CN110574175B - 一种半导体发光元件 - Google Patents
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Abstract
一种半导体发光元件，其包括键合衬底，该半导体发光元件的键合衬底包括第一表面和第二表面，第一表面上的多层金属层，多层金属层上的半导体发光序列，该键合衬底的边缘形成台阶结构，以使键合衬底的第一表面的边缘部分未被覆盖。
Description
技术领域
涉及一种半导体发光元件，具体设计一种LED芯片结构。
背景技术
今年来，为了获得更高亮度、高功率或者高热辐射率的LED结构，将传统的LED外延结构进行基板转移到具有金属反射层或金属键合层的转移基板上，通过化学湿蚀刻或激光剥离的方式去除原始衬底。针对这类结构，首先蚀刻去除金属反射层和或金属键合层上的外延结构，以形成切割道，再通过刀片划裂或激光划裂的方式通过切割道分离单一的芯片结构，然而刀片切割存在切割道宽，切割导致芯片崩裂等的技术问题，而激光划裂切割断面平坦，切割道相对窄的优势而具备更广泛的运用前景。然而激光划裂后会造成大量的金属回熔物溅射到发光层侧壁,易造成发光层的漏电及出光遭回熔物吸收之亮度下降。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提出以下一种保证发光效率且可靠性高的半导体发光元件，其包括键合衬底，所述的半导体发光元件的键合衬底包括第一表面和第二表面，第一表面上的多层金属层，多层金属层上的半导体发光序列，所述的键合衬底的边缘形成台阶结构，以使键合衬底的第一表面的边缘未被覆盖。
优选地，所述键合衬底的边缘的露出部分宽度至少2微米，更有选地，为2-10微米，更优选地，为3-6微米。
优选地，所述的多层金属层边缘形成第二台阶结构，第二台阶结构形成为多层金属层边缘上的半导体发光序列被去除，其宽度为1.5微米-10微米，更优选地，所述的台面面积为3-8微米。
优选地，其中所述的键合衬底侧壁表面具有相对平坦的第一部分和不平坦的第二部分。
优选地，所述的键合衬底侧壁表面不平坦的第二部分为不平整的凸凹结构。
优选地，所述的表面不平坦的第二部分靠近键合衬底的第一表面或进一步地延伸至第一表面。
优选地，所述的表面不平坦的第二部分靠近键合衬底的第二表面或延伸至第二表面。
优选地，所述侧壁的表面不平坦的第二部分位于相对于第一表面深度至1/3-1/2位置，靠近第一表面侧和第二表面侧为相对平坦的第一部分。
优选地，所述的半导体发光元件的键合衬底为非金属衬底。
优选地，所述的半导体外延发光序列的为基板的纵向投影面积比至少为50%。
优选地，所述的半导体外延发光序列的基板的纵向投影面积比至少为70%或80%。
优选地，所述的键合衬底的边缘形成台阶结构，以使键合衬底的第一表面的边缘露出部分。
优选地，所述的半导体发光元件的半导体发光序列与多层金属层之间至少部分界面存在透明绝缘层，所述的透明绝缘层为一层或多层。
优选地，所述的半导体发光元件为砷化镓基发光元件。
优选地，所述的半导体发光序列与透明绝缘层之间存在电流扩展层。
优选地，所述的第二台阶结构为形成在电流扩展层上，电流扩展层边缘的半导体发光序列被去除，其宽度为1.5微米-10微米，更优选地，所述的台面面积为3-8微米。
优选地，所述的半导体发光元件的多层金属层或透明绝缘层或电流扩展层至少之一延衬底方向的投影面积是变化的，或边缘形成至少一台阶结构。
优选地，所述的半导体发光元件的多层金属层或透明绝缘层或电流扩展层至少之一延衬底方向的投影面积变化是呈现增加或投影面积增加的趋势。
优选地，所述的多层金属层包括键合层、金属反射层、欧姆接触层至少一种。
优选地，所述的非金属衬底为导电性衬底，与半导体发光序列相反一侧有导电金属层。
优选地，所述的导电性衬底为吸收激光镭射的衬底。
优选地，所述的导电性衬底为硅或碳化硅衬底。
