CN115332417A - 一种发光二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管，包含：与发光二极管第一半导体层电连接的第一电极，与第二半导体层电连接的第二电极，第一电极和/或第二电极依次包括第一反射层、接垫层和至少部分包覆接垫层的第二反射层，第一反射层和/或第二反射层的材料的杨氏模量不小于150Gpa且体积模量不小于200Gpa，有利于提升发光二极管的光电特性，提升产品可靠性。

Description

一种发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明是有关于一种半导体制造领域，特别是指一种具有高可靠性电极的发光二极管。

背景技术

参看图1，现有LED芯片电极结构设计因考虑到其光萃取效率, 在电极结构中增加高反射率之材料作为反射层200以提高光效, 但大多高反射材料：例如银、铝等，其特性易受环境、温度、湿度、酸碱度等影响而降低产品稳定性, 故在其后覆盖迁移率低的金属保护层230加以保护, 但此设计仅能延长此反射层材料与环境反应之时间, 无法完全避免其金属材料迁移或析出及电极脱落等重大异常, 导致终端产品模块无法正常运作;且因此电极结构设计会限制产品设计及应用领域，如高电流高电压驱动,极端环境等。

发明内容

本发明就是针对背景技术的问题提出一种可行的解决方案，借由稳定金属铑、钌或者铂，构建可靠性强的电极设计。

本发明提供的一些实施例中，公开了一种发光二极管，包含：

基板，以正装产品为例，包括表面具有一系列凸起的基板，包括例如采用干法蚀刻制作的没有固定斜率的凸起，又或者采用湿法蚀刻的具有一定斜率的凸起，和位于衬底上通过金属化学气相沉积制作的外延发光层，例如氮化镓基的外延材料组成，外延发光层包括覆盖在衬底上的第一半导体层、第二半导体层和位于两者之间的有源层，衬底在工艺中可被减薄或者去除。

与第一半导体层连接有第一电极，与第二半导体层连接有第二电极，可以设定为第一半导体层为N极性的，第二半导体层为P极性的，通过不同掺杂成分实现极性变化。

第一电极和/或第二电极包括可以直接作为与外延发光层接触的第一反射层、用于打线或者键合的接垫层和至少部分包覆接垫层的第二反射层，以出光波长为250纳米至850纳米为例，第一反射层和/或第二反射层的反射率不小于20%，优选不小于45%，第一反射层的材料和/或第二反射层的材料可以包括铑、铂、钌，或者至少上述一种金属的合金，或者至少上述一种金属的共镀材料，合金中上述金属的比例超过50%，该些材料组成的第二反射层具有高机械强度、稳定性，可提高电极抗刮伤压伤的能力，特别是钌具有较高的莫氏硬度值，第二反射层表面可以镀附氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化铌、氧化钛或者氮化钛等绝缘保护层，以接垫层通常采用的金材料为例，第二反射层对二氧化硅或者氧化铝的粘附性更好，有利于提升绝缘保护层的防护性能，第一反射层和第二反射层的兼顾提高电极结构光萃取效率。

该材料的第一反射层和/或第二反射层均具有不小于150Gpa的杨氏模量和不小于200Gpa的体积模量，例如第一反射层和/或第二反射层的材料包括铑、铂或者钌，两层反射层从接垫层上下两侧贴附，电极结构具有较强的应力特性，可增大电极结构的坡角；通常芯片制程中采用黄光工艺制作电极，本发明利用结构材料的应力特性在镀完膜层，第一电极和/或第二电极的截面为梯形，梯形侧壁与水平面的夹角为60°至75°，或者为75°至80°，或者80°以上，现有的电极设计为了防止变大侧壁夹角降低包覆性，导致金属更容易析出，通常设计为45°至60°，较大的镀附角度利于提升电极的截面积在竖直方向上的均匀性，提高电极的截面积，借此降低电流密度，降低金属扩散能力、增加结构散热、降低热效应以及降低驱动电压，借此提高产品特性和寿命，或者可结合调整电极厚度节省成本。

根据本发明，优选的，第一反射层优选采用莫氏硬度为6.5的金属钌，提升电极结构的抗压伤。基于抗压伤的问题，也可以选用莫氏硬度为6的铑。如果考虑仅镀附角度问题，则还可选择铂作为第一反射层材料。

