CN111599910A - 一种垂直结构led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直结构LED芯片及其制备方法，从下往上依次包括衬底层、粘结层、键合层、保护层、反射层、p‑GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、n‑GaN层、钝化层和N电极；其中，反射层包括金属反射层和绝缘反射层，金属反射层的底面与保护层的上面连接，绝缘反射层设置在金属反射层的两端且与保护层连接；具有更好的光强均匀性，在芯片边缘设置了绝缘反射层，降低了边缘发光强度偏弱的影响，从而提高了反射层单位发光面积上的发光强度。使得相同发光面积下，使用垂直结构LED芯片的LED灯具有更高的发光通量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种垂直结构LED芯片及其制备方法。
背景技术
目前发光二极管(Light Emitting Diode，LED)已广泛用于室内外照明，室外照明、车灯以及手持照明等应用领域。发光二极管(Light Emitting Diode，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，发光效率低。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。可见，提高发光亮度和均匀性，改善芯片发热问题对大功率LED来说是非常有必要的。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种垂直结构 LED芯片及其制备方法，制备过程为使用MOCVD在衬底层上生长缓冲层，n-GaN层，InGaN/GaN多量子阱层，p-GaN层，形成LED 外延片；清洗干燥外延片，电子束蒸发金属反射层(欧姆接触层)制备，离子蒸发沉积绝缘反射层制备，保护层及键合层制备，键合并剥离衬底层，芯片表面粗糙化处理，芯片MESA制备，N电极制备。用上述制备方法制备的垂直结构LED芯片能克服现有大功率LED发光不均匀以及发光效率低的缺陷，增加了边缘反射层的反射面积从而提高了亮度，改善了传统芯片边缘发光不均、发光效率低现象，适用于大功率LED。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种垂直结构LED芯片，从下往上依次包括衬底层、粘结层、键合层、保护层、反射层、p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、n-GaN 层、钝化层和N电极；其中，反射层包括金属反射层和绝缘反射层，金属反射层的底面与保护层的上面连接，绝缘反射层设置在金属反射层的两端且与保护层连接；所述绝缘反射层为SiO2、Si3N4、TiO2、 Ti3O5中的一种或几种。优选地，绝缘反射层由SiO2、Si3N4、TiO2/Ti3O5组成。
本发明的LED芯片采用垂直线性结构，绝缘反射层设置在金属反射层的两端且两者均与保护层连接，增加了边缘反射层(即绝缘发射层)的反射面积，改变了传统LED芯片边缘发光不均和发光效率低的现象。
进一步，所述粘结层为Cr、Ti、Ni、Al、Pt和Au中的一种或几种，粘结层的总厚度为10nm～1000nm。优选地，粘结层含有Al金属，其中Al的厚度为100nm～1000nm。
再进一步，所述绝缘反射层的层数为15～45层，绝缘反射层的总厚度为0.5～4um。
进一步，所述衬底层的材料为硅或碳化硅。
再进一步，所述键合层为AuSn、NiSn、CuSn和AuSi中的至少一种，键合层的总厚度为1000～9000nm。
进一步，所述N电极的金属为Ti、Cr、Ni、Al、Pt和Au中的一种或几种，N电极的总厚度为500nm～5000nm。
垂直结构LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底层上生长n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p-GaN 层，形成LED外延片，LED外延片的厚度为2～20um；
2)在步骤1)所得的LED外延片上，制作出Mark点，Mark点主要用于后面工艺的对准，并在外延片上刻蚀；
3)在步骤2)所得的LED外延片上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制备金属反射层，蒸镀完成后进行退火，形成良好的欧姆接触，退火温度在250～850℃。
再用光刻的方法制作出芯片图形，然后使用湿法腐蚀的方法制备出金属反射层的图形；优选地，金属反射层采用Ni/Ag结构，其中Ni层的厚度为3nm～50nm，Ag层100nm～1000nm。