本发明提供一种半导体发光元件的制备方法，其包括如下步骤：（1）准备待切割前的半导体发光元件，所述的半导体发光元件的键合衬底包括第一表面和第二表面，第一表面上的多层金属层，多层金属层上的半导体发光序列；（2）蚀刻半导体发光序列形成第一平台；（3）沿着第一平台进一步蚀刻去除多层金属层，露出基板形成第二平台区域；（4）沿着第二平台区域分离半导体发光元件以获得单一的芯片结构。
优选地，所述多层金属反射层与半导体发光序列之间部分区域还有绝缘保护层，所述的制备方法还包括在步骤（3）中蚀刻去除所述的绝缘保护层。
优选地，所述的划裂步骤包括激光划裂或激光隐切。
优选地，所述的绝缘保护层可为一层或多层，所述的蚀刻方法为干法蚀刻。
优选地，所述的步骤（3）中去除多层金属层的方法为湿法蚀刻或干湿法蚀刻结合的方式。
本发明的结构具备以下技术效果：
本发明获得一种能够保证发光效率且可靠性高的半导体发光元件，同时根据本发明的制备方法，能够减少激光划裂产生的回熔物溅射到半导体发光元件的发光区域的侧壁，减少漏电现象的产生，提升芯片分离的良率；同时能够有效减少切割道的面积，可有效提高发光区域的面积比，从而提高发光效率。
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。
附图1为实施本发明的发光二极管制备方法步骤（1）获得的结构示意图。
附图2为实施本发明的发光二极管制备方法步骤（2）形成第一平台的结构示意图。
附图3为实施本发明的发光二极管制备方法步骤（3）形成第二平台的结构示意图。
附图4（a）为实施本发明的发光二极管制备方法步骤（4）激光隐切后的侧视图。
附图4（b）为实施本发明的发光二极管制备方法步骤（4）激光隐切后的俯视图。
附图5为实施本发明的发光二极管制备方法获得的最终结构示意图。
编号说明：1.背面金属电极，2.键合衬底，3.多层金属层，4.透明绝缘层，5.半导体发光序列，6-正面电极。
具体实施方式
请参阅图1~图5，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，遂图示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。
如图（1）所示，本发明的发光元件的制作工艺包括如下步骤，（1）获得切割前的如下发光结构，如图所示：包括键合衬底，键合衬底背侧具有背面金属电极1，正面由下至上包括多层金属层，多层金属层上具体包括金属键合层、金属反射层，透明绝缘层4和半导体发光序列、正面金属电极，半导体发光序列包括作为第1导电型的第1半导体层的p型包覆层、作为与第1导电型不同的第2导电型的第2半导体层的n型包覆层、夹于p型包覆层和n型包覆层并可发出规定波长的光的活性层的发光层；发光层、n型接触层和p型接触层分别由III-V族化合物半导体形成。具体而言，可通过使用GaAs系、GaP系、InP系等化合物半导体，InGaAs系、InGaP系、AlGaAs系等三元系化合物半导体，AlGaInP系等四元系化合物半导体而形成。例如，发光层具有n型包覆层106(其通过含有n型的AlGaInP而形成)和p型包覆层(其通过含有p型的AlGaInP而形成)夹持活性层(其由未掺杂作为杂质的掺杂剂的未掺杂的AlGaInP系的化合物半导体的本体形成)的结构，P型包覆层优选地包括一层p-GaP层利于P层半导体层侧的电流扩展（该层位于透明绝缘层4上，图中未示出），本发明具体为砷化镓基外延结构转移至键合衬底后的半导体发光元件。
形成于发光层的光取出面，即，在n型包覆层的活性层侧的相反侧的表面的一部上形成的n型接触层；更优选地，为了提高发光效率，在发光层的另一个表面侧和发光层的侧面分别形成的凹凸部；覆盖发光层的另一个表面的凹凸部和发光层的侧面的凹凸部的透明绝缘膜。设置于发光层的反射层侧的相反侧，即n型接触层上的正面电极；设置于正面电极上的作为导线接合用焊盘电极；正面电极不受限于这样的形状，从上方观看时，也可形成为圆形状、多边形状(例如，六边形等)。另外，焊盘电极形成为与正面电极的表面相接触。正面电极由欧姆接触于n型接触层的金属材料形成。例如，表面电极由含有Au、Ge、Ni等的金属材料来形成。另外，焊盘电极由含有例如Ti、Au等的金属材料来形成。
