CN114447171B - 一种垂直结构led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种垂直结构LED芯片及其制备方法，该垂直结构LED芯片按照从下往上的连接顺序依次包括衬底层、粘结层、键合层、保护层、P‑GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、N‑GaN层、电流扩散层、钝化层和N电极；保护层内设有金属反射层，金属反射层与P‑GaN层接触；电流扩散层内设有电流阻挡层，电流阻挡层位于N电极下方，电流阻挡层与N‑GaN层接触。该垂直结构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，P、N面的双面电流扩散提高了发光效率，从而提高了亮度，改善了传统芯片区域暗区等现象，更有利于产业链下游的光路设计。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制备技术领域，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
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种垂直结构LED芯片及其制备方法，该垂直结构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，P-GaN层的P面、N-GaN层的N面的双面电流扩散提高了发光效率，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。本发明的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种垂直结构LED芯片，按照从下往上的连接顺序依次包括衬底层、粘结层、键合层、保护层、P-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、N-GaN层、电流扩散层、钝化层和N电极；所述保护层内设有金属反射层，所述金属反射层与所述P-GaN层接触；所述电流扩散层内设有电流阻挡层，所述电流阻挡层位于所述N电极下方，所述电流阻挡层与所述N-GaN层接触。
进一步地，所述衬底层材料为硅或碳化硅。
进一步地，所述粘结层为Cr、Ti、Ni、Al、Pt和Au中的一种金属组成的单层结构或几种金属依次叠加形成的多层结构，粘结层的总厚度为10nm～1000nm。
优选地，粘结层含有Al金属层，Al金属层的厚度为100nm～1000nm。
进一步地，所述键合层材料为AuSn、NiSn、CuSn和AuSi中的一种或多种混合，键合层的厚度为1000～9000nm。
进一步地，所述金属反射层材料为Cr、Ag、Ni、Ti中的金属组成的单层结构或几种金属依次叠加形成的多层结构。
优选地，所述金属反射层采用Ni/Ag双层结构，其中Ni层为上层结构，与P-GaN层接触，厚度为3nm～50nm；Ag层为下层结构，厚度为100nm～1000nm。
进一步地，所述电流扩散层材料为氧化铟锡，由SnO2和In2O3按照一定质量比复配，厚度为30nm～500nm。优选为SnO2和In2O3按照质量比为1：9复配。
进一步地，所述电流阻挡层材料为SiO2、Si3N4、TiO2、Ti3O5中的一种，厚度为100nm～500nm。
优选地，所述电流阻挡层材料为SiO2。
进一步地，所述N电极材料为Ti、Cr、Ni、Al、Pt和Au中的一种金属组成的单层结构或几种金属依次叠加形成的多层结构，N电极的总厚度为500nm～5000nm。
进一步地，所述LED芯片的外表面还覆盖有钝化层。
进一步地，所述N电极穿透所述钝化层暴露在外部。
第二方面，本发明提供一种垂直结构LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)取两个衬底层，在衬底层一上依次生长N-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN层，形成LED外延片，所述LED外延片的厚度为2～20um；
2)在步骤1)所得的LED外延片上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制备一层金属反射层，形成金属反射层后进行退火处理；再用光刻和湿法腐蚀的方法形成金属反射层的结构；
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依次制作保护层和键合层；
4)在衬底层二上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作粘结层；
5)将步骤3)所得的键合层和步骤4)所得的粘结层对准键合；
6)在步骤5)获得的LED外延片基础上，先将衬底层一进行研磨，再化学腐蚀，最后采用电感耦合等离子刻蚀的方法去除衬底层一；
7)在步骤6)获得的LED外延片基础上，对N-GaN层表面进行粗糙化处理，然后通过等离子体增强化学气相沉积法制作电流阻挡层，再用光刻和湿法腐蚀对电流阻挡层进行图形化处理；
8)在步骤7)获得的LED外延片基础上，使用离子蒸镀的方法制作电流扩散层，再用光刻和湿法腐蚀对电流扩散层进行图形化处理；
9)在步骤8)获得的LED外延片基础上，先经过光刻制作出若干个芯片结构，然后刻蚀得到若干个LED发光面芯片；