4)所述绝缘反射层采用离子蒸镀的方法沉积在步骤3)所得的 LED外延片上，使用光刻的方法制作绝缘反射层的图形，再使用干法或湿法腐蚀绝缘反射层，露出金属反射层；其中，蒸镀温度为 100～200℃，沉积厚度为0.5um～4um。
5)在步骤4)所得的LED外延片上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作保护层和键合层；
6)在另一片衬底层上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作粘结层；
7)将步骤5)所得的键合层和步骤6)所得的粘结层对准键合；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。
8)先进行研磨，再化学腐蚀，最后采用电感耦合等离子刻蚀的方法去除原衬底层；需要补充说明的是，此处的原衬底层为步骤1) 的衬底层。
9)使用热的碱性溶液或碱的熔融物对步骤8)所得的剥离衬底层的芯片进行粗糙化处理；优选地，采用KOH的水溶液，溶液百分比浓度为0.05％～10％，温度为20℃～90℃。
10)在经步骤9)处理的LED外延片上使用光刻的方法制作出 LED图案，再对LED图案进行刻蚀，得到LED发光面芯片；其中，刻蚀的方法可以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。
11)在步骤10)所得的LED芯片上沉积钝化层，使用光刻的方法制作出电极图案，使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作N电极，得到垂直结构LED芯片。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备的垂直结构LED芯片具有更好的光强均匀性，在芯片边缘设置了绝缘反射层，降低了边缘发光强度偏弱的影响，从而提高了反射层单位发光面积上的发光强度。使得相同发光面积下，使用垂直结构LED芯片的LED灯具有更高的发光通量。
(2)在垂直结构LED芯片的制备方法中，由于LED芯片整面都覆盖有反射层，增加了出光面积，改善了芯片边缘暗区等现象，发光光斑较为规则，更有利于产业链下游的光路设计。对于发光光斑有特别要求的应用领域，有更大的竞争力。
附图说明
图1为垂直结构LED芯片俯视示意图；
图2为垂直结构LED芯片正面结构示意图。
图中：1、衬底层；2、粘结层；3、键合层；4、保护层；5、金属反射层；6、绝缘反射层；61、发光面；7、p-GaN层；8、InGaN/GaN 多量子阱层；9、n-GaN层；10、钝化层；11、N电极。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1
一种垂直结构LED芯片，如图1所示，从下往上依次包括衬底层1、粘结层2、键合层3、保护层4、反射层、p-GaN层7、InGaN/GaN 多量子阱层8、n-GaN层9、钝化层10和N电极11，其中，反射层包括金属反射层5和绝缘反射层6，金属反射层5的底面与保护层4 的上面连接，绝缘反射层6设置在金属反射层5的两端且与保护层4 连接；所述金属反射层5为Ag和Ni，所述绝缘反射层6由SiO2、 Si3N4和TiO2/Ti3O5组成，所述绝缘反射层6的层数为15层，绝缘反射层6的总厚度为0.5um。衬底层1选用Si衬底。N电极11的材料选用Cr/Al/Ni/Au，N电极11的总厚度为2000nm。所述粘结层2为 Al，其中Al的厚度为100nm所述键合层3为AuSn，键合层3的总厚度为1000nm。
垂直结构LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底层上使用MOCVD外延技术生长n-GaN层9、 InGaN/GaN多量子阱层8和p-GaN层7，形成LED外延片；
然后将得到的LED外延片先后放入含有丙酮和异丙酮的有机清洗槽中各清洗5min，然后放入去离子水清洗槽中超声清洗10min，接着放入酸清洗槽中，在SPM(H2SO4、H2O2和H2O的混合液)中超声清洗10min，再放入去离子水清洗槽中超声清洗10min。最后将LED外延片放在旋干机中旋干，同时加入热N2吹干。
2)在步骤1)所得的LED外延片上，制作出Mark点，并用电感耦合等离子体刻蚀的方法在外延片上刻蚀，刻蚀完成后使用有机去胶溶液清洗掉光刻胶；
3)在步骤2)所得的LED外延片上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制备金属反射层5，蒸镀完成后进行退火，退火温度为250℃；
再用光刻的方法制作出芯片图形，然后采用硝酸溶液对金属反射层5进行化学腐蚀，制作出金属反射层5的图形，最后使用有机去胶溶液清洗掉光刻胶；其中，金属反射层5为Ni和Ag结构，Ni层的厚度为3nm，Ag层100nm。