在本发明的一些实施例中，采用铂作为第一反射层材料，其生长应力较大，容易出现翘起及电极脱离的情况，因此在铂上制作一层应力调整层，应力调整层的成膜应力方向与第一反射层相反，在该些实施例中，应力调整层的材料为钌，为了进行应力匹配，应力调整层的厚度为第一反射层厚度的65%至75%。接触层、第一反射层、应力调整层的电阻率小于130nΩm。第一反射层、应力调整层和/或第二反射层在250纳米至850纳米波段平均具有20%以上的反射率，优选的，具有45%以上的反射率，在一些情况下，应力调整层可以与第一反射层作为复合反射层，而统称为第一反射层。

在本发明的一些实施例中，第一反射层为复合结构，第一反射层包括反射材料和应力调整材料的周期性叠层，应力调整材料的成膜应力方向与反射材料相反，例如第一反射层为应力调整材料钛、反射材料铂的多周期叠层。

在本发明的一些实施例中，提供了一种紫外发光二极管，其出光波长不大于350纳米，铑、铂和钌特别适用于紫外发光二极管，特别是深紫外发光二极管，紫外光特别是深紫外光对常规反射电极采用的铝或者银具有促进氧化作用，且对作为常规电极作为接触层的ITO材料具有吸光作用，ITO、Al的粘附性不佳，大电流操作功函数低，老化特性电压会上升。

根据本发明，优选的，发光二极管的芯片尺寸不大于250微米*250微米，例如发光二极管具有从2微米到100微米或从100微米到250微米的长度，且/或发光二极管具有从2微米到100微米或从100微米到250微米的宽度，本发明的设计适合于mini-led或者micro-led等小尺寸电极反射损失可以忽略不计的尺寸，同理也适合用在倒装发光二极管中。

根据本发明，在一些实施例中，第二反射层远离接垫层的一侧至少覆盖有绝缘保护层，第二反射层对绝缘保护层的粘附性大于接垫层对绝缘保护层的粘附性。

在该些实施例中，绝缘保护层的材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛或者氮化钛。

根据本发明，优选的，第一反射层与接垫层接触，这里的接触指的是直接连接。

根据本发明，在一些实施例中，在外延发光层与第一反射层之间具有接触层，第一反射层至少部分包覆接触层，接触层的材料包括铬或者铬与过渡金属的合金，接触层上包覆着的第一反射层具有较强的抗接触层金属迁移的作用，第一反射层具有不小于6.5的莫氏硬度，且最好为低迁移率的金属，相对钛或者铑，钌的价格优势明显，电阻率小于100nΩm。

根据本发明，优选的，第一反射层与第二反射层的间距为200埃至250埃，或者为250埃以上，这里的间距指的是最小间距，或者指的是在外延发光层表面第一反射层和第二反射层的间距。

根据本发明，优选的，第一反射层的厚度为不小于500埃，该厚度下的第一反射层具有较强的抗压伤能力，第二反射层的厚度不小于200埃，一定厚度的第一反射层和第二反射层除了提供强度保证外，还起到了调整电极角度的作用。

根据本发明，在一些实施例中，发光二极管出光波长为350纳米至400纳米，或者为400纳米至500纳米，或者为500纳米以上。

根据本发明，优选的，发光二极管为正装发光二极管、倒装发光二极管或者垂直发光二极管。

本发明还提供了一种发光二极管的制作方法，包括步骤：

（1）提供生长衬底，生长衬底包括不限于蓝宝石、硅、氮化硅、玻璃、氮化镓或者砷化镓，

（2）在生长衬底上制作发光外延层，发光外延层可以是氮化镓基的材料，

（3）在发光外延层上制作具有开口的光阻，在光阻开口内，制作第一电极和/或第二电极。

第一电极和/或第二电极从发光外延层的一侧起依次包括第一反射层、接垫层和第二反射层，其中第一反射层和/或第二反射层的材料为钌，第一反射层和/或第二反射层利用生长应力扩大光阻开口，具体来说，当第一反射层和/或第二反射层为高体积模量的材料，除了钌，例如体积模量大于200Gpa的材料，利用覆盖在光阻上的第一反射层和/或第二反射层金属膜层，扩大光阻开口。

