CN113555484A - 高光萃取率的高光效倒装led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高光萃取率的高光效倒装LED芯片及其制备方法，其包括由N型层、MQW量子阱层和P型层层叠的外延结构，第一开口沿外延结构的边缘布置，第二开口靠近其中心区域布置，第一和第二开口延伸至N型层，电流扩展层布置于P型层上，钝化绝缘层沿第一、第二开口和电流扩展层的表面布置，其中布置于电流扩展层表面的钝化绝缘层中设置有多个孔洞，孔洞暴露电流扩展层；金属反射层布置于P型层上方的钝化绝缘层上，钝化绝缘层包含多个层叠的钝化绝缘层子层，子层的折射率沿电流扩展层指向金属反射层的方向逐渐减小。本发明的芯片结构增大了入射角，光提取效率、芯片表面电流注入均匀性均得以提高，降低了电压、提高了亮度和光效。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及其照明制造领域，尤其涉及一种高光萃取率的高光效倒装LED芯片及其制备方法。
背景技术
LED作为新一代的固体冷光源，具有低能耗、寿命长、易控制、安全环保等特点，是理想的节能环保产品，适用各种照明场所。
传统LED芯片一般为蓝宝石衬底，散热性能较差，容易使发生漏电、光衰严重、电压高等问题，严重影响LED芯片的可靠性能。
倒装LED芯片和传统LED芯片相比，具有发光效率高、电流分布均匀、散热好、电压降低、效率高等优点。倒装LED芯片目前普遍采用ITO+Ag镜、ITO+DBR或ITO+Ag镜+DBR复合反射层做反射镜。一般使用ITO为电流扩展层，用来增大电流横向扩展效应；但局部区域电流扩展效应仍然比较差尤其是LED芯片的四周边缘位置，电流扩展效应差会引起电压高。同时，在反射层界面部分因为存在折射率的差异，导致反射界面上出现较大的光损失。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的首要目的是提供一直高光萃取率的高光效倒装LED芯片及其制备方法。该高光效倒装LED芯片在电流扩展层与金属反射层之间设置折射率介于电流扩展层与金属反射层之间的钝化绝缘层，该钝化绝缘层由多个折射率渐变的钝化绝缘层子层构成，具体地，沿电流扩展层指向金属反射层的方向上，钝化绝缘层子层的折射率依次减小。该钝化绝缘层覆盖于整个芯片的表面，使得从GaN出射的光经过折射率渐变的三种介质时光路改变、入射角增大、增加光提取效率；通过多层不同折射率(依次变化)的介质层叠加而成的钝化绝缘层结构，增大了临界角，从而减少光线在界面的损耗，增加了光萃取效率。
同时，P型GaN上形成的钝化绝缘层孔洞形成的电流扩展二次分布效应，使电流扩展铺满整个倒装LED芯片表面(芯片中间及四周边缘)，大大改善了整个倒装LED芯片整个表面各个区域的电流注入情况，提高了倒装LED芯片表面电流注入均匀性，降低了电压、提高了亮度、进一步提高了光效；钝化绝缘层还覆盖在外延层叠结构上开口区域的量子阱表面，形成了侧壁保护，量子阱侧壁的覆盖保护，防止了Ag迁移到量子阱位置而漏电，提高了芯片的良率。本发明所提供的技术方案适用于倒装结构的LED芯片、垂直结构的LED芯片等相关技术领域。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一方面提供一种高光萃取率的高光效倒装LED芯片，包括：衬底；