设置于发光层的一个表面侧并反射活性层所发出的光的由金属形成的反射层；由对于活性层所发出的光而言反射率高的导电性材料形成。作为一个实例，反射层，由对于该光而言反射率为80％以上的导电性材料形成。反射层将活性层所发出的光中到达了反射层的光反射向活性层侧。反射层由例如Al、Au、Ag等金属材料或包含选自这些金属材料的至少一种金属材料的合金形成。作为一个实例，反射层由规定膜厚的Au形成。反射层也可通过进一步含有由Ti、Pt等金属材料形成的阻挡层、容易接合于接合层的接合膜而形成。
在除了设置有欧姆接触部的区域以外的区域，在发光层与反射层之间，在p型接触层与反射层之间所设置的电介质层，即绝缘膜；绝缘膜可由，例如，二氧化硅、氮化硅形成。另外，绝缘膜也可由折射率互不相同的多个绝缘层，即，由二氧化硅形成的膜和由氮化硅形成的膜经过多层层叠的多层膜形成。对于作为该多个绝缘层的多层膜，例如，可按照沿着从发光层的另一个表面(即，光取出面)和发光层的侧面远离的方向折射率降低的顺序来层叠。电介质层也可由折射率各不相同的多个材料构成的薄膜的层叠结构形成。例如，电介质层也可制成分布式布拉格反射镜结构。作为一个实例，可形成具有如下DBR结构的电介质层：将规定膜厚的由SiO2形成的层、规定膜厚的由TiO2形成的层制成对，将所得的对层多次层叠形成DBR结构。作为发光层与反射层之间所形成的接触层的p型接触层，欧姆接触部设置于p型接触层的表面的未设置电介质层的区域，欧姆接触部形成于贯通电介质层的一部分区域而设置的开口内，将p型接触层和反射层电连接。作为一个实例，欧姆接触部由包含Au、Zn的金属材料，例如AuZn合金来形成。
导电性的支撑衬底，由p型或n型的导电性n-掺杂的导电性硅衬底、或碳化硅衬底等半导体衬底构成，该导电性衬底优选为能够吸收激光隐切的衬底，设置于支撑衬底的与接合层接触的表面的相反侧的表面的背面电极。键合层也可以是含有欧姆接触于支撑衬底的欧姆接触电极层，由Ti、Pt等的金属材料形成的阻挡层、容易接合于反射层的键合膜而形成。作为一个实例，欧姆接触电极可由包含Au、Ti、Al等的金属材料形成；阻挡层可由规定膜厚的Pt形成。另外，阻挡层抑制构成接合膜的材料向欧姆接触电极传输。进一步，键合层由电接合和机械接合于反射层的材料形成，作为一个实例，如上述可由规定膜厚的Au形成。
背面电极由电接合于支撑衬底的材料形成，例如，由Ti、Au等金属材料形成。在本实施例中，所述的背面电极为金。
（2）蚀刻至少半导体发光序列形成第一平台；
首先在N侧出光面涂覆一层光刻胶，并通过曝光、显影方式制作光刻胶图案，露出需要制作切割道的区域。接着，蚀刻穿过发光层并停留于电流扩展层GaP层，蚀刻方式优选为干法蚀刻，以形成第一平台如图2所示，所述第一平台的底部为GaP层，GaP层底部厚度方向有部分被保留。
（3）进一步采用蚀刻去除多层金属层；
如图3所示，进一步移除切割道区域之镜面层，键合层，使其裸露出硅基板形成第二平台以进行后续分离，第一平台处转化成为了第一台阶结构。具体操作为，至少在第一平台侧壁以及顶面出光面表面形成光刻胶，通过曝光、显影方式制作光刻胶图案，露出第一平台底部，第一平台底部边缘部分被光刻胶覆盖，避免后续蚀刻工艺对半导体序列侧壁进行蚀刻产生发光面积损失。接着针对光刻胶露出部分，通过干法蚀刻去除GaP层以及绝缘层、湿法蚀刻或干湿法结合蚀刻方式去除金属层，如金锌、金反射层采用湿法蚀刻，钛铂阻挡层采用干法蚀刻结合的方式以露出衬底，在多道蚀刻工序切换蚀刻后可能会在边缘形成多个台阶结构，如干法蚀刻去除GaP层以及绝缘层后，采用另外一种工序进行湿法蚀刻去除反射层如金、金锌等，蚀刻的过程也可能会导致GaP层、绝缘层以及多层金属层形成倾斜的侧壁，导致沿着厚度深入到基板方向的宽度变化的，优选呈现增加或投影面积增加的趋势，以利于形成光线反射的角度，利于侧壁出光被金属层反射出去。
