CN111312872A - 一种垂直结构led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直结构LED芯片及其制作方法，从下至上依次包括衬底层、粘结层、键合层、阻挡层、N电极层、绝缘反射层、欧姆接触层、外延片和分布在外延片外侧的P电极，所述外延片从下至上依次包括p‑GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n‑GaN层。由于N电极通过隔离槽穿过绝缘反射层、欧姆接触层、p‑GaN层、InGaN/GaN多量子阱层，并与n‑GaN层形成欧姆接触，不仅能减少对发光面出光的遮挡，改善了芯片边缘与孔内暗区等现象，发光光斑较为规则，更有利于产业链下游的光路设计；同时还在芯片内部形成更好的导热通道，从而改善了局部电流拥堵的问题，使得LED芯片在使用过程中局部温度过高的问题得到了大幅改善，甚至完全解决，从而延长了LED芯片的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片制造技术领域，特别涉及一种垂直结构LED芯片及其制作方法。
背景技术
发光二极管(LightEmittingDiode，LED)是靠PN结把电能转换成光能的一种器件，具有可控性好、启动快、寿命长、发光效率高、安全、节能环保等优点，不仅带动照明产业的深刻变革，同时还引领着显示屏领域的创新。
随着LED产业的发展，大功率LED越来越受到人们的青睐，随着使用功率的提高，单位面积上注入的电流也要求越来越大，然而，由于制作LED本身的半导体材料特性所限，较大的电流密度会导致大功率LED局部区域电流拥堵，使得大功率LED发光面上发光不均匀，发热也不均匀，大功率LED发光面发光不均匀，不仅会降低LED的发光亮度，同时会使得大功率LED芯片发光光斑出现明暗相间的现象，部分区域较亮，部分区域形成暗带，严重影响对光斑有较高要求的使用领域，如汽车车灯、手电筒等照明市场。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种垂直结构LED芯片及其制作方法，能够解决传统垂直结构LED芯片由于电流扩展不好导致的发光不均和发热不均的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种垂直结构LED芯片，从下至上依次包括衬底层、粘结层、键合层、阻挡层、N电极层、绝缘反射层、欧姆接触层、外延片和分布在外延片外侧的P电极，所述外延片从下至上依次包括p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n-GaN层，所述p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和n-GaN层设置有连通的隔离槽，所述N电极层上表面设置有N电极，所述N电极通过隔离槽穿过绝缘反射层、欧姆接触层、p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层，并与n-GaN层形成欧姆接触。
作为所述垂直结构LED芯片的进一步可选方案，所述键合层包括AuSn、NiSn、CuSn和AuSi中的一种或者多种材料。
作为所述垂直结构LED芯片的进一步可选方案，所述键合层的厚度为1000nm～9000nm。
作为所述垂直结构LED芯片的进一步可选方案，所述N电极层包括Ti、Cr、Ni、Al、Pt和Au中的一种或者多种金属。
作为所述垂直结构LED芯片的进一步可选方案，所述N电极层的厚度为100nm～2000nm。
作为所述垂直结构LED芯片的进一步可选方案，所述绝缘反射层包括SiO2、Si3N4和TiO2/Ti3O5。
作为所述垂直结构LED芯片的进一步可选方案，所述绝缘反射层的厚度为0.5um～4um。
作为所述垂直结构LED芯片的进一步可选方案，所述欧姆接触层包括SnO2和InO2。
作为所述垂直结构LED芯片的进一步可选方案，所述欧姆接触层厚度为30nm～300nm。
一种垂直结构LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1，在Si衬底上生长缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p-GaN层，形成LED外延片；
步骤S2，在LED外延片上制作出N电极图案，并在外延片上刻蚀隔离槽，所述隔离槽穿过p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层到达n-GaN层；
步骤S3，在LED外延片上制备欧姆接触层，并在欧姆接触层上制作出隔离槽，其位置与步骤S2所述预留N电极隔离槽为同心圆，相互嵌套；
