CN115064628A - 倒装发光二极管及发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，提供一种倒装发光二极管，其包括外延结构、第一电极和第二电极，外延结构包括第一半导体层、发光层以及第二半导体层，发光层位于第一半导体层与第二半导体层之间，第一电极位于外延结构之上并电连接第一半导体层，第二电极位于外延结构之上并电连接第二半导体层，其中，第一电极和/或第二电极是多层金属结构，多层金属结构包括在第一半导体层上依次层叠的金属反射层、第一阻挡层和导电金属层，多层金属结构中厚度最厚的一层是导电金属层，导电金属层为Al层。借此，可以使得发光二极管在后续使用过程中的内部热应力得到良好的缓冲与释放，并且能够促进水平方向的电流扩展，进而提升器件的可靠性。

Description

倒装发光二极管及发光装置
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种倒装发光二极管及发光装置。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)为半导体发光元件，通常是由如GaN、GaAs、GaP、GaAsP等半导体制成，其核心是具有发光特性的PN结。LED具有发光强度大、效率高、体积小、使用寿命长等优点，被认为是当前最具有潜力的光源之一。举例而言，发光二极管作为发光装置的像素，可以取代传统液晶发光装置，并实现更高画质的显示效果。
目前，传统的倒装LED芯片包括用于内部电接触的接触电极以及用于外部焊接用的焊盘电极，其中焊盘电极可以通过刷锡膏以及回流焊工艺而将倒装LED芯片固定在封装基板上；或者是将焊盘电极直接做成锡电极，并再直接通过回流焊工艺可实现倒装LED芯片固定在封装基板上，其中，内部的接触电极结构中是会插入1um厚度左右的Au层，来提升芯片整体的导电、导热能力。其主要是借助Au电极的具有优良的导电性和导热性等的特点，但由于Au的抗拉强度较低，LED芯片在安装在封装基板后，在后续使用过程中，因为封装基板的一些形状变形而产生的作用力，会传递到LED芯片内部导致电极的应力较大，特别是Au层的应力较大，进而导致作用力传递到内部无法得到很好的缓冲与释放，而引起整个LED芯片出现电极与绝缘层之间、电极金属层与金属层之间脱落等问题。因此，如何解决LED芯片的内部应力缓冲与释放已然成为本领域技术人员亟待解决的技术难题之一。
发明内容
本发明提供一种倒装发光二极管，其包括外延结构、第一电极和第二电极。
外延结构包括第一半导体层、发光层以及第二半导体层。发光层位于第一半导体层与第二半导体层之间。第一电极位于外延结构之上并电连接第一半导体层。第二电极位于外延结构之上并电连接第二半导体层。其中，第一电极和/或第二电极是多层金属结构，所述多层金属结构包括依次层叠的金属反射层、第一阻挡层和所述导电金属层，所述金属反射层位于所述第一半导体层与所述第一阻挡层之间，多层金属结构中厚度最厚的一层是导电金属层，导电金属层为Al层。
在一些实施例中，所述第一阻挡层包括Ti层、Pt层和Ni层中的至少一层金属层
在一些实施例中，所述金属反射层的厚度为100~400nm,所述导电金属层的厚度为600~1800nm。
在一些实施例中，所述多层金属结构还包括第二阻挡层，所述第二阻挡层设置在所述导电金属层远离所述第一阻挡层的一侧。
在一些实施例中，所述第二阻挡层包括Ti层、Pt层和Ni层中的至少一层金属层。
在一些实施例中，所述多层金属结构还包括第一黏附层和第二黏附层，所述第一黏附层位于所述金属反射层远离所述第一阻挡层的一侧，所述第二黏附层位于所述第二阻挡层远离所述导电金属层的一侧。
在一些实施例中，所述第一黏附层包括Cr层和Ti层中的至少一层金属层，所述第二黏附层包括Cr层和Ti层中的至少一层金属层，所述第一黏附层的厚度范围为0.1~10nm,所述第二黏附层的厚度范围为10~50nm。
在一些实施例中，所述发光二极管还包括绝缘层，所述绝缘层覆盖所述外延结构，并具有第一开口和第二开口。
在一些实施例中，所述发光二极管还包括第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘位于所述绝缘层上，并通过所述第一开口电连接所述第一电极，所述第二焊盘位于所述绝缘层上，并通过所述第二开口电连接所述第二电极。
在一些实施例中，所述第二电极的下方设置有透明电流扩展层。
在一些实施例中，所述发光二极管的尺寸小于等于200μm。