第一电极和/或第二电极的截面为梯形，梯形侧壁与水平面的夹角为60°至75°，或者为75°至80°，或者80°以上。

本发明的有益效果，至少包括：藉由反射层材料来提高层间应力强度,制作出大角度的电极倾角，改善反射层的金属迁移导致的可靠性下降问题，在严苛操作环境下提高抵抗特性，同时，兼顾高光萃取效率。

本发明的其它特征和优点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优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1为背景技术中发光二极管芯片的局部截面示意图；

图2为实施例一的发光二极管芯片的局部截面示意图；

图3为实施例四的发光二极管芯片电极的局部截面示意图；

图4至图6为实施例五的发光二极管芯片电极的局部截面示意图；

图7为实施例七的发光二极管芯片电极的局部截面示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

应当理解，本发明所使用的术语仅出于描述具体实施方式的目的，而不是旨在限制本发明。进一步理解，当在本发明中使用术语“包含”、"包括"时，用于表明陈述的特征、整体、步骤、组件、和/或的存在，而不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、组件、和/或它们的组合的存在或增加。

参看图2，在本发明的第一个实施例中，以一种正装结构的发光二极管为例，包含：

用于支撑外延发光层400的基板500，基板材料可以包括但不限于蓝宝石、硅、氮化硅、玻璃、氮化镓或者砷化镓，在本实施例中为表面具有一系列凸起的蓝宝石，包括例如采用干法蚀刻制作的没有固定斜率的凸起，又或者采用湿法蚀刻的具有一定斜率的凸起，和位于衬底上通过金属化学气相沉积制作的外延发光层400，例如氮化镓基的外延材料组成，外延发光层400包括覆盖在衬底上的第一半导体层410、第二半导体层420和位于两者之间的有源层430，与第一半导体层410连接有第一电极，与第二半导体层连接有第二电极，图中以第二电极位置，也可以不限定为第一电极，可以设定为第一半导体层410为N极性的，第二半导体层420为P极性的，通过不同掺杂成分实现极性变化。发光二极管主要从第二半导体层420一面激发出光。

第一电极和/或第二电极包括可以直接作为与外延发光层400接触的第一反射层210、用于打线键合与外部电源电连接的接垫层300和至少部分包覆接垫层的第二反射层220，第二反射层220的材料包括铑、铂或者钌,该些材料组成的第二反射层220具有高机械强度、稳定性，可提高电极抗刮伤压伤的能力，且电阻率较低，第二反射层220表面可以镀附二氧化硅或者氧化铝等绝缘保护层，以接垫层300通常采用的金材料为例，第二反射层220对二氧化硅或者氧化铝的粘附性更好，有利于提升绝缘保护层220的防护性能，第一反射层210和第二反射层220的兼顾提高电极结构光萃取效率。

在第一个实施例的一些示例结构中，第一反射层210的材料包括铑、铂或者钌，较低掉电极可能性，该些材料电阻率较低，该材料的第一反射层210和第二反射层220均具有不小于150Gpa的杨氏模量（Young’s modulus）和不小于200Gpa的体积模量（Bulkmodulus），体积模量、剪切模量（Shear modulus）和杨氏模量可以通过泊松比（Poissonratio）进行换算。两层反射层从接垫层300上下两侧贴附，电极结构具有较强的应力特性，可增大电极结构的坡角，第一反射层210与接垫层300接触，这里的接触指的是直接连接；通常芯片制程中采用黄光工艺制作电极，本发明利用结构材料的应力特性在镀完膜层将黄光图形撑起，增大镀附角度及包覆宽度，第一电极和/或第二电极的截面为梯形，梯形侧壁与水平面的夹角α为60°至75°，或者为75°至80°，或者80°以上，现有的电极设计为了防止变大侧壁夹角降低包覆性，导致金属更容易析出，通常设计为45°至60°，较大的镀附角度利于提升电极的截面积在竖直方向上的均匀性，提高电极的截面积，借此降低电流密度，降低金属扩散能力、增加结构散热、降低热效应以及降低驱动电压，借此提高产品特性和寿命，或者可结合调整电极厚度节省成本，这里厚度指的是电极接垫层厚度可调便, 现行一般使用金, 看电压需求, 例如可以从2.7um降至2.0um, 小尺寸显屏产品1.5um降至1.2um，由于本实施例的大角度电极设计，皆可维持电压不变。