外延层叠结构，设置于衬底上，其包括依次层叠的N型半导体层、MQW量子阱层和P型半导体层，其中，沿该外延层叠结构的边缘位置布置有第一开口，靠近该外延层叠结构的中心区域布置有第二开口，第一开口和第二开口沿P型半导体层延伸至N型半导体层中一定深度；
电流扩展层，布置于P型半导体层上；
钝化绝缘层，沿第一开口、第二开口和电流扩展层的表面布置，其中布置于电流扩展层表面的钝化绝缘层中设置有多个钝化绝缘层孔洞，该孔洞暴露电流扩展层；
包括Ag镜金属层和Ag镜金属绝缘层的金属反射层，布置于P型半导体层上方的钝化绝缘层上，填充所述孔洞，所述Ag镜金属层靠近所述电流扩展层；
绝缘钝化层，布置于所述钝化绝缘层和金属反射层的表面；
其中，所述钝化绝缘层包含多个层叠的钝化绝缘层子层，所述钝化绝缘层子层的折射率沿所述电流扩展层指向所述金属反射层的方向逐渐减小。
进一步地，所述孔洞均匀布置于所述电流扩展层的表面。
进一步地，还包括，布置于绝缘钝化层上的正焊盘电极，通过绝缘钝化层上的电极窗口与P型半导体层连接；布置于绝缘钝化层上的负焊盘电极，通过第二开口处的电极窗口与N型半导体层连接。
进一步地，所述Ag镜金属绝缘层包括Ti、W、Al、Ni、Pt中的一种。
进一步地，所述P型半导体层优选GaN，所属N型半导体层优选GaN。
进一步地，所述钝化绝缘层的厚度选用
本发明的另一方面提供一种高光萃取率的高光效倒装LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
在衬底上依次外延生长N型半导体层、MQW量子阱层和P型半导体层的外延层叠结构；
刻蚀所述外延层叠结构至N型半导体层中一定深度形成第一开口和第二开口，第一开口位于外延层叠结构的边缘位置，第二开口靠近外延层叠结构的中心区域；
在所述P型半导体层上沉积电流扩展层；
沉积钝化绝缘层，在电流扩展层上的钝化绝缘层表面形成多个孔洞暴露所述电流扩展层，所述钝化绝缘层包含多个层叠的钝化绝缘层子层，所述钝化绝缘层子层的折射率沿所述电流扩展层指向所述金属反射层的方向减小；
在P型半导体层上的钝化绝缘层表面沉积包括Ag镜金属层和Ag镜金属绝缘层的金属反射层，所述Ag镜金属层靠近所述电流扩展层；
沉积绝缘钝化层，刻蚀所述第二开口区域的绝缘钝化层和钝化绝缘层暴露所述P型半导体层形成N电极窗口，刻蚀第一开口区域和第二开口区域之间的绝缘钝化层形成P电极窗口；
在P电极窗口和N电极窗口内淀积金属电极层形成正焊盘电极和负焊盘电极。
进一步地，选用湿法蚀刻在钝化绝缘层的表面形成多个孔洞。
附图说明
图1是本发明一实施例的高光效倒装LED芯片结构示意图。
图2至图9是本发明一实施例的高光效倒装LED芯片制备工艺流程示意图。
具体实施方式
接下来将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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的前提下所获得的其它实施例，均属于本发明保护的范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从公开商业途径获得。
本说明书中使用例如“之下”、“下方”、“下”、“之上”、“上方”、“上”等空间相对性术语，以解释一个元件相对于第二元件的定位。除了与图中所示那些不同的取向以外，这些术语意在涵盖器件的不同取向。
另外，使用诸如“第一”、“第二”等术语描述各个元件、层、区域、区段等，并非意在进行限制。使用的“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等是开放式术语，表示存在所陈述的元件或特征，但不排除额外的元件或特征。除非上下文明确做出不同表述。