10)在步骤9)获得的每个LED发光面芯片上沉积钝化层，使用光刻的方法制作出电极区域，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。
进一步地，为了更好地校准，在步骤1)所得的LED外延片上制作Mark点并刻蚀；
进一步地，所述步骤2)中退火处理的温度在250～850℃。
优选地，所述步骤7)中粗造化处理的控制参数为：采用质量浓度为0.05％～10％的KOH水溶液，处理温度为20℃～90℃。
进一步地，所述步骤9)中刻蚀的方法包括：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。
第三方面，本发明提供上述垂直结构LED芯片或者上述制备方法获得的垂直结构LED芯片在制备LED灯上的应用，如手电筒、车灯、室外照明、室内照明、显示屏等。
相比现有技术，本发明的技术效果是：
(1)本发明制备的垂直结构LED芯片，电流阻挡层设置在N电极下方与电流扩散层在N面形成有效的电流扩散，P面由金属反射层形成电流扩散，这种在芯片P、N面设置双面电流扩散的方式可提高发光效率，从而提高了在单位面积上的发光强度，并且具有较好的光强均匀性。因此，在相同发光面积下，采用本发明垂直结构LED芯片的LED灯具有更高的发光通量。
(2)本发明的制备方法中，采用特殊键合方式，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。此外，由于LED芯片双面电流扩散，改善了芯片整面的发光均匀性，改善了芯片区域暗区等现象，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为本发明的垂直结构LED芯片的结构示意图。
图2为图1中沿A-A面的剖面图。
图1-2中：1、垂直结构LED芯片衬底层；2、垂直结构LED芯片粘结层；3、垂直结构LED芯片键合层；4、垂直结构LED芯片保护层；5、垂直结构LED芯片金属反射层；6、垂直结构LED芯片P-GaN层；7、垂直结构LED芯片InGaN/GaN多量子阱层；8、垂直结构LED芯片N-GaN层；9、垂直结构LED芯片电流阻挡层；10、垂直结构LED芯片电流扩散层；11、垂直结构LED芯片钝化层；12、垂直结构LED芯片N电极。
图3为本发明对比例1的芯片的结构示意图。
图4为图3中沿B-B面的剖面图。
图3-4中：1’、对比例1芯片衬底层；2’、对比例1芯片粘结层；3’、对比例1芯片键合层；4’、对比例1芯片保护层；5’、对比例1芯片金属反射层；6’、对比例1芯片P-GaN层；7’、对比例1芯片InGaN/GaN多量子阱层；8’、对比例1芯片N-GaN层；9’、对比例1芯片钝化层；10’、对比例1芯片N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实施方式对本发明作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，本发明的保护范围包括但不限于以下实施例，在不偏离本申请的精神和范围的前提下任何对本发明的技术方案的细节和形式所做出的修改均落入本发明的保护范围内。
实施例1
本实施例提供一种垂直结构LED芯片，结构如图1-2所示，从下往上的连接顺序依次包括衬底层1、粘结层2、键合层3、保护层4、金属反射层5、P-GaN层6、InGaN/GaN多量子阱层7、N-GaN层8、电流阻挡层9、电流扩散层10、钝化层11和N电极12。其中，金属反射层5位于保护层4内，金属反射层5与P-GaN层6接触。电流阻挡层9位于电流扩散层10内，电流阻挡层9与N-GaN层8接触。N电极12位于电流扩散层10正上方。
电流阻挡层9为绝缘层，材质为SiO2，厚度为150nm，电流扩散层10与N电极连接，电流阻挡层9设置在N电极下方与电流扩散层10在N面形成有效的电流扩散，P面由金属反射层5形成电流扩散。
电流扩散层10为SnO2和In2O3按照质量比为1：9复配，厚度为30nm，所述金属反射层5为Ag和Ni组成的双层结构，其中Ni层为上层结构，与P-GaN层接触，厚度为3nm；Ag层为下层结构，厚度为500nm。衬底层1选用Si衬底。N电极12的材料选用从下往上依次为Cr/Al/Ni/Au四层结构，厚度依次为10nm/1000nm/90nm/900nm，N电极12的总厚度为2000nm。所述粘结层2为Al层，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。
上述垂直结构LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)取两个衬底层，在衬底层一上使用MOCVD外延技术依次生长N-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN层，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。
4)在步骤3)所得的LED外延片上使用电子束蒸镀的方法制作保护层和键合层；
5)在衬底层二上使用电子束蒸镀的方法制作粘结层；
6)将步骤4)所得的键合层和步骤5)所得的粘结层对准键合；
7)在步骤6)获得的LED外延片基础上，先将衬底层一进行研磨，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一。
