S45包括：
S451：形成第二钝化层；
其中，第二钝化层12的材质与第一钝化层11相同。
S452：对第二钝化层进行光刻刻蚀，暴露出多个第一电极和第二电极；
具体的，通过对第一钝化层12刻蚀开孔，形成第二孔洞15和第三孔洞16；进而暴露出第一电极3和第二电极4。
S5：在第一电极和第二电极上分别形成第一焊盘和第二焊盘；
具体的，S5包括：
S51：在第一电极和第二电极上分别形成第一焊盘和第二焊盘；
其中，第一焊盘和第二焊盘的材质选用AuSn，但不限于此；第一焊盘通过第二孔洞15与第一电极3连接，第二焊盘通过第三孔洞16与第二电极4连接。
S52：在焊盘侧面形成粘附层；
具体的，通过蒸镀、溅镀工艺形成粘附层8。
S6：形成电极屏蔽层，得到抗水解倒装LED芯片成品。
具体的，在外延层2的顶面和侧面，第一焊盘5、第二焊盘6的侧面形成电场屏蔽层7，得到抗水解的倒装LED芯片成品。
以上所述是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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种抗水解的倒装LED芯片，其特征在于，包括：
衬底；
设于所述衬底上的外延层，所述外延层依次包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；
设于所述外延层上的第一电极和第二电极；所述第一电极和第二电极相互绝缘；
设于第一电极上的第一焊盘和设于所述第二电极上的第二焊盘；所述第一焊盘和第二焊盘相互绝缘；
其中，所述外延层的宽度从所述电极侧到所述衬底侧呈递减变化；
所述外延层顶面和侧面设有电场屏蔽层，所述第一焊盘和第二焊盘的侧面设有电场屏蔽层。
2.如权利要求1所述的抗水解的倒装LED芯片，其特征在于，所述递减变化为连续变化、梯度变化或混合梯度变化。
3.如权利要求2所述的抗水解的倒装LED芯片，其特征在于，所述外延层所述外延层为倒梯形体。
4.如权利要求3所述的抗水解的倒装LED芯片，其特征在于，所述外延层为倒等腰梯形体，其底角为65～70°。
5.如权利要求4所述的抗水解的倒装LED芯片，其特征在于，所述电场屏蔽层由SiO2、SiNx、Al2O3中的一种或多种制成；所述电场屏蔽层的厚度为100～500nm。
6.如权利要求5所述的抗水解的倒装LED芯片，其特征在于，所述电场屏蔽层包括至少一层SiNx层和至少一层Al2O3层；所述SiNx层和所述Al2O3层间隔设置。
7.如权利要求5所述的抗水解的倒装LED芯片，其特征在于，所述第一焊盘、第二焊盘与所述电场屏蔽层之间设有粘附层。
8.如权利要求7所述的抗水解的倒装LED芯片，其特征在于，所述粘附层由Ni、Al或Ti中的一种或多种制成，所述粘附层的厚度为2～20nm。
9.如权利要求1所述的抗水解的倒装LED芯片，其特征在于，还包括：
设于所述第二半导体层上的透明导电层；
设于所述透明导电层上的复合反射层；
设于所述复合反射层上的第一钝化层；和
设于所述第一电极和所述第二电极上的第二钝化层；
所述第一电极通过贯穿所述透明导电层、复合反射层、第一钝化层的多个第一小孔与所述第一半导体层连接；所述第二电极通过设于所述第一钝化层的第一孔洞与所述复合反射层连接；
所述第一焊盘通过设于所述第二钝化层的第二孔洞与所述第一电极连接，所述第二焊盘通过设于所述第二钝化层的第三孔洞与所述第二电极连接。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的抗水解的倒装LED芯片的制备方法，其特征在于，包括：
(1)提供一衬底；
(2)在所述衬底上形成外延层；所述外延层包括第一半导体层、有源层和第二半导体层；
(3)对所述外延层进行光刻和刻蚀；
(4)在所述外延层上形成第一电极和第二电极；
(5)在所述第一电极和第二电极上分别形成第一焊盘和第二焊盘；
(6)在所述外延层顶面和侧面，所述第一焊盘、第二焊盘侧面形成电场屏蔽层，得到抗水解的倒装LED芯片成品。
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