本发明一实施例提供一种高光萃取率的高光效倒装LED芯片，参见图1，该高光效倒装LED芯片包括衬底1、设置在衬底1上的外延层叠结构，衬底1选用图形化衬底；外延层叠结构包括依次层叠的N型半导体层、MQW量子阱层和P型半导体层。N型半导体层优选N型GaN，P型半导体层优选P型GaN。沿外延层叠结构的边缘位置布置有第一开口6，靠近外延层叠结构的中心区域布置有第二开口5，其中第一开口和第二开口沿P型半导体层延伸至N型半导体层中一定深度，暴露N型半导体层。
还包括布置于P型半导体层4上的电流扩展层7，电流扩展层优选透明ITO材料。钝化绝缘层8，沿第一开口、第二开口和电流扩展层的表面布置，其中布置于电流扩展层7表面的钝化绝缘层8中设置有多个钝化绝缘层孔洞9，该孔洞暴露电流扩展层。钝化绝缘层孔洞9的孔洞形状、孔洞大小、排布规则、孔洞个数视具体情况而定。钝化绝缘层孔洞9只覆盖P型GaN层4表面的电流扩展层7上；位于电流扩展层7上方的钝化绝缘层8，使得倒装LED芯片电流经过后续的Ag镜金属反射层后，无法直接向下纵向扩展至钝化绝缘层8下方的电流扩展层7，此时倒装LED芯片电流就必须先在Ag镜金属反射层内进行横向扩展到达整个倒装LED芯片表面所有的所述钝化绝缘层孔洞9，而后电流再经过钝化绝缘层孔洞9向下纵向扩展至电流扩展层7及P型GaN层4。钝化绝缘层孔洞9，强制改变电流扩展途径，使电流扩展铺满整个倒装LED芯片表面(芯片中间及周围边缘)的现象，称之为电流扩展二次分布效应。这种电流扩展二次分布效应，大大改善了倒装LED芯片整个表面的各个区域的电流注入情况，提高了倒装LED芯片表面电流注入均匀性，降低了电压、提高了亮度、增大了光效。
金属反射层10布置于P型半导体层4上方的钝化绝缘层8上，填充孔洞9。金属反射层10包括Ag镜金属层和Ag镜金属绝缘层，其中Ag镜金属层靠近电流扩展层7。Ag镜金属绝缘层包括Ti、W、Al、Ni、Pt等金属，保护Ag镜金属层，以防在后续的绝缘钝化层沉积时Ag镜金属层氧化、绝缘钝化层蚀刻时Ag镜金属层被刻蚀。
钝化绝缘层8选用膜层致密、绝缘性好且透光率高、吸光性差的绝缘物质，例如含Si、O、N的物质等。钝化绝缘层的折射率介于电流扩展层与Ag镜金属层之间。在一优选实施例中，钝化绝缘层包括多个层叠的钝化绝缘层子层，钝化绝缘层子层的折射率沿电流扩展层指向金属反射层的方向减小。即，靠近电流扩展层的钝化绝缘层折射率最大、靠近金属反射层的钝化绝缘层折射率最小。GaN的折射率约为2.4，ITO电流扩展层的折射率约为2，折射率沿GaN指向钝化绝缘层的方向依次减小。根据斯涅耳定律，光在两种介质中传播时，临界角的增加将会有利于提高光萃取效率，通过多层不同折射率(依次变化)的介质层叠加而成的绝缘层结构，可以增大临界角，从而减少光线在界面的损耗，增加光萃取效率。钝化绝缘层8还覆盖在芯片中间部分第二开口5处以及芯粒边缘的第一开口6露出的量子阱，以防量子阱露出导致后续Ag迁移到此而漏电，因此钝化绝缘层厚度不可过小，优选
绝缘钝化层11布置于钝化绝缘层8和金属反射层10的表面。绝缘钝化层11致密且厚度一定，可选用SiO2、SiNx、SiO2+SiNx复合层、SiOxNy、Ti2O5等材料。
