CN112864291A - 一种嵌入式led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种嵌入式LED芯片及其制备方法，该LED芯片包括：导电衬底、第一键合金属层、第二键合金属层、功能层、柱状P电极和柱状N电极；所述导电衬底、所述第一键合金属层、所述第二键合金属层和所述功能层按照从下向上的顺序依次排布；所述柱状P电极依次穿透所述导电衬底、所述第一键合金属层、所述第二键合金属层与所述功能层底部接触形成电导通，并且所述柱状P电极与所述导电衬底底部齐平；所述柱状N电极位于所述功能层内部，并且所述柱状N电极底部与所述第二键合金属层接触形成电导通。本发明的LED芯片除了具有嵌入式电极结构的优势外，P电极的特殊嵌入方式有效避免了以往制作电极而损失的一部分发光面积，提升了芯片的光输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片制造技术领域，具体涉及一种嵌入式LED芯片及其制备方法。
背景技术
随着LED照明市场份额的不断扩大，对于LED的光效等照明性能的要求也越来越高，从普通家庭照明灯具逐步发展到需要更高功率的路灯、车前灯系统，市场对于大功率大尺寸甚至超大尺寸的LED芯片的需求越来越成为主流。超大功率，超大尺寸LED首先面对的第一个问题就是电流拥挤。嵌入式电极结构LED芯片相较于传统结构的芯片有许多优点：电流扩展性更好、导电性能更优、散热性能更佳以及光提取率更高。
嵌入式电极结构LED芯片弥补了传统垂直结构芯片的不足，使得LED的照明性能更上一层楼。然而嵌入式电极结构芯片仍然存在一些问题，如：现有P电极的制作使得芯片要牺牲一定面积的发光区域，发光面积的减小会降低LED的光输出功率。因此，在不损失有源区发光区域的前提下如何在嵌入式电极结构中制作P电极一直是一个技术难点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种嵌入式LED芯片及其制备方法。该LED芯片的设计思路是通过将柱状P电极制作于LED芯片底部，避免了传统结构电极制作损失的一部分芯片发光面积，有效提升了芯片的光输出功率。本发明的技术方案为：
第一个方面，本发明提供一种嵌入式LED芯片，包括：导电衬底、第一键合金属层、第二键合金属层、功能层、柱状P电极和柱状N电极；所述导电衬底、所述第一键合金属层、所述第二键合金属层和所述功能层按照从下向上的顺序依次排布；所述柱状P电极依次穿透所述导电衬底、所述第一键合金属层、所述第二键合金属层与所述功能层底部接触形成电导通，并且所述柱状P电极与所述导电衬底底部齐平；所述柱状N电极位于所述功能层内部，并且所述柱状N电极底部与所述第二键合金属层接触形成电导通。
优选地，所述导电衬底为Si衬底，厚度为100-500μm。
进一步地，所述导电衬底与所述柱状P电极之间还设有第一绝缘层。
进一步地，所述功能层与所述柱状N电极之间、所述功能层与所述第二键合金属层之间还设有第二绝缘层。
优选地，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层为SiO2绝缘层，厚度为100nm-5μm。此外，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层还可以采用空气或其他绝缘材料作为绝缘层。
进一步地，所述第一键合层和所述第二键合层为Ni、Au、Sn、Ti中的一种，厚度为200nm-5μm。
进一步地，所述功能层按照从下向上的顺序依次包括：p接触反射镜金属层、p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、n型GaN层，所述p接触反射镜金属层与所述柱状P电极形成欧姆接触，所述n型GaN层与所述柱状N电极形成欧姆接触。
进一步地，所述p接触反射镜金属层包括金属层，所述p接触反射镜金属层厚度为50-5000nm。
优选地，所述金属层的金属为Ag和Ni中的一种或两种。
可选地，所述p接触反射镜金属层还包括设置在所述金属层底部的保护层，所述保护层厚度为50-300nm。
优选地，所述保护层为TiW层。
第二个方面，本发明提供上述嵌入式LED芯片的一种制备方法，包括以下步骤：
步骤一，在外延衬底上制备所述功能层，得到LED外延片；