（4）分离半导体发光元件以获得单一的芯片结构；
在露出的衬底表面分离半导体发光元件，优选吸收激光的导电性衬底，优选为半导体衬底Si衬底、碳化硅衬底等，本实施例为si衬底。接着激光隐切衬底，如图4（a）和4(b）所示，本实施例优选正面隐切，通过控制激光的强度在衬底的第一表面形成的节点为1/3到1/2的深度形成连续或不连续的节点，如图5所示，最后正面劈开分离芯片。如图5所示，劈开所述的衬底时，由于激光产生的节点处的应力减弱，而成为衬底断裂的截面产生处，键合衬底侧壁表面会形成具有相对平坦的第一部分和不平坦的第二部分，所述的键合衬底侧壁表面不平坦的第二部分为不平整的凸凹结构，所述的键合衬底侧壁表面不平整的凸凹结构是由于激光隐切所产生的连续或不连续的节点导致的，其粗糙度会高于衬底侧壁未被形成节点而断开形成侧壁截面的区域。
因此，通过本发明获得的发光二极管包括键合衬底，所述的半导体发光元件的键合衬底包括第一表面和第二表面，第一表面上的多层金属层，多层金属层上的半导体发光序列，其中所述的键合衬底侧壁表面具有相对平坦的第一部分和不平坦的第二部分。
所述的表面不平坦的第二部分靠近键合衬底的第一表面，所述的表面不平坦的第二部分靠近键合衬底的第二表面或位于衬底的中间位置，靠近第一表面侧和第二表面侧的侧壁为相对平台的第二部分，或表面不平坦的第二部分直接延伸至第一表面或第二表面。并且在衬底的第一表面边缘存在台阶结构，该台阶结构表面无多层金属层，该台阶结构是由于激光隐切位置为远离金属层侧壁一定的距离而导致的，避免激光直接打到多层金属层上，产生金属回熔物。
作为替代性的实施例，激光隐切也可被激光划裂替代，首先采用连续的激光在衬底的第一表面进行蚀刻形成一定深度的凹槽，接着采用劈刀将半导体发光元件劈裂形成单一的发光元件。
作为替代型的实施例，本发明的制作方法，同样适用于氮化物基获得的转移衬底的结构分离形成单一发光芯片，更优选采用能够吸收激光的转移衬底，如硅或碳化硅的衬底，并且衬底上，半导体发光序列下方采用采用金属反射层或金属层做电接触或金属键合层的结构。
根据本发明的制备方法，进一步蚀刻多层金属层到衬底表面形成第二平台，能够减少激光划裂产生的回熔物溅射到半导体发光元件的发光区域的侧壁，减少漏电现象的产生，提升芯片分离的良率。采用激光划裂方式能够有效减少切割道的面积，可有效提高发光区域的面积比，从而提高发光效率。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (20)
1.一种半导体发光元件，其包括键合衬底，所述的半导体发光元件的键合衬底包括第一表面和第二表面，第一表面上的多层金属层，多层金属层上的半导体发光序列；
所述的键合衬底的第一表面的边缘形成台阶结构，为使键合衬底的第一表面的边缘未被金属层覆盖的台阶结构；
所述键合衬底的第一表面的边缘的台阶结构宽度至少2微米；
所述的键合衬底为导电性衬底，所述的导电性衬底为吸收激光镭射的非金属衬底；键合衬底侧壁表面会形成具有相对平坦的第一部分和不平坦的第二部分，所述的键合衬底侧壁表面不平坦的第二部分为不平整的凸凹结构，所述的键合衬底侧壁表面不平整的凸凹结构是由激光隐切所产生的连续或不连续的节点导致的。
2.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述键合衬底的第一表面的边缘的台阶结构宽度2-10微米。
3.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述键合衬底的第一表面的边缘的台阶结构宽度为3-6微米。
4.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述的多层金属层的上表面边缘上的半导体发光序列被去除而形成第二台阶结构，所述的第二台阶结构宽度为1.5-10微米。
5.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，其中所述键合衬底的侧壁表面具有相对平坦的第一部分和不平坦的第二部分。