4)所述绝缘反射层6采用离子蒸镀的方法沉积在步骤3)所得的金属反射层5上，再采用光刻工艺制作绝缘反射层6的图形，再使用干法或湿法腐蚀绝缘反射层6，露出金属反射层5；其中，蒸镀温度为100℃，沉积厚度为0.5um。
5)在步骤4)所得的LED外延片上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作保护层4和键合层3；
6)在衬底层1上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作粘结层2；
7)将步骤5)所得的键合层3和步骤6)所得的粘结层2对准键合；
8)先进行研磨，再化学腐蚀，最后采用电感耦合等离子刻蚀的方法去除原衬底层；需要补充说明的是，此处的原衬底层为步骤1) 的衬底层。
9)使用KOH的水溶液对步骤8)所得的芯片进行粗糙化处理；其中，KOH水溶液的百分比浓度为0.05％，温度为20℃。
10)在经步骤9)处理的LED外延片上制作出LED图案，再用 60℃的磷酸溶液对LED图案进行腐蚀，得到LED发光面61芯片。
11)如图2所示，在步骤10)所得的LED发光面61芯片上沉积钝化层10，使用光刻的方法制作出电极图案，使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作N电极11，得到垂直结构LED芯片。
实施例2
一种垂直结构LED芯片，如图1所示，从下往上依次包括衬底层1、粘结层2、键合层3、保护层4、反射层、p-GaN层7、InGaN/GaN 多量子阱层8、n-GaN层9、钝化层10和N电极11，其中，反射层包括金属反射层5和绝缘反射层6，金属反射层5的底面与保护层4 的上面连接，绝缘反射层6设置在金属反射层5的两端且与保护层4 连接；所述金属反射层5为Ag和Ni，所述绝缘反射层6由SiO2、 Si3N4和TiO2/Ti3O5组成，所述绝缘反射层6的层数为45层，绝缘反射层6的总厚度为4um。衬底层1选用Si衬底。N电极11的材料选用Cr/Al/Ni/Au，N电极11的总厚度为3000nm。所述粘结层2为 Ni/Al/Pt，粘结层2的总厚度为1000nm，其中Al的厚度为500nm。所述键合层3为CuSn和AuSi，键合层3的总厚度为9000nm。
垂直结构LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底层上使用MOCVD外延技术生长n-GaN层9、 InGaN/GaN多量子阱层8和p-GaN层7，形成LED外延片；
然后将得到的LED外延片先后放入含有丙酮和异丙酮的有机清洗槽中各清洗5min，然后放入去离子水清洗槽中超声清洗10min，接着放入酸清洗槽中，在SPM(H2SO4、H2O2和H2O的混合液)中超声清洗10min，再放入去离子水清洗槽中超声清洗10min。最后将LED外延片放在旋干机中旋干，同时加入热N2吹干。
2)在步骤1)所得的LED外延片上，制作出Mark点，并用电感耦合等离子体刻蚀的方法在外延片上刻蚀，刻蚀完成后使用有机去胶溶液清洗掉光刻胶；
3)在步骤2)所得的LED外延片上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制备金属反射层5，蒸镀完成后进行退火，退火温度为850℃；
再用光刻的方法制作出芯片图形，然后采用硝酸溶液对金属反射层5进行化学腐蚀，制作出金属反射层5的图形，最后使用有机去胶溶液清洗掉光刻胶；其中，金属反射层5为Ni和Ag结构，Ni层的厚度为50nm，Ag层的厚度为1000nm。
4)所述绝缘反射层6采用离子蒸镀的方法沉积在步骤3)所得的金属反射层5上，采用光刻工艺制作绝缘反射层6的图形，再使用干法或湿法腐蚀绝缘反射层6，露出金属反射层5；其中，蒸镀温度为200℃，沉积厚度为4um。
5)在步骤4)所得的LED外延片上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作保护层4和键合层3；
6)在衬底层1上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作粘结层2；
7)将步骤5)所得的键合层3和步骤6)所得的粘结层2对准键合；
8)先进行研磨，再化学腐蚀，最后采用电感耦合等离子刻蚀的方法去除原衬底层；需要补充说明的是，此处的原衬底层为步骤1) 的衬底层。
9)使用KOH的水溶液对步骤8)所得的芯片进行粗糙化处理；其中，KOH水溶液的百分比浓度为10％，温度为90℃。
10)在经步骤9)处理的LED外延片上制作出LED图案，再用电感耦合等离子体的方法对LED图案进行刻蚀，得到LED发光面61 芯片；