步骤二，在所述LED外延片内开设嵌入式柱状N电极通道，并在所述嵌入式柱状N电极通道内形成所述柱状N电极；
步骤三，将嵌设完所述柱状N电极的LED外延片的功能层与上段柱状P电极接触形成电导通；
步骤四，在所述上端P电极外围和上方形成第二键合层，得到第一晶圆；
步骤五，在所述导电衬底内开设嵌入式柱状P电极通道，并在所述嵌入式柱状P电极通道内形成下段柱状P电极；
步骤六，在所述导电衬底及所述下段柱状P电极上方形成第一键合层，得到第二晶圆；
步骤七，将所述第一晶圆翻转后和所述第二晶圆的键合层进行表面活化后键合，以使所述上端P电极和所述下段柱状P电极形成完整的所述柱状P电极，之后剥离所述外延衬底，即得。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的LED芯片除了具有嵌入式电极结构的优势外，P电极的特殊嵌入方式有效避免了以往制作电极而损失的一部分发光面积，提升了芯片的光输出功率。此外，本发明LED芯片的制备方法流程简单，成品率高，适用于工业化生产，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备所得第一晶圆的剖视图。
图2为本发明实施例1中制备所得第二晶圆的剖视图。
图3为以实施例1的图1与图2经过倒装键合的剖视图。
图4为本发明实施例1中将外延衬底剥离的剖视图。
图5为本发明实施例1获得的LED芯片的剖视图。
图6为本发明实施例1获得的LED芯片的俯视图。
图7为本发明实施例1获得的LED芯片的底部电极图。
图8为本发明实施例2获得的LED芯片的剖视图。
图9为本发明实施例3获得的LED芯片的剖视图。
图10为本发明对比例1获得的LED芯片的剖视图。
图1～8中，110-导电衬底，112-第一键合金属层，109-第二键合金属层，105-P接触反射镜金属层，104-P型GaN层，103-InGaN/GaN多量子阱层，102-n型GaN层，108-柱状P电极，107柱状N电极，111-第一绝缘层，106-第二绝缘层，1081-上段柱状P电极，1082-下段柱状P电极。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
本实施例提供了一种嵌入式LED芯片，如图5所示，所述嵌入式LED芯片包括：导电Si衬底110、第一键合金属层112、第二键合金属层109、功能层、柱状P电极108和柱状N电极107；所述导电Si衬底110、所述第一键合金属层112、所述第二键合金属层109和所述功能层按照从下向上的顺序依次排布；所述柱状P电极108依次穿透所述导电Si衬底110、所述第一键合金属层112、所述第二键合金属层109与所述功能层底部接触形成电导通，并且所述柱状P电极108与所述导电Si衬底110底部齐平；所述柱状N电极107位于所述功能层内部，并且所述柱状N电极107底部与所述第二键合金属层109接触形成电导通。所述功能层按照从下向上的顺序依次包括：p接触反射镜金属层105、p型GaN层104、InGaN/GaN多量子阱层103、n型GaN层102，所述p接触反射镜金属层105与所述柱状P电极108形成欧姆接触，所述n型GaN层102与所述柱状N电极107形成欧姆接触。所述导电Si衬底110与所述柱状P电极108之间还设有第一绝缘层111。所述功能层与所述柱状N电极107之间、所述功能层与所述第二键合金属层109之间还设有第二绝缘层106。
在本实施例中，所述导电衬底110为Si衬底，厚度为400μm。
在本实施例中，所述第一绝缘层111和所述第二绝缘层106为SiO2绝缘层，厚度分别为5μm和2μm。此外，所述第一绝缘层111和所述第二绝缘层106还可以采用空气或其他绝缘材料作为绝缘层。
在本实施例中，所述p接触反射镜金属层105包括p接触反射镜金属和保护层(图中未显示)。所述p接触反射镜金属为Ag层和Ni层交替生长2个周期形成的，每个周期中Ag层的厚度为100nm，Ni层的厚度为25nm；所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为80nm。所述p型GaN层104的厚度为200nm。所述InGaN/GaN多量子阱层103为6个循环周期，总厚度为40nm。所述n型GaN层102的厚度为3μm。