在一些实施例中，所述的Al层为纯Al层或者Al合金层。
在一些实施例中，所述第一电极和/或所述第二电极具有延伸部分，所述延伸部分为条状。
在一些实施例中，所述多层金属结构包括多个Ti层，各Ti层的厚度沿着由下至上的方向逐渐增加。
本发明还提供一种发光装置，其可以采用如上述任一实施例所述的发光二极管。
本发明的一个优势在于提供一种倒装发光二极管及发光装置，通过将多层金属结构中厚度最厚的一层采用为具有高抗拉强度的导电金属层（Al层）的设置，可以使得发光二极管在后续使用过程中的内部热应力得到很好的缓冲与释放，并且能够促进水平方向的电流扩展，进而提升器件的可靠性。
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。
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；在下面描述中附图所述位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
图1是本发明一实施例提供的发光二极管的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的发光二极管的俯视示意图；
图3是多层金属结构的结构示意图。
附图标记：
10-发光二极管；12-衬底；14-外延结构；141-第一半导体层；142-发光层；143-第二半导体层；16-绝缘层；161-第一开口；162-第二开口；21-第一电极；22-第二电极；31-第一焊盘；32-第二焊盘；41-第一黏附层；42-金属反射层；43-第一阻挡层；46-导电金属层；47-第二阻挡层；48-第二黏附层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。
请参阅图1、图2和图3，图1是本发明一实施例提供的倒装发光二极管10的结构示意图，图2是本发明一实施例提供的倒装发光二极管10的俯视示意图，图3是多层金属结构的结构示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的一实施例提供一种倒装发光二极管10。如图中所示，倒装发光二极管10可以包括外延结构14、第一电极21和第二电极22、绝缘层16、第一焊盘31和第二焊盘32。
外延结构14是设置在衬底12上。衬底12可以是绝缘衬底12，优选的，衬底12可以是以透明材料或半透明材料所制成。在图示实施例中，衬底12为蓝宝石衬底12。在一些实施例中，衬底12可以是图形化的蓝宝石衬底12，但本案不限于此。衬底12亦可以是以导电材料或者半导体材料所制成的。例如：衬底12材料可以包括碳化硅、硅、镁铝氧化物、氧化镁、锂铝氧化物、铝镓氧化物及氮化镓中的至少一种。
外延结构14包括第一半导体层141、发光层142以及第二半导体层143。发光层142位于第一半导体层141与第二半导体层143之间。也就是说，在衬底12上依次层叠有第一半导体层141、发光层142以及第二半导体层143。
第一半导体层141可以为N型半导体层，在电源作用下可以向发光层142提供电子。在一些实施例中，第一半导体层141包括N型掺杂的氮化物层。N型掺杂的氮化物层可包括一个或多个IV族元素的N型杂质。N型杂质可以包括Si、Ge、Sn中的一种或其组合。
发光层142可以为量子阱结构(Quantum Well，简称QW)。在一些实施例中，发光层142也可以为多重量子阱结构(Multiple Quantum Well，简称MQW)，其中多重量子阱结构包括以重复的方式交替设置的多个量子阱层(Well)和多个量子阻障层(Barrier)，例如可以是GaN/AlGaN、InAlGaN/InAlGaN或InGaN/AlGaN的多量子阱结构。此外，发光层142内的阱层的组成以及厚度决定生成的光的波长。为了提高发光层142的发光效率，可通过在发光层142中改变量子阱的深度、成对的量子阱和量子势垒的层数、厚度和/或其它特征来实现。
第二半导体层143可以为P型半导体层，在电源作用下可以向发光层142提供空穴。在一些实施例中，第二半导体层143包括P型掺杂的氮化物层。P型掺杂的氮化物层可包括一个或多个II族元素的P型杂质。P型杂质可以包括Mg、Zn、Be中的一种或其组合。第二半导体层143可以是单层结构，也可以是多层结构，该多层结构具有不同的组成。此外，外延结构14的设置不限于此，可以是依据实际需求来选择其它种类的外延结构14。