第二开口6区域设置有N电极窗口，N电极窗口沿绝缘钝化层11延伸至N型半导体层表面，暴露N型半导体层。绝缘钝化层11上设置有多个P电极窗口，正焊盘电极12设置于绝缘钝化层11上通过P电极窗口与P型半导体层连接。负焊盘电极13设置于绝缘钝化层11上，通过N电极窗口与N型半导体层连接。
基于上述高光效倒装LED芯片，本发明还提供了该高光效倒装LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
首先，提供一图形化衬底1，通过MOCVD工艺在所述图形化衬底1上依次生长N型GaN层2、MQW量子阱3和P型GaN层4，形成LED芯片外延结构，如图2。
接着使用光刻胶做掩膜，经ICP(电感耦合等离子体刻蚀)刻蚀局部区域的P型GaN层4，露出芯片中间部分N型GaN层形成第二开口5、露出芯片边缘的N型GaN层形成第一开口6，如图3。
继续通过电子束沉积或磁控溅射沉积工艺，使用光刻胶做掩膜，在P型GaN层4表面制作透明ITO电流扩展层7，如图4。
接着，选用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)工艺、磁控溅射或电子束蒸发工艺，在芯片表面沉积一层钝化绝缘层8，如图5。钝化绝缘层8为膜层致密、绝缘性好且透光率高、吸光性差的绝缘物质如含Si、O、N的物质等。钝化绝缘层的折射率介于ITO与反射镜之间。在一优选方案中，钝化绝缘层为多层折射率依次变化的介质层叠加而成，靠近电流扩展层的钝化绝缘层折射率最大、靠近反射镜的钝化绝缘层折射率最小。P型GaN层、电流扩展层、钝化绝缘层的折射率依次减小，减少了光线在界面的损耗，增加了光萃取效率。钝化绝缘层8还覆盖在第一开口和第二开口处露出的外延层叠结构表面，以防量子阱露出导致后续Ag迁移到此而漏电，因此钝化绝缘层厚度不可过小，其厚度选用
接着，使用光刻胶做掩膜，并通过湿法蚀刻技术，将位于电流扩展层7上方的部分钝化绝缘层8蚀刻形成孔洞，即蚀刻钝化绝缘层8至漏出电流扩展层7，来制作钝化绝缘层孔洞9，如图6，在一优选方案中，钝化绝缘层孔洞均匀布置于电流扩展层的表面。湿法刻蚀工艺的选用能够保护下层ITO层，避免ITO层的损伤。钝化绝缘层孔洞9的孔洞形状、孔洞大小、排布规则、孔洞个数视具体情况而定。钝化绝缘层孔洞9只覆盖在P型GaN层4表面的电流扩展层7上。钝化绝缘层孔洞9，强制改变电流扩展途径，使电流扩展铺满整个倒装LED芯片表面(芯片中间及周围边缘)的现象，称之为电流扩展二次分布效应。这种电流扩展二次分布效应，大大改善了倒装LED芯片整个表面的各个区域的电流注入情况，提高了倒装LED芯片表面电流注入均匀性，降低了电压，提高了亮度，并且增大了光效。
接着，使用光刻胶做掩膜，通过电子束蒸镀或磁控溅射技术，在P型GaN层4上的钝化绝缘层孔洞9中及钝化绝缘层8的表面制作金属反射层10，如图7所示。金属反射层10完全覆盖整个P型GaN层4上方的区域，最大限度增加金属反射的反射面积。具体地，金属反射层包括Ag镜金属层和Ag镜金属绝缘层，Ag镜金属绝缘层完全覆盖Ag镜金属层，Ag镜金属绝缘层包括Ti、W、Al、Ni、Pt等金属中的至少一种，保护Ag镜金属层，以防在后续的绝缘钝化层沉积时Ag镜金属层被氧化、绝缘钝化层蚀刻时Ag镜金属层被刻蚀。
接着，通过PECVD工艺，在芯片表面沉积一层致密的绝缘钝化层11，如图8。绝缘钝化层11致密且厚度一定，以起到绝缘钝化的作用为宜。具体地，可选用SiO2、SiNx、SiO2+SiNx复合层、SiOxNy、Ti2O5等钝化绝缘材质制作。