在本实施例中，所述柱状P电极108为Cr电极、Pt电极和Au电极组成的复合电极。所述柱状N电极107为Cr电极与Al电极组合的复合电极。
在本实施例中，所述第一键合金属层112为Au，厚度为200nm。第二键合金属层109为Ni，厚度为500nm。
本实施例还提供了所述嵌入式LED芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)取外延衬底(Si衬底)，采用MOCVD设备在所述外延衬底101(Si衬底)上依次生长5um厚的AlGaN缓冲层、n型Ga N层102、InGaN/GaN多量子阱层103和p型GaN层104。继续使用电子束蒸发设备在p型GaN层104上沉积p接触反射镜金属层105，得LED外延片；金属蒸发速率为15埃/秒；
(2)在LED外延片上制备出两个依次贯穿p接触反射镜金属层105、p型GaN层104、InGa N/Ga N多量子阱发光层103并延伸至n型GaN层102内部的孔结构，得嵌入式柱状N电极通道；
(3)在p接触反射镜金属层105的上表面以及通孔结构的内壁上用PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)生长第二绝缘层106，使其完全覆盖p接触反射镜金属层105，通孔结构内壁和底部，再通过选择性酸腐去除通孔结构底部的第二绝缘层106，暴露出通孔结构的孔底；
(4)在通孔结构内沉积n电极，形成嵌入式柱状N电极107；
(5)使用光刻加刻蚀的方法在第二绝缘层106内部形成空隙以及一段贯穿第二绝缘层106、暴露出p接触反射镜金属层105的柱状孔；在通孔结构内沉积上段柱状p电极1081；
(6)采用电子束蒸发设备在第二绝缘层106以及上段柱状p电极1081顶端沉积Ni第二金属键合层109，之后采用光刻以及湿法刻蚀工艺将位于空隙内的金属键合层除去以得到第一晶圆如图1所示；
(7)将另一导电衬底110采用深硅刻蚀工艺刻出一空气隙以及贯穿Si衬底的柱状通孔结构；再次采用PECVD在柱状通孔结构内生长第一绝缘层111，并且选取酸腐去除通孔结构底部的第一绝缘层111，暴露出通孔结构的孔底；
(8)在通孔结构内沉积下段柱状p电极1082；
(9)采用电子束蒸发设备在导电衬底110以及下段柱状p电极1082底端上沉积Au第一金属键合层112，之后采用光刻以及湿法刻蚀工艺将位于空隙内的金属键合层除去以得到第二晶圆如图2所示；
(10)将第一晶圆翻转后和第二晶圆分别以键合层109和键合层112为接触面送入键合机中进行预键合，以使所述上端P电极1081和所述下段柱状P电极1082形成完整柱状P电极108，键合过程中从第二晶圆的转移衬底110的中心处开始施加压力，并逐渐向边缘拓展，达到键合压力2MPa后，在300℃温度下键合2h，随后退火，取出后送入退火炉，200℃下保温30min，预键合的晶圆间形成牢固的键合，形成空气隙，如图3所示；
(11)将所述双衬底LED外延片的外延衬底经过机械研磨再浸没于氢氟酸、冰乙酸和硝酸的混合液中(氢氟酸：冰乙酸：硝酸(物质的量浓度)＝5:1:5)，腐蚀至外延衬底101消失为止，再采用ICP刻蚀去除AlGaN缓冲层，暴露出n型Ga N层102，最终得到新型LED芯片，如图4～7所示。
通过本实施例制备的尺寸为50mil的芯片所封装后的白光LED灯珠，在350mA测试电流下，光输出功率可以达到478.2mW。
实施例2
本实施例提供了一种嵌入式LED芯片，与实施例1的区别主要体现在柱状P电极的制作过程不同，本实施例是将未进行光刻刻蚀P型孔、P电极沉积的第一晶圆与第二晶圆键合后，再通过光刻刻蚀等工艺制作出P电极的柱状电极孔，之后通过PECVD生长绝缘层在P电极孔的内部，最后通过金属蒸镀工艺沉积P电极在柱状孔内，该LED芯片的结构如图8所示。其他制备步骤及调节控制参数均与实施例1一致。
通过本实施例制备的尺寸为50mil的芯片所封装后的白光LED灯珠，在350mA测试电流下，光输出功率可以达到475.4mW。
实施例3
本实施例提供了嵌入式LED芯片，与实施例1的区别主要在于在制作好P电极柱状孔后，将原始的空隙采用PECVD进行SiO2绝缘层沉积，同理在第二晶圆的制备中也不保留空隙，最终芯片的成品结构中相较于实施例1原先的空隙由SiO2绝缘层代替，该LED芯片的结构如图9所示。此结构使用SiO2代替实施例1中不起支撑作用的空隙，芯片结构更加稳定，因此在力学性能上会略优于实施例1。