第一电极21位于外延结构14之上并电连接第一半导体层141。第二电极22位于外延结构14之上并电连接第二半导体层143。在一些实施例中，第二电极22的下方还可以设置有透明电流扩展层，以进一步提升导电性能，加强倒装发光二极管10的光电特性。透明电流扩展层可以为ITO层或掺杂有铝的ITO层。
绝缘层16覆盖外延结构14，还可以覆盖部分的第一电极21和部分的第二电极22。绝缘层16具有第一开口161和第二开口162，第一开口161和第二开口162分别位于第一电极21和第二电极22的上方。
绝缘层16根据涉及的位置具有不同的功效，例如：当绝缘层16覆盖外延结构14的侧壁时，其可用于防止因导电材料泄露而电连通第一半导体层141和第二半导体层143，减少倒装发光二极管10的短路异常可能性，但本公开实施例并非以此为限。绝缘层16的材料包含非导电材料。非导电材料优选地为无机材料或是介电材料。无机材料可以包含硅胶。介电材料包含氧化铝、氮化硅、氧化硅、氧化钛、或氟化镁等电绝缘材料。例如，绝缘层16可以是二氧化硅、氮化硅、氧化钛、氧化钽、氧化铌、钛酸钡或者其组合，其组合例如可以是两种不同折射率的材料重复堆叠形成的布拉格反射镜（DBR）。
第一焊盘31位于绝缘层16上，并通过第一开口161电连接第一电极21。第二焊盘32位于绝缘层16上，并通过第二开口162电连接第二电极22。第一焊盘31和第二焊盘32可以为金属焊盘，可在同一工艺中利用相同材料一并形成，因此可具有相同的层构造。
第一电极21和/或第二电极22是多层金属结构，例如：仅有第一电极21是多层金属结构、或是仅有第二电极22是多层金属结构、或是第一电极21与第二电极22皆是多层金属结构。多层金属结构是指具有多个金属层的层叠结构。对于蓝、绿光的倒装发光二极管10来说，通常第一电极21和第二电极22为多层金属结构，并且具有相同的多层金属结构。其中，多层金属结构中厚度最厚的一层是导电金属层46，导电金属层46采用Al层，Al层同时具有高抗拉强度的特性和优秀的导电性能。通过将多层金属结构中厚度最厚的一层采用为具有高抗拉强度的导电金属层46（Al层）的设置，可以使得倒装发光二极管10在后续使用过程中的内部热应力得到很好的缓冲与释放，进而提升器件的可靠性。
第一电极21可以包括位于绝缘层16的第一开口161下方的基础部分（此基础部分用于跟第一焊盘31电性连通），以及从第一开口161下方向下延伸出去的延伸部分（用于将电流水平扩展出去），延伸部分为条状。第二电极22可以包括位于绝缘层16的第二开口162下方的基础部分（此基础部分用于跟第二焊盘32电性连通），以及从第二开口162下方向下延伸出去的延伸部分（用于将电流水平扩展出去），延伸部分为条状。也就是说，第一电极21和/或第二电极22可以是电流扩展电极，通过延伸部分为条状的设计使得第一电极21和第二电极22具有电流扩展的特点，提升电流的输入和输出。
在一些实施例中，如图3中所示，多层金属结构可以包括依次层叠的金属反射层42、第一阻挡层43和导电金属层46。金属反射层42位于第一半导体层141与第一阻挡层43之间，也就是说，金属反射层42相较于第一阻挡层43和导电金属层46而言更靠近第一半导体层141。换言之，在外延结构14上沿着第一半导体层141到第二半导体层143的方向依次为金属反射层42、第一阻挡层43和导电金属层46。金属反射层42主要起到反射光线的作用（如反射发光层142发出的光线），以提升出光效果。金属反射层42的厚度可以为100~400nm，例如100~200nm，200~300nm，300~400nm等等。金属反射层42不宜过厚，过厚会导致金属反射层42的稳定性不够。第一阻挡层43可以起到阻挡保护的作用，例如对金属反射层42进行保护，保护其层结构不被外部水汽侵蚀，或者发生迁移的现象，保护其材料反射功能的稳定性。
在一些实施例中，金属反射层42可以采用Al、Ag等金属。导电金属层46的Al层可以为纯Al层或者Al合金层，例如AlCu合金层。
第一阻挡层43包括Ti层、Pt层和Ni层中的至少一层金属层，例如第一阻挡层43可以是Ti层，可以是Ti层和Ni层的组合，可以是Ti层和Pt层的组合等等。更佳的是：对于Ti层与Ni层的组合所形成的第一阻挡层43，具体来说，Ni层的导热性好，并且阻挡效果好，Ni层也可以用于缓冲多层金属结构的内应力，以抵消多层金属结构本身的上、下层结构之间的应力，尤其是Al层（导电金属层46）的应力，Ti层可以在金属反射层42与Ni层之间起到应力过度的作用，从而改善多层金属层的附着性。较佳的，单层Ni层的厚度范围可以是100~500nm，Ni层不宜过厚，若过厚也会使得内应力较大；单层Ti层的厚度范围可以是30~300nm，Ti层不宜过厚，若过厚则会使得电阻较大，不利于电流的传输；单层的Pt层厚度范围可以是100~200nm,Pt层不宜过厚，若过厚会使得整个电极的底部宽度过大，导致吸光严重，影响倒装发光二极管10的出光特性。在一些实施例中，第一阻挡层43由下至上的结构例如可以是Ti/Pt/Ti层或者Ti/Ni/Ti层等。