在本发明的第二个实施例中，发光二极管的出光波长不大于350纳米，铂和钌特别适用于紫外发光二极管，特别适用于紫外发光二极管，特别是深紫外发光二极管，紫外光特别是深紫外光对常规反射电极采用的铝或者银具有促进氧化作用，且对作为常规电极作为接触层的ITO材料具有吸光作用，ITO、Al的粘附性不佳，大电流操作功函数低，老化特性电压会上升。

在本发明的第三个实施例中，与实施例1的区别主要在于，提供的发光二极管的芯片尺寸不大于250微米*250微米，例如发光二极管具有从2微米到100微米或从100微米到250微米的长度，且/或发光二极管具有从2微米到100微米或从100微米到250微米的宽度，本反射层的设计适合于mini-led或者micro-led等小尺寸电极反射损失可以忽略不计的尺寸，同理也适合用在倒装发光二极管中。

参看图3，在本发明的第四个实施例中，跟上述实施例的区别在于，第二反射层220远离接垫层300的一侧至少覆盖有绝缘保护层600，绝缘保护层600的材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛或者氮化钛，第二反射层220比接垫层300对于绝缘保护层600材料具有更佳的粘附性。

参看图4，在本发明的第五个实施例中，跟上述实施例的区别在于，在外延发光层400与第一反射层210之间具有接触层100，第一反射层210至少部分包覆接触层100，接触层100的材料包括铬或者铬与过渡金属的合金，例如，可以通过铬和铂制作合金，合金可采用共镀或者退火的方式制作。

参看图5a和图5b，值得注意的是传统工艺在制作电极的时候，通常采用黄光工艺，并且不希望黄光工艺中的光阻700开口过大而导致电极不必要增大，扩大电极吸光造成的亮度损失，图中箭头表示金属镀膜方向，小开口的光阻在通过金属镀膜制作电极时，后续难以预留空间实现金属扩散阻挡层（即图6a中的第二反射层）完整包覆，现有金属膜层800较为平整的盖在光阻700上。

参看图5c和图5d，在本实施例中，图6b第二反射层220采用材料为铑、铂或者钌或者其他杨氏模量(Young's modulus)和体积模量（bulk modulus）接近或者高于钌的材料，例如杨氏模量大于150Gpa且体积模量大于200Gpa的材料，更优选的，杨氏模量大于300Gpa，例如铑和钌，在镀膜过程中，镀在光阻700表面的金属膜具有较强的应力会将原本光阻700的开口扩大，从而获得更多的空间在接垫层300外制作覆盖第二反射层220，提升电极抗迁移的能力，兼顾了较小起始开口，电极大小可控，该实施例的技术除了常规的产品外，适用于mini-led或者micro-led工艺。其中，优选的，第二反射层220的厚度不小于200埃，一定的厚度有利于提升应力特性，类似的，第一反射层210也可以采用上述高应力条件的材料制作有利于形成大角度的电极侧壁。

比较图6a和图6b，常规电极工艺与本实施例制作的电极结构具有比较明显的区别，因此传统工艺通常利用小角度的斜面电极，例如角度为45°至60°的设计来克服上述问题，小角度的电极结构由于电极截面积变化较大，增大了电极的电阻和降低了电极的散热能力。本实施例通过先小开口且大角度的光阻700制作接触层100，再通过制作高应力、低迁移的金属来制作抗金属迁移层，例如将金属钌包覆在接触层100未与外延发光层400接触的表面，由于金属钌也会覆盖在光阻700上，光阻开口边缘受到金属钌膜层的应力作用翘起，扩大了开口面积，因此本实施例的电极可制作为具有大角度的结构，降低了工作电压，提升了发光二极管的散热能力，该设计也需要大应力的金属膜层具有足够的厚度，例如第一反射层的厚度为不小于500埃，第二反射层的厚度不小于200埃。