6.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，所述的键合衬底的侧壁表面不平坦的第二部分为不平整的凸凹结构。
7.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，所述的侧壁表面不平坦的第二部分相对键合衬底的第二表面更靠近键合衬底的第一表面或所述的侧壁表面不平坦的第二部分延伸至衬底的第一表面。
8.根据权利要求5所述的半导体发光元件，其特征在于，所述的侧壁表面不平坦的第二部分相对键合衬底的第一表面更靠近键合衬底的第二表面或延伸至键合衬底的第二表面。
9.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述的半导体发光元件的键合衬底为非金属衬底。
10.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述的半导体发光元件的半导体发光序列与多层金属层之间至少部分界面存在透明绝缘层，所述的透明绝缘层为一层或多层。
11.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述的半导体发光元件为砷化镓基发光元件。
12.根据权利要求11所述的半导体发光元件，其特征在于，所述的半导体发光序列与透明绝缘层之间存在电流扩展层。
13.根据权利要求12所述的半导体发光元件，其特征在于，第二台阶结构为形成在电流扩展层上表面的边缘上，电流扩展层上表面的边缘上的半导体发光序列被去除，所述的电流扩展层为磷化镓层。
14.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述的多层金属层包括键合层、金属反射层、欧姆接触层至少一种。
15.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述键合衬底的第二表面侧有导电金属层。
16.根据权利要求1所述的半导体发光元件，其特征在于，所述的导电性衬底为硅或碳化硅衬底。
17.一种半导体发光元件的制备方法，其包括如下步骤：(1)准备待切割前的半导体发光元件所述的半导体发光元件的键合衬底包括第一表面和第二表面，位于第一表面上的多层金属层，位于多层金属层上的半导体发光序列；(2)蚀刻半导体发光序列形成第一平台；(3)沿着第一平台进一步蚀刻去除多层金属层，露出键合衬底的第一表面以形成第二平台区域；(4)沿着第二平台区域，分离所述的键合衬底以分离半导体发光元件以获得单一的芯片结构，所述的芯片结构衬底的所述第一表面边缘形成台阶，以使所述的第一表面的边缘未被覆盖，所述键合衬底的第一表面的边缘的台阶结构宽度至少2微米，所述的键合衬底为导电性衬底并且为能吸收激光镭射的非金属衬底；键合衬底侧壁表面会形成具有相对平坦的第一部分和不平坦的第二部分，所述的键合衬底侧壁表面不平坦的第二部分为不平整的凸凹结构，所述的键合衬底侧壁表面不平整的凸凹结构是由激光隐切所产生的连续或不连续的节点导致的。
18.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于：所述多层金属层与半导体发光序列之间部分区域还有绝缘保护层，所述的制备方法还包括在步骤(3)中蚀刻去除所述的绝缘保护层。
19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于：所述的绝缘保护层可为一层或多层，所述的蚀刻方法为干法蚀刻。
20.根据权利要求17所述的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)中去除多层金属层的方法为湿法蚀刻或干湿法蚀刻结合的方式。
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