步骤S4，使用离子蒸发制备绝缘反射层，在欧姆接触层上制作出隔离槽，其位置与步骤S2所述预留N电极隔离槽为同心圆，相互嵌套，并将隔离槽底部绝缘层完全腐蚀，露出n-GaN；
步骤S5，在绝缘层上制作N电极，N电极金属与n-GaN层形成欧姆接触；
步骤S6，在N电极层上依次制作阻挡层、键合层；
步骤S7，在衬底上依次制作粘结层、键合层；
步骤S8，把步骤S6和步骤S7所得到的样品对准键合；
步骤S9，去掉缓冲层上的Si衬底；
步骤S10，对剥离Si衬底后的芯片进行粗糙化处理；
步骤S11，制作出LED图案，并且制作出所需的LED发光面芯片；
步骤S12，在发光面周围制作出电极图案，使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作电极，完成制作。
本发明的有益效果是：采用本发明的垂直结构芯片，由于N电极通过隔离槽穿过绝缘反射层、欧姆接触层、p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层，并与n-GaN层形成欧姆接触，不仅能减少对发光面出光的遮挡，改善了芯片边缘与孔内暗区等现象，发光光斑较为规则，更有利于产业链下游的光路设计；同时还在芯片内部形成更好的导热通道，从而改善了局部电流拥堵的问题，使得LED芯片在使用过程中局部温度过高的问题得到了大幅改善，甚至完全解决，从而延长了LED芯片的使用寿命。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种垂直结构LED芯片的正面结构示意图；
图2为本发明一种垂直结构LED芯片的俯视示意图；
图3为本发明一种垂直结构LED芯片的N电极结构俯视示意图；
图4为本发明一种垂直结构LED芯片制作方法的流程图；
附图标记说明：1、衬底层；2、粘结层；3、键合层；4、阻挡层；5、N电极层；6、绝缘反射层；7、欧姆接触层；8、外延片；9、P电极；501、N电极；801、p-GaN层；802、InGaN/GaN多量子阱层；803、n-GaN层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，一种垂直结构LED芯片，从下至上依次包括衬底层1、粘结层2、键合层3、阻挡层4、N电极层5、绝缘反射层6、欧姆接触层7、外延片8和分布在外延片8外侧的P电极9，所述外延片8从下至上依次包括p-GaN层801、InGaN/GaN多量子阱层802和n-GaN层803，所述p-GaN层801、InGaN/GaN多量子阱层802和n-GaN层803设置有连通的隔离槽，所述N电极层5上表面设置有N电极501，所述N电极501通过隔离槽穿过绝缘反射层6、欧姆接触层7、p-GaN层801、InGaN/GaN多量子阱层802，并与n-GaN层803形成欧姆接触。
在本实施例中，由于N电极通过隔离槽穿过绝缘反射层、欧姆接触层、p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层，并与n-GaN层形成欧姆接触，不仅能减少对发光面出光的遮挡，改善了芯片边缘与孔内暗区等现象，发光光斑较为规则，更有利于产业链下游的光路设计；同时还在芯片内部形成更好的导热通道，从而改善了局部电流拥堵的问题，使得LED芯片在使用过程中局部温度过高的问题得到了大幅改善，甚至完全解决，从而延长了LED芯片的使用寿命，可应用在要求使用较大电流的大功率或者超大功率市场，如单颗芯片5W或者10W以上的应用环境，此外，由于所述的LED由于受热更均匀，可靠性更高，使用寿命更长，相较于现有芯片，可以用于对可靠性要求更高，使用寿命要求更长，使用条件更苛刻的环境，如汽车大灯、极度高温或者极度寒冷环境中；
需要说明的是，所述的LED衬底层为包括但不仅限于Si衬底，其厚度在100um～1500um之间，所述衬底具有导电和导热能力。所述衬底的电阻率不大于0.01Ω·cm，所述衬底的导热系数不小于20W/(m.k)；所述的LED的粘结层为Cr、Ti、Ni、Pt、Au中的一种或者多种金属组合构成，其总厚度为10nm～1000nm；所述的LED的阻挡层为Ti、TiW、Cr、Ni、Al、Pt、Au多种金属组合构成，其厚度为1000nm～2000nm，其中包括1个或者多个Ti/Pt组合，或者包括1个或者多个Ti/Au组合，或者包含1个或者多个Pt/Au组合。
优选的，所述键合层3包括AuSn、NiSn、CuSn和AuSi中的一种或者多种材料。
优选的，所述键合层3的厚度为1000nm～9000nm。
优选的所述N电极层5包括Ti、Cr、Ni、Al、Pt和Au中的一种或者多种金属。
优选的，所述N电极层5的厚度为100nm～2000nm。
优选的所述绝缘反射层6包括SiO2、Si3N4和TiO2/Ti3O5。
优选的，所述绝缘反射层6的厚度为0.5um～4um。