11)如图2所示，在步骤10)所得的LED发光面61芯片上沉积钝化层10，使用光刻的方法制作出电极图案，使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作N电极11，得到垂直结构LED芯片。
对比例1
将实施例1的反射层替换为只包括金属反射层5，金属反射层5 的材料与厚度均与实施例1一致。制备方法中删除步骤4)其余与实施例1相同。
实验验证
将实施例1-2和对比例1的LED芯片进行发光功率和发光面积的实验，并计算出发光效率，具体实验数据如下表：
表1实施例1-2和对比例1的LED芯片的光学数据
从表1可知，实施例1-2的垂直结构LED芯片的发光功率、发光面积和发光效率均大于对比例1，说明绝缘反射层6和金属反射层 5的组合能使得相同发光面积下，使用垂直结构LED芯片的LED灯具有更高的发光通量。能有效改善了LED芯片边缘暗区等现象，更有利于产业链下游的光路设计。对于发光光斑有特别要求的应用领域，有更大的竞争力。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种垂直结构LED芯片，其特征在于，从下往上依次包括衬底层、粘结层、键合层、保护层、反射层、p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、n-GaN层、钝化层和N电极；其中，反射层包括金属反射层和绝缘反射层，金属反射层的底面与保护层的上面连接，绝缘反射层设置在金属反射层的两端且与保护层连接；所述金属反射层为Ag、Ti和Ni中的至少一种，所述绝缘反射层为SiO2、Si3N4、TiO2、Ti3O5中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述粘结层为Cr、Ti、Ni、Al、Pt和Au中的一种或几种，粘结层的总厚度为10nm～1000nm。
3.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述绝缘反射层的层数为15～45层，绝缘反射层的总厚度为0.5～4um。
4.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述衬底层的材料为硅或碳化硅。
5.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述键合层为AuSn、NiSn、CuSn和AuSi中的至少一种，键合层的总厚度为1000～9000nm。
6.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片，其特征在于，所述N电极的金属为Ti、Cr、Ni、Al、Pt和Au中的一种或几种，N电极的总厚度为500nm～5000nm。
7.如权利要求1-6任一所述的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在衬底层上生长n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p-GaN层，形成LED外延片；
2)在步骤1)所得的LED外延片上，制作出Mark点，并在外延片上刻蚀；
3)在步骤2)所得的LED外延片上制作金属反射层；
4)在步骤3)所得的金属反射层上制备出绝缘反射层，再腐蚀绝缘反射层，露出金属反射层；
5)在步骤4)所得的LED外延片上制作保护层和键合层；
6)在另一片衬底层上制作粘结层；
7)将步骤5)所得的键合层和步骤6)所得的粘结层对准键合；
8)剥离步骤7)所得外延片的原衬底层；
9)对步骤8)所得的LED外延片进行粗糙化处理；
10)在经步骤9)处理的LED外延片上制作出LED图案，再对LED图案进行刻蚀，得到LED发光面芯片；
11)在步骤10)所得的LED发光面芯片沉积钝化层，再使用光刻工艺在芯片上制作出电极图案，再制作N电极，得到垂直结构LED芯片。
8.如权利要求7所述的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述绝缘反射层采用离子蒸镀的方法沉积在金属反射层上，蒸镀温度为100～200℃，沉积厚度为0.5um～4um。
9.如权利要求7所述的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于，步骤8)中，剥离衬底层的方法为：先进行研磨，再化学腐蚀，最后采用电感耦合等离子刻蚀的方法。
10.如权利要求7所述的垂直结构LED芯片的制备方法，其特征在于，步骤9)中，使用热的碱性溶液或碱的熔融物对剥离衬底层的芯片进行粗糙化处理；步骤10)中，采用热的酸性溶液或酸的熔融物进行刻蚀。
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