导电金属层46是Al层，一方面能起到导电作用，另外一方面由于Al层的高抗拉强度特性，还可以缓冲与释放内部应力。为保证导电金属层46的导电性能以及抗拉性能，导电金属层46的厚度范围600 nm~1800nm，例如800~1200nm或者600~800nm。当导电金属层46的厚度控制在此范围内，电阻较小，其横向电流传输能力较强，Al层能更进一步改善第一电极21、第二电极22具备的扩展部分（即第一电极21、第二电极22是电流扩展电极）的电流扩展性能。
在一些实施例中，如图3中所示，多层金属结构还可以包括第二阻挡层47。第二阻挡层47设置在导电金属层46远离第一阻挡层43的一侧，即图3所示的第二阻挡层47位于导电金属层46上。第二阻挡层47可以起到阻挡保护作用，保护其下方导电金属层46的层结构不被外部水汽侵蚀，或者发生迁移等现象，提升整体稳定性。
第二阻挡层47包括Ti层、Pt层和Ni层中的至少一层金属层，例如第二阻挡层47可以是Ti层，可以是Ti层和Ni层的组合，可以是Ti层和Pt层的组合等等。较佳的是Ti层和Pt层的组合搭配，化学性质稳定，可以对下方较厚的导电金属层46起到有效包覆和保护的作用。单层的Ti层的厚度范围可以是30~300nm，Ti层不宜过厚，若过厚会引起电阻较大。单层的Pt层厚度可以是100~200nm,若Pt层过厚会使得整个电极的底部宽度过大，导致吸光严重。
在一些实施例中，如图3中所示，多层金属结构还可以包括第一黏附层41和第二黏附层48。第一黏附层41位于金属反射层42远离第一阻挡层43的一侧，第二电极22的第一黏附层41与透明电流扩展层可以是直接接触，第二黏附层48位于第二阻挡层47远离导电金属层46的一侧。在外延结构14上沿着第一半导体层141到第二半导体层143的方向依次为第一黏附层41、金属反射层42、第一阻挡层43、导电金属层46、以及第二阻挡层47和第二黏附层48。第二黏附层48起到粘附作用，可以加强绝缘层16与多层金属结构之间的连接。
第一黏附层41可以包括Cr层和Ti层中的至少一层金属层，例如第一黏附层41可以是Cr层，可以是Ti层，以黏附相邻结构层（如加强外延结构14与多层金属结构之间的连接），提高连接紧密性，并且还具有透光的作用。优选地，第一黏附层41的厚度范围为0.1~10 nm。
第二黏附层48可以包括Cr层和Ti层中的至少一层金属层，例如第二黏附层48可以是Cr层，可以是Ti层，以黏附相邻结构层，提高连接紧密性，并且还具有透光的作用。优选地，第二黏附层48的厚度范围为10~50 nm。
在多层金属结构中的Ti层起到阻挡的作用的同时，还起到应力过度作用，使得相临近的2个层之间附着性更好。例如：多层金属结构中共有3层Ti层，其中的两层Ti层位于第一阻挡层43中，起应力过度作用，作为第一阻挡层43的第一层Ti层与金属反射层42接触，作为第一阻挡层43的最后一层Ti层与导电金属层46接触，还有一层Ti层位于导电金属层46与第二阻挡层47之间，也起到应力过度作用。优选的，在多层金属结构中，由于下层的金属层被上层的金属层包覆住，包括下层的金属层的上表面以及侧壁被上层的金属层所包覆的情况，为了保证包覆性，多个Ti层之间的厚度关系是从下至上（即沿着第一半导体层141到第二半导体层143的方向）逐渐增加，以起到增强层与层之间的附着性，例如：3层Ti层中，第一层Ti层、第二层Ti层和第三层Ti层的厚度沿着由下至上的方向分别为30~100nm、100~150nm、150nm~300nm。较佳的，每一层Ti层的厚度，不超过300nm。多个Ti层中的相邻二个Ti层之间设有导电金属层46。
在一些实施例中，倒装发光二极管10为小尺寸的倒装发光二极管10，如MicroLED。优选地，倒装发光二极管10的尺寸小于等于200μm。
本发明还提供一种发光装置，其可以采用如上述任一实施例的倒装发光二极管10。