8)使用KOH的水溶液对步骤7)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℃；然后使用等离子体增强化学气相沉积法制作电流阻挡层，再用光刻和湿法腐蚀制作电流阻挡层9的图形。
9)在经步骤8)处理的LED外延片上使用离子蒸镀的方法制作电流扩散层，再用光刻和湿法腐蚀制作电流扩散层的图形。
10)在经步骤9)处理的LED外延片上先经过光刻制作出若干个芯片结构图形，再用60℃的磷酸溶液对结构图形进行腐蚀，得到LED发光面芯片。
11)在步骤10)获得的每个LED发光面芯片上沉积钝化层，使用光刻的方法制作出电极区域，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。
实施例2
本实施例提供一种垂直结构LED芯片，如图1-2所示，与实施例1的区别在于：所述电流阻挡层9厚度为300nm，所述电流扩散层10厚度为100nm，所述金属反射层5中Ag层厚度为100nm，Ni层厚度为50nm。所述N电极的总厚度为3000nm。所述粘结层2为Ni/Al/Pt依次叠加形成的多层结构，粘结层2的总厚度为1000nm，其中Ni和Pt的厚度为250nm，Al的厚度为500nm。所述键合层3为CuSn，键合层3的总厚度为9000nm。
该垂直结构LED芯片的制备方法同实施例1。
实施例3
本实施例提供一种垂直结构LED芯片，如图1-2所示，与实施例1的区别在于：所述电流阻挡层9厚度为150nm，所述电流扩散层10厚度为500nm，所述金属反射层5中Ag层厚度为1000nm，Ni层厚度为20nm。所述N电极12的材料选用从下往上依次为Cr/Al/Ti/Au四层结构，厚度依次为10nm/2500nm/190nm/2300nm，N电极的总厚度为5000nm。所述粘结层2为Cr，厚度为500nm。所述键合层3为NiSn，厚度为2000nm。
该垂直结构LED芯片的制备方法同实施例1。
实施例4
本实施例提供一种垂直结构LED芯片，如图1-2所示，与实施例1的区别在于：所述电流阻挡层9厚度为200nm，所述电流扩散层10厚度为70nm，所述金属反射层5中Ag层厚度为700nm，Ni层厚度为10nm。所述N电极12的材料选用从下往上依次为Ti/Pt/Au三层结构，厚度依次为10nm/190nm/1300nm，N电极的总厚度为1500nm。所述粘结层2为Pt，总厚度为200nm。所述键合层3厚度为5000nm。
该垂直结构LED芯片的制备方法同实施例1。
对比例1
本对比例提供一种现有市售芯片的LED芯片，其结构如图3和4所示，其与实施例1的主要区别在于：不含有电流阻挡层与电流扩散层，其余与实施例1相同。制备方法中删除电流阻挡层与电流扩散层的制备，其余与实施例1相同。
实验验证
将实施例1-4和对比例1的LED芯片进行发光功率和发光面积的测试，并计算出发光效率，具体实验数据如表1所示：
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1-4的垂直结构LED芯片的发光功率、发光效率均大于对比例1，说明电流阻挡层9和电流扩散层10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芯片的发光效率、区域暗区等现象，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。
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 (6)
1.一种垂直结构LED芯片，其特征在于：按照从下往上的连接顺序依次包括衬底层、粘结层、键合层、保护层、P-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、N-GaN层、电流扩散层、钝化层和N电极；所述保护层内设有金属反射层，所述金属反射层与所述P-GaN层接触；所述电流扩散层内设有电流阻挡层，所述电流阻挡层位于所述N电极下方，所述电流阻挡层与所述N-GaN层接触；
所述电流阻挡层为绝缘层，材质为SiO2，厚度为150nm，所述电流扩散层与N电极连接，所述电流阻挡层设置在N电极下方与电流扩散层在N面形成电流扩散，P面由金属反射层形成电流扩散；
电流扩散层为SnO2和In2O3按照质量比为1：9复配，厚度为30nm，所述金属反射层为Ag和Ni组成的双层结构，其中，Ni层为上层结构，与P-GaN层接触，厚度为3nm；Ag层为下层结构，厚度为500nm；所述衬底层用Si衬底；N电极的材料选用从下往上依次为Cr/Al/Ni/Au四层结构，厚度依次为10nm/1000nm/90nm/900nm，N电极的总厚度为2000nm；所述粘结层为Al层，其中，Al的厚度为100nm；所述键合层为AuSn，厚度为1000nm。
2.一种垂直结构LED芯片，其特征在于：按照从下往上的连接顺序依次包括衬底层、粘结层、键合层、保护层、P-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、N-GaN层、电流扩散层、钝化层和N电极；所述保护层内设有金属反射层，所述金属反射层与所述P-GaN层接触；所述电流扩散层内设有电流阻挡层，所述电流阻挡层位于所述N电极下方，所述电流阻挡层与所述N-GaN层接触；