通过本实施例制备的尺寸为50mil的芯片所封装后的白光LED灯珠，在350mA测试电流下，光输出功率可以达到477.4mW。
对比例1
本对比例提供现有Si基LED芯片的结构及制备方法，主要结构如图10所示，与本发明的主要区别在于P电极的制备，传统结构将P电极制作于倒装后芯片的上方，通过光刻刻蚀工艺将P电极与芯片的功能层连接形成电导通，但该种方式在制作时牺牲了一部分发光区域的面积，制备所得的50mil芯片所封装后的白光LED灯珠，在350mA的时候发光功率为430.3mW，而采用本发明芯片所封装后的白光LED灯珠在此基础上光输出功率提升了10％以上。
综上所述，本发明的LED芯片除了具有嵌入式电极结构的优势外，P电极的特殊嵌入方式有效避免了以往制作电极而损失的一部分发光面积，提升了芯片的光输出功率。此外，本发明LED芯片的制备方法流程简单，成品率高，适用于工业化生产，具有很好的应用前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种嵌入式LED芯片，其特征在于：包括：导电衬底、第一键合金属层、第二键合金属层、功能层、柱状P电极和柱状N电极；所述导电衬底、所述第一键合金属层、所述第二键合金属层和所述功能层按照从下向上的顺序依次排布；所述柱状P电极依次穿透所述导电衬底、所述第一键合金属层、所述第二键合金属层与所述功能层底部接触形成电导通，并且所述柱状P电极与所述导电衬底底部齐平；所述柱状N电极位于所述功能层内部，并且所述柱状N电极底部与所述第二键合金属层接触形成电导通。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式LED芯片，其特征在于：所述导电衬底与所述柱状P电极之间还设有第一绝缘层。
3.根据权利要求2所述的一种嵌入式LED芯片，其特征在于：所述功能层与所述柱状N电极之间、所述功能层与所述第二键合金属层之间还设有第二绝缘层。
4.根据权利要求3所述的一种嵌入式LED芯片，其特征在于：所述第一绝缘层和所述第二绝缘层为SiO2绝缘层，厚度为100nm-5μm。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式LED芯片，其特征在于：所述第一键合金属层和所述第二键合金属层为Ni、Au、Sn、Ti中的一种，厚度为200nm-5μm。
6.根据权利要求1所述的一种嵌入式LED芯片，其特征在于：所述制备方法还包括：所述功能层按照从下向上的顺序依次包括：p接触反射镜金属层、p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、n型GaN层，所述p接触反射镜金属层与所述柱状P电极形成欧姆接触，所述n型GaN层与所述柱状N电极形成欧姆接触。
7.根据权利要求6所述的一种嵌入式LED芯片，其特征在于：所述p接触反射镜金属层包括金属层，所述p接触反射镜金属层厚度为50-5000nm。
8.根据权利要求7所述的一种嵌入式LED芯片，其特征在于：所述金属层的金属为Ag和Ni中的一种或两种。
9.根据权利要求7或8所述的一种嵌入式LED芯片，其特征在于：所述p接触反射镜金属层还包括设置在所述金属层底部的保护层，所述保护层厚度为50-300nm。
10.权利要求1～9任意一项所述的电极共面LED芯片的一种制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，在外延衬底上制备所述功能层，得到LED外延片；
步骤二，在所述LED外延片内开设嵌入式柱状N电极通道，并在所述嵌入式柱状N电极通道内形成所述柱状N电极；
步骤三，将嵌设完所述柱状N电极的LED外延片的功能层与上段柱状P电极接触形成电导通；
步骤四，在所述上端P电极外围和上方形成第二键合层，得到第一晶圆；
步骤五，在所述导电衬底内开设嵌入式柱状P电极通道，并在所述嵌入式柱状P电极通道内形成下段柱状P电极；
步骤六，在所述导电衬底及所述下段柱状P电极上方形成第一键合层，得到第二晶圆；
步骤七，将所述第一晶圆翻转后和所述第二晶圆的键合层进行表面活化后键合，以使所述上端P电极和所述下段柱状P电极形成完整的所述柱状P电极，之后剥离所述外延衬底，即得。
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