在本实施例中，所述绝缘反射层6为离子蒸镀的DBR反射层，包括SiO2,Si3N4和TiO2/Ti3O5，蒸镀温度为100℃～200℃，沉积厚度为0.5um～4um之间；具有较高的电阻率和致密性，有良好的电绝缘效果和反射效果。
优选的，所述欧姆接触层7包括SnO2和InO2。
优选的，所述欧姆接触层7厚度为30nm～300nm。
在本实施例中，所述欧姆接触层7为电子束蒸发或溅射形成的ITO薄膜，包括SnO2和InO2，厚度为30nm～300nm。
一种垂直结构LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1，在Si衬底上生长缓冲层、n-GaN层803、InGaN/GaN多量子阱层802、p-GaN层801，形成LED外延片8；
步骤S2，在LED外延片8上，用光刻胶制作出N电极图案，并用电感耦合等离子体刻蚀的方法在外延片上刻蚀隔离槽，隔离槽穿过p-GaN层801、InGaN/GaN多量子阱层802到达n-GaN层803；
步骤S3，在LED外延片8上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制备欧姆接触层7，用光刻的方法制作出隔离槽，其位置与步骤S2所述预留N电极隔离槽为同心圆，相互嵌套；
步骤S4，使用离子蒸发制备绝缘反射层6，使用光刻的方法在预留N电极隔离槽的位置制作隔离槽，其孔径小于预留N电极孔的孔径，使用干法或湿法腐蚀绝缘层，使隔离槽底部绝缘层完全腐蚀，露出n-GaN层803；
步骤S5，在绝缘反射层6上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作N电极501，预留N电极501隔离槽的位置形成N电极柱，N电极金属与n-GaN层803形成欧姆接触，这种贯通的电极柱，不仅能减少对发光面出光的遮挡，同时还在芯片内部形成更好的导热通道；
步骤S6，在N电极层5上使用电子束蒸镀或者溅射的方法依次制作阻挡层4、键合层3；
步骤S7，在衬底上使用电子束蒸镀或者溅射的方法依次制作粘结层2、键合层3；
步骤S8，把步骤S6和步骤S7所得到的样品对准键合，通过这种键合，能较轻松的实现LED芯片p面和n面的翻转，从而成为后续制作垂直芯片的基础，而且大面积的金属键合能形成很好的导热效果；
步骤S9，使用研磨、化学腐蚀、等离子体刻蚀的方法去掉缓冲层上的Si衬底，使用这种方法，可以低成本，高效率，且对LED发光层无损伤地把衬底剥离；
步骤S10，使用热的碱性溶液或者碱的熔融物对剥离Si衬底后的芯片进行粗糙化处理；
步骤S11，使用光刻的方法制作出LED图案，再使用热的酸性溶液或者酸的熔融物，或者用电感耦合等离子体刻蚀的方法制作出所需的LED发光面芯片；
步骤S12，使用光刻的方法在发光面周围制作出电极图案，使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作电极，电极材料为Cr、Ti、Ni、Cu、Al、Pt、Au的一种或者多种材料组合形成，其厚度在500nm～5000nm之间。
所述LED芯片制作方法的实施例1：
(1)在Si衬底上使用MOCVD外延技术生长高质量缓冲层，再依次生长n-GaN层，InGaN/GaN多量子阱层，p-GaN层得到完整的LED外延片，厚度为2um～20um；
(2)在有机清洗槽中，将LED外延片放在丙酮中超声清洗5min；
(3)在有机清洗槽中，将LED外延片放在乙醇中超声清洗5min；
(4)在有机清洗槽中，将LED外延片放在去离子水中超声清洗10min；
(5)在酸清洗槽中，将LED外延片放在SPM中超声清洗10min；
(6)在有机清洗槽中，将LED外延片放在去离子水中超声清洗10min；
(7)将LED外延片放在旋干机中旋干，同时加入热N2吹干；
(8)采用光刻工艺，在LED外延片表面制备N电极预留通孔图形，N电极预留通孔半径为20um～30um；
(9)采用电感耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀外延片，依次刻蚀穿透p-GaN层和InGaN/GaN多量子阱层到达n-GaN层，在LED外延片上制备N电极预留通孔。刻蚀完成后使用有机去胶溶液清洗掉光刻胶；
(10)采用电子束蒸发工艺，在经清洗干燥后的LED外延片上沉积欧姆接触层，采用ITO的结构，其中ITO层的厚度为30nm～300nm；蒸镀完成后进行退火，形成良好的欧姆接触，退火温度在350℃～850℃；
(11)采用光刻工艺，在欧姆接触层表面制备N电极预留通孔图形，N电极预留通孔半径为40um～50um；
(12)采用酸溶液对欧姆接触层进行化学腐蚀，使N电极预留通孔处的欧姆接触层全部腐蚀干净，使用有机去胶溶液清洗掉光刻胶；