所述电流阻挡层为绝缘层，材质为SiO2，厚度为300nm，所述电流扩散层与N电极连接，所述电流阻挡层设置在N电极下方与电流扩散层在N面形成电流扩散，P面由金属反射层形成电流扩散；
电流扩散层为SnO2和In2O3按照质量比为1：9复配，厚度为100nm，所述金属反射层为Ag和Ni组成的双层结构，其中，Ni层为上层结构，与P-GaN层接触，厚度为50nm；Ag层为下层结构，厚度为100nm；所述衬底层用Si衬底；N电极的总厚度为3000nm；所述粘结层为Ni/Al/Pt依次叠加形成的多层结构；所述粘结层的总厚度为1000nm，其中Ni和Pt的厚度为250nm，Al的厚度为500nm；所述键合层为CuSn，厚度为9000nm。
3.一种垂直结构LED芯片，其特征在于：按照从下往上的连接顺序依次包括衬底层、粘结层、键合层、保护层、P-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、N-GaN层、电流扩散层、钝化层和N电极；所述保护层内设有金属反射层，所述金属反射层与所述P-GaN层接触；所述电流扩散层内设有电流阻挡层，所述电流阻挡层位于所述N电极下方，所述电流阻挡层与所述N-GaN层接触；
所述电流阻挡层为绝缘层，材质为SiO2，厚度为150nm，所述电流扩散层与N电极连接，所述电流阻挡层设置在N电极下方与电流扩散层在N面形成电流扩散，P面由金属反射层形成电流扩散；
电流扩散层为SnO2和In2O3按照质量比为1：9复配，厚度为500nm，所述金属反射层为Ag和Ni组成的双层结构，其中，Ni层为上层结构，与P-GaN层接触，厚度为20nm；Ag层为下层结构，厚度为1000nm；所述衬底层用Si衬底；N电极的材料选用从下往上依次为Cr/Al/Ti/Au四层结构，厚度依次为10nm/2500nm/190nm/2300nm，N电极的总厚度为5000nm；所述粘结层为Cr层，其中，Cr的厚度为500nm；所述键合层为NiSn，厚度为2000nm。
4.一种垂直结构LED芯片，其特征在于：按照从下往上的连接顺序依次包括衬底层、粘结层、键合层、保护层、P-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、N-GaN层、电流扩散层、钝化层和N电极；所述保护层内设有金属反射层，所述金属反射层与所述P-GaN层接触；所述电流扩散层内设有电流阻挡层，所述电流阻挡层位于所述N电极下方，所述电流阻挡层与所述N-GaN层接触；
所述电流阻挡层为绝缘层，材质为SiO2，厚度为200nm，所述电流扩散层与N电极连接，所述电流阻挡层设置在N电极下方与电流扩散层在N面形成电流扩散，P面由金属反射层形成电流扩散；
电流扩散层为SnO2和In2O3按照质量比为1：9复配，厚度为70nm，所述金属反射层为Ag和Ni组成的双层结构，其中，Ni层为上层结构，与P-GaN层接触，厚度为10nm；Ag层为下层结构，厚度为700nm；所述衬底层用Si衬底；N电极的材料选用从下往上依次为Ti/Pt/Au三层结构，厚度依次为10nm/190nm/1300nm，N电极的总厚度为1500nm；所述粘结层为Pt层，其中，Pt的厚度为200nm；所述键合层为AuSn，厚度为5000nm。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种垂直结构LED芯片，其特征在于：所述LED芯片的外表面还覆盖有钝化层。
6.一种应用于如权利要求1～4任意一项所述垂直结构LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)取两个衬底层，在衬底层一上依次生长N-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和P-GaN层，形成LED外延片，所述LED外延片的厚度为2～20um；
2)在步骤1)所得的LED外延片上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制备一层金属反射层，形成金属反射层后进行退火处理；再用光刻和湿法腐蚀的方法形成金属反射层的结构；
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依次制作保护层和键合层；
4)在衬底层二上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作粘结层；
5)将步骤3)所得的键合层和步骤4)所得的粘结层对准键合；
6)在步骤5)获得的LED外延片基础上，先将衬底层一进行研磨，再化学腐蚀，最后采用电感耦合等离子刻蚀的方法去除衬底层一；
7)在步骤6)获得的LED外延片基础上，对N-GaN层表面进行粗糙化处理，然后通过等离子体增强化学气相沉积法制作电流阻挡层，再用光刻和湿法腐蚀对电流阻挡层进行图形化处理；
8)在步骤7)获得的LED外延片基础上，使用离子蒸镀的方法制作电流扩散层，再用光刻和湿法腐蚀对电流扩散层进行图形化处理；
9)在步骤8)获得的LED外延片基础上，先经过光刻制作出若干个芯片结构，然后刻蚀得到若干个LED发光面芯片；
10)在步骤9)获得的每个LED发光面芯片上沉积钝化层，使用光刻的方法制作出电极区域，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。
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