综上所述，本发明提供一种倒装发光二极管10及发光装置，通过将多层金属结构中厚度最厚的一层采用为具有高抗拉强度的导电金属层46的设置，可以使得倒装发光二极管10在后续使用过程中的内部热应力得到很好的缓冲与释放，并且能够促进水平方向的电流扩展，进而提升器件的可靠性。采用Al层作为导电金属层46，还可以在保证倒装发光二极管10的导电与导热的性能基础上，使得倒装发光二极管10在后续使用过程中的内部热应力得到很好的缓冲与释放，并且能够促进水平方向的电流扩展，进而提升器件的可靠性。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (15)

1.一种倒装发光二极管，其特征在于：所述倒装发光二极管包括：
外延结构，包括第一半导体层、发光层以及第二半导体层，所述发光层位于所述第一半导体层与所述第二半导体层之间；
第一电极，位于所述外延结构之上，并电连接所述第一半导体层；
第二电极，位于所述外延结构之上，并电连接所述第二半导体层；
其中，所述第一电极和/或所述第二电极是多层金属结构，所述多层金属结构包括依次层叠的金属反射层、第一阻挡层和导电金属层，所述金属反射层位于所述第一半导体层与所述第一阻挡层之间，所述多层金属结构中厚度最厚的一层是所述导电金属层，所述导电金属层为Al层。
2.根据权利要求1所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述第一阻挡层包括Ti层、Pt层和Ni层中的至少一层金属层。
3.根据权利要求1所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述金属反射层的厚度为100~400nm,所述导电金属层的厚度为600~1800nm。
4.根据权利要求1所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述多层金属结构还包括第二阻挡层，所述第二阻挡层设置在所述导电金属层远离所述第一阻挡层的一侧。
5.根据权利要求4所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述第二阻挡层包括Ti层、Pt层和Ni层中的至少一层金属层。
6.根据权利要求4所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述多层金属结构还包括第一黏附层和第二黏附层，所述第一黏附层位于所述金属反射层远离所述第一阻挡层的一侧，所述第二黏附层位于所述第二阻挡层远离所述导电金属层的一侧。
7.根据权利要求6所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述第一黏附层包括Cr层和Ti层中的至少一层金属层，所述第二黏附层包括Cr层和Ti层中的至少一层金属层，所述第一黏附层的厚度范围为0.1~10nm,所述第二黏附层的厚度范围为10~50nm。
8.根据权利要求1所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包括绝缘层，所述绝缘层覆盖所述外延结构，并具有第一开口和第二开口。
9.根据权利要求8所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述发光二极管还包括第一焊盘和第二焊盘，所述第一焊盘位于所述绝缘层上，并通过所述第一开口电连接所述第一电极，所述第二焊盘位于所述绝缘层上，并通过所述第二开口电连接所述第二电极。
10.根据权利要求1所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述第二电极的下方设置有透明电流扩展层。
11.根据权利要求1所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述发光二极管的尺寸小于等于200μm。
12.根据权利要求1所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述的Al层为纯Al层或者Al合金层。
13.根据权利要求1所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述第一电极和/或所述第二电极具有延伸部分，所述延伸部分为条状。
14.根据权利要求1所述的倒装发光二极管，其特征在于：所述多层金属结构包括多个Ti层，各所述Ti层的厚度沿着由下至上的方向逐渐增加。
15.一种发光装置，其特征在于：采用如权利要求1-14中任一项所述的倒装发光二极管。
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