参看图6b，在本发明的第六个实施例中，由于第一反射层210和第二反射层220的应力条件较优异，第一反射层与第二反射层的间距可设置为200埃至250埃，或者为250埃以上，这里的间距指的是最小间距，或者指的是在外延发光层表面第一反射层和第二反射层的间距。具有更佳的防接触金属迁移特性，例如防止接触层100金属迁移。其中，第一反射层210的厚度为不小于500埃，第二反射层220的厚度不小于200埃。根据实验测试，经过480℃温筛1小时后，本实施例的发光二极管无明显金属析出。在盐水测试中，240小时内，本实施例的发光二极管均无异常。

参看图7，在本发明的第七个实施例中，采用铬作为接触层100的材料，其中铬的厚度为25~50埃，在铬上覆盖铂，铂的厚度可以为800埃以上，也可以采用铂与铬的合金作为接触层100和第一反射层210，铂作为第一反射层210材料，其生长应力较大，容易出现翘起及电极脱离的情况，因此在铂上制作一层应力调整层900，应力调整层900的成膜应力方向与第一反射层210相反，在该实施例中，应力调整层900的材料为钌或者铑，以钌为例，为了进行应力匹配，应力调整层900的厚度为第一反射层210厚度的65%至75%，其中铂向下拉扯的应力和钌向上拉扯的薄膜应力匹配，应力调整层900也可兼容出光效果，在250纳米至850纳米波段具有45%以上的光反射率，具有增强产品该实施例进行的设计，降低了产品掉电极的风险。

在该实施例的一些实施方式中，第一反射层210可以包括反射材料和应力调整材料的周期性叠层，应力调整材料的成膜应力方向与反射材料相反，例如第一反射层210为应力调整材料钛、反射材料铂的多周期叠层。

在本发明的第八个实施例中，在实施例7的基础上，采用钌或者铑等莫氏硬度不小于6的材料作为第二反射层220，结合莫氏硬度不小于6的应力调整层900，同时，应力调整层900的厚度不小于500埃，第二反射层220的厚度不小于200埃，从两侧稳固接垫层300的形态，具有抗电极压伤的能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种发光二极管，包含：

外延发光层，外延发光层包括第一半导体层、第二半导体层和位于两者之间的有源层，与第一半导体层连接有第一电极，与第二半导体层连接有第二电极，

其特征在于，第一电极和/或第二电极依次包括第一反射层和接垫层，第一反射层为铂，第一反射层上顶面和/或侧面包覆有应力调整层，应力调整层的材料为钌或者铑。

2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，第一电极和/或第二电极还包括第二反射层，第二反射层位于接垫层上，第二反射层位于接垫层远离第一反射层的一侧。

3.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于，第二反射层远离接垫层的一侧至少覆盖有绝缘保护层，绝缘保护层的材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化钛、氧化铌或者氮化钛。

4.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，第一电极和/或第二电极的截面为梯形，梯形侧壁与水平面的夹角为60°至75°，或者为75°至80°，或者80°以上。

5.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，发光二极管的芯片尺寸不大于250微米*250微米，发光二极管具有从2微米到100微米或从100微米到250微米的长度，发光二极管具有从2微米到100微米或从100微米到250微米的宽度。

6.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，接垫层的材料包括金。

7.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，在外延发光层与第一反射层之间具有接触层，第一反射层至少部分包覆接触层，接触层的材料包括铬或者铬与过渡金属的合金。

8.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，第一反射层和/或应力调整层的电阻率小于130nΩm。

9.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于，第一反射层与第二反射层的最小间距为200埃至250埃，或者为不小于250埃。

10.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于，第一反射层与第二反射层均与外延发光层表面接触，在外延发光层上的间距为200埃至250埃，或者为不小于250埃。

11.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于，第一反射层的厚度为不小于500埃，第二反射层的厚度为不小于200埃。

12.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于，以出光波长为250纳米至850纳米为例，第一反射层和/或第二反射层的反射率不小于20%。

13.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于，第一反射层和/或第二反射层在400纳米至700纳米波段的反射率不小于45%。

14.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于，第二反射层的材料包括铂、钌或者铑。

15.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，第一反射层的材料的杨氏模量不小于150Gpa且体积模量不小于200Gpa。

16.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，应力调整层为第一反射层厚度的65%至75%。

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