(13)采用离子蒸发方法在上述芯片表面生长DBR，其厚度为1.6um～3.2um，采用光刻工艺在DBR上制备N电极预留通孔图形，使用电感耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀干净通孔底部的DBR层，其通孔半径为10um～20um，使用有机去胶溶液清洗掉光刻胶；
(14)采用电子束蒸发工艺，在经清洗干燥后的LED芯片上依次蒸镀N电极层，阻挡层和键合层，通孔处形成N电极柱贯穿到n-GaN层，并相互形成欧姆接触；
(15)采用电子束蒸发工艺，在经清洗干燥后的Si衬底上依次蒸镀粘结层，键合层；
(16)所述(14)和(15)制作完成的样品经键合后固化到一起，使用研磨，化学腐蚀的方法，把外延片衬底剥离掉；
(17)使用热的碱性溶液对剥离Si衬底后的芯片进行粗糙化处理，本实例采用的是KOH的水溶液，溶液百分比浓度为0.05％～10％，温度为20℃～90℃；
(18)使用光刻的方法制作出发光区LED图案，再使用磷酸腐蚀GaN,制作出所需图形发光区的LED芯片；
(19)使用光刻的方法制作出发光面周围制作出电极图案，使用电子束蒸镀金属电极，电极材料为Cr/Al/Ni/Au，电极总厚度为2500nm～3000nm之间；
(20)所述垂直结构LED芯片即制作完成。
所述LED芯片制备方法的实施例2：
(1)在Si衬底上使用MOCVD外延技术生长高质量缓冲层，再依次生长n-GaN层，InGaN/GaN多量子阱层，p-GaN层得到完整的LED外延片，厚度为2um～20um；
(2)在有机清洗槽中，将LED外延片放在丙酮中超声清洗5min；
(3)在有机清洗槽中，将LED外延片放在乙醇中超声清洗5min；
(4)在有机清洗槽中，将LED外延片放在去离子水中超声清洗10min；
(5)在酸清洗槽中，将LED外延片放在SPM中超声清洗10min；
(6)在有机清洗槽中，将LED外延片放在去离子水中超声清洗10min；
(7)将LED外延片放在旋干机中旋干，同时加入热N2吹干；
(8)采用光刻工艺，在LED外延片表面制备N电极预留通孔图形，N电极预留通孔半径为20um～30um；
(9)采用电感耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀外延片，依次刻蚀穿透p-GaN层和InGaN/GaN多量子阱层到达n-GaN层，在LED外延片上制备N电极预留通孔。刻蚀完成后使用有机去胶溶液清洗掉光刻胶；
(10)采用电子束蒸发工艺，在经清洗干燥后的LED外延片上沉积欧姆接触层，采用ITO的结构，其中ITO层的厚度为30nm～300nm，蒸镀完成后进行退火，形成良好的欧姆接触，退火温度在350℃～850℃；
(11)采用光刻工艺，在欧姆接触层表面制备N电极预留通孔图形，N电极预留通孔半径为40um～50um；
(12)采用酸溶液对欧姆接触层进行化学腐蚀，使N电极预留通孔处的欧姆接触层全部腐蚀干净。使用有机去胶溶液清洗掉光刻胶；
(13)采用耐高温负胶光刻工艺，在欧姆接触层表面制备N电极预留通孔图形，N电极预留通孔半径为10um～20um，采用离子蒸发方法在上述芯片表面生长DBR，其厚度为1.6um～3.2um，蒸镀完成后剥离的方法制备N电极预留通孔，所述通孔与(8)所述N电极预留通孔为同心圆，相互嵌套；
(14)采用电子束蒸发工艺，在经清洗干燥后的LED芯片上依次蒸镀N电极层，阻挡层和键合层，通孔处形成N电极柱贯穿到n-GaN层，并相互形成欧姆接触；
(15)采用电子束蒸发工艺，在经清洗干燥后的Si衬底上依次蒸镀粘结层，键合层；
(16)所述(14)和(15)制作完成的样品经键合后固化到一起，使用研磨，化学腐蚀的方法，把外延片衬底剥离掉；
(17)使用热的碱性溶液对剥离Si衬底后的芯片进行粗糙化处理，本实例采用的是KOH的水溶液，溶液百分比浓度为0.05％～10％，温度为20℃～90℃；
(18)使用光刻的方法制作出发光区LED图案，再使用感应耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀GaN,制作出所需的圆形发光区的LED芯片；
(19)使用光刻的方法在发光面周围制作出电极图案，使用电子束蒸镀金属电极，电极材料为Cr/Al/Ni/Au，电极总厚度为2500nm～3000nm之间；