接着，刻蚀绝缘钝化层11，在部分P型半导体层上方的绝缘钝化层中形成P电极窗口，在第一开口区域形成暴露N型GaN层的N电极窗口。接着选用电子束蒸镀工艺，在P电极窗口内淀积金属层形成正焊盘电极12，在N电极窗口内淀积金属层形成负焊盘电极13，如图9。
最后，采用常规工艺对芯片进行研磨、减薄和切割，完成芯片器件加工制作。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.高光萃取率的高光效倒装LED芯片，其特征在于，包括：
衬底；
外延层叠结构，设置于衬底上，其包括依次层叠的N型半导体层、MQW量子阱层和P型半导体层，其中，沿该外延层叠结构的边缘位置布置有第一开口，靠近该外延层叠结构的中心区域布置有第二开口，第一开口和第二开口沿P型半导体层延伸至N型半导体层中一定深度；
电流扩展层，布置于P型半导体层上；
钝化绝缘层，沿第一开口、第二开口和电流扩展层的表面布置，其中布置于电流扩展层表面的钝化绝缘层中设置有多个钝化绝缘层孔洞，该孔洞暴露电流扩展层；
包括Ag镜金属层和Ag镜金属绝缘层的金属反射层，布置于P型半导体层上方的钝化绝缘层上，填充所述孔洞，所述Ag镜金属层靠近所述电流扩展层；
绝缘钝化层，布置于所述钝化绝缘层和金属反射层的表面；
其中，所述钝化绝缘层包含多个层叠的钝化绝缘层子层，所述钝化绝缘层子层的折射率沿所述电流扩展层指向所述金属反射层的方向逐渐减小。
2.根据权利要求1的所述高光效倒装LED芯片，其特征在于，所述孔洞均匀布置于所述电流扩展层的表面。
3.根据权利要求1或2的所述高光效倒装LED芯片，其特征在于，还包括，布置于绝缘钝化层上的正焊盘电极，通过绝缘钝化层上的电极窗口与P型半导体层连接；布置于绝缘钝化层上的负焊盘电极，通过第二开口处的电极窗口与N型半导体层连接。
4.根据权利要求3的所述高光效倒装LED芯片，其特征在于，所述Ag镜金属绝缘层包括Ti、W、Al、Ni、Pt中的至少一种。
5.根据权利要求1或2的所述高光效倒装LED芯片，其特征在于，所述P型半导体层优选GaN，所述N型半导体层优选GaN。
6.根据权利要求1或2的所述高光效倒装LED芯片，其特征在于，所述钝化绝缘层的厚度选用
7.高光萃取率的高光效倒装LED芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在衬底上依次外延生长N型半导体层、MQW量子阱层和P型半导体层的外延层叠结构；
刻蚀所述外延层叠结构至N型半导体层中一定深度形成第一开口和第二开口，第一开口位于外延层叠结构的边缘位置，第二开口靠近外延层叠结构的中心区域；
在所述P型半导体层上沉积电流扩展层；
沉积钝化绝缘层，在电流扩展层上的钝化绝缘层表面形成多个孔洞暴露所述电流扩展层，所述钝化绝缘层包含多个层叠的钝化绝缘层子层，所述钝化绝缘层子层的折射率沿所述电流扩展层指向所述金属反射层的方向减小；
在P型半导体层上的钝化绝缘层表面沉积包括Ag镜金属层和Ag镜金属绝缘层的金属反射层，所述Ag镜金属层靠近所述电流扩展层；
沉积绝缘钝化层，刻蚀所述第二开口区域的绝缘钝化层和钝化绝缘层暴露所述P型半导体层形成N电极窗口，刻蚀第一开口区域和第二开口区域之间的绝缘钝化层形成P电极窗口；
在P电极窗口和N电极窗口内淀积金属电极层形成正焊盘电极和负焊盘电极。
8.根据权利要求7的高光效倒装LED芯片的制备方法，其特征在于，选用湿法蚀刻在钝化绝缘层的表面形成多个孔洞。
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