(20)所述垂直结构LED芯片即制作完成。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种垂直结构LED芯片，从下至上依次包括衬底层(1)、粘结层(2)、键合层(3)、阻挡层(4)、N电极层(5)、绝缘反射层(6)、欧姆接触层(7)、外延片(8)和分布在外延片(8)外侧的P电极(9)，其特征在于，所述外延片(8)从下至上依次包括p-GaN层(801)、InGaN/GaN多量子阱层(802)和n-GaN层(803)，所述p-GaN层(801)、InGaN/GaN多量子阱层(802)和n-GaN层(803)设置有连通的隔离槽，所述N电极层(5)上表面设置有N电极(501)，所述N电极(501)通过隔离槽穿过绝缘反射层(6)、欧姆接触层(7)、p-GaN层(801)、InGaN/GaN多量子阱层(802)，并与n-GaN层(803)形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述键合层(3)包括AuSn、NiSn、CuSn和AuSi中的一种或者多种材料。
3.根据权利要求2所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述键合层(3)的厚度为1000nm～9000nm。
4.根据权利要求3所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述N电极层(5)包括Ti、Cr、Ni、Al、Pt和Au中的一种或者多种金属。
5.根据权利要求4所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述N电极层(5)的厚度为100nm～2000nm。
6.根据权利要求5所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述绝缘反射层(6)包括SiO2、Si3N4和TiO2/Ti3O5。
7.根据权利要求6所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述绝缘反射层(6)的厚度为0.5um～4um。
8.根据权利要求7所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述欧姆接触层(7)包括SnO2和InO2。
9.根据权利要求8所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述欧姆接触层(7)厚度为30nm～300nm。
10.一种垂直结构LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1，在Si衬底上生长缓冲层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p-GaN层，形成LED外延片；
步骤S2，在LED外延片上制作出N电极图案，并在外延片上刻蚀隔离槽，所述隔离槽穿过p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层到达n-GaN层；
步骤S3，在LED外延片上制备欧姆接触层，并在欧姆接触层上制作出隔离槽，其位置与步骤S2所述预留N电极隔离槽为同心圆，相互嵌套；
步骤S4，使用离子蒸发制备绝缘反射层，在欧姆接触层上制作出隔离槽，其位置与步骤S2所述预留N电极隔离槽为同心圆，相互嵌套，并将隔离槽底部绝缘层完全腐蚀，露出n-GaN；
步骤S5，在绝缘层上制作N电极，N电极金属与n-GaN层形成欧姆接触；
步骤S6，在N电极层上依次制作阻挡层、键合层；
步骤S7，在衬底上依次制作粘结层、键合层；
步骤S8，把步骤S6和步骤S7所得到的样品对准键合；
步骤S9，去掉缓冲层上的Si衬底；
步骤S10，对剥离Si衬底后的芯片进行粗糙化处理；
步骤S11，制作出LED图案，并且制作出所需的LED发光面芯片；
步骤S12，在发光面周围制作出电极图案，使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作电极，完成制作。
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|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112186079A (zh) * | 2020-09-28 | 2021-01-05 | 厦门士兰明镓化合物半导体有限公司 | 垂直结构led芯片的制备方法 |
| CN112864291A (zh) * | 2021-01-13 | 2021-05-28 | 广州市艾佛光通科技有限公司 | 一种嵌入式led芯片及其制备方法 |
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| CN112864291A (zh) * | 2021-01-13 | 2021-05-28 | 广州市艾佛光通科技有限公司 | 一种嵌入式led芯片及其制备方法 |
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