CN115863514B - 一种垂直led芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直LED芯片及其制备方法，垂直LED芯片包括自下而上依次层叠的焊盘、导电衬底、键合金属层、Ag金属保护层、Ti金属层、反射层、第一半导体层与第二半导体层；其中，所述反射层包括依次层叠在所述Ti金属层上的Ag金属层、无机反射堆，所述无机反射堆包括若干交替层叠在所述Ag金属层上的TiO₂层和SiO₂层，所述键合金属层包括第一键合金属层与第二键合金属层，本发明通过反射层能够进一步提升了垂直LED芯片的外量子效率，同时避免了现有工艺中需要在Ag金属层的底部镀粘附层金属Ni，造成反射率降低的问题。

Description

一种垂直LED芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于LED芯片的技术领域，具体地涉及一种垂直LED芯片及其制备方法。

背景技术

现有垂直结构LED芯片中反射层一般为金属Ag，但是金属Ag与底层非金属材料粘附力较差，现有的电子束蒸镀工艺蒸镀Ag后，Ag金属会从底层材料脱落，需要在蒸镀Ag之前蒸镀很薄的一层粘附力较强的Ni金属作为中间粘附层，但是会造成反射率降低，最终造成LED芯片光效的损失。

如此，需要利用磁控溅射技术将Ag靶材溅射至底层材料，才能保证Ag膜层不脱落，但是磁控溅射机台价格非常昂贵，且现有的LED灯具基本都是400nm-500nm的LED芯片激发荧光粉制备，但Ag金属对400nm-500nm的光线反射率只有94-96%，还是会吸收少部分的光线，降低了LED芯片的外量子效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种垂直LED芯片及其制备方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种垂直LED芯片，包括自下而上依次层叠的焊盘、导电衬底、键合金属层、Ag金属保护层、Ti金属层、反射层、第一半导体层与第二半导体层；

其中，所述反射层包括依次层叠在所述Ti金属层上的Ag金属层、无机反射堆，所述无机反射堆包括若干交替层叠在所述Ag金属层上的TiO₂层和SiO₂层，所述键合金属层包括依次层叠在所述导电衬底上的第一键合金属层与第二键合金属层。

相比现有技术，本申请的有益效果为：本发明中的反射层包括无机反射堆与Ag金属层，通过无机反射堆加Ag金属的组合，使得本发明提供的垂直LED芯片在400-800nm的反射率均大于99%，大幅提升垂直LED芯片的外量子效率，同时Ag金属层为利用电子束蒸镀工艺分段在不同镀率及不同加温条件下完成，且通过Ti金属层降低Ag金属层的膜层应力，使得通过电子蒸镀工艺直接将Ag镀在底层材料不脱落，避免了花费大量资金购买磁控溅射机台，也解决了现有工艺中需要在Ag底层镀粘附层金属Ni，造成垂直LED芯片反射率降低的问题。

较佳的，所述第一键合金属层与所述第二键合金属层均为Ni/Au层或Ni/Sn层。

较佳的，所述Ag金属保护层为Ti、TiW、Ni、Pt、Al、Au中的一种或多种组合。

较佳的，所述Ti金属层的厚度范围为2000Å -5000Å，所述Ag金属层的厚度范围为1200Å -2000Å。

较佳的，所述第一半导体层包括依次层叠在所述反射层上的P型电极、电流扩展层、P型GaN层、发光层、N型GaN层，所述第二半导体层包括依次层叠在所述第一半导体层上的绝缘保护层、N型电极。

较佳的，所述电流扩展层为ITO层，所述绝缘保护层为SiN层或SiO₂层。

较佳的，所述无机反射堆上设有第一通孔，所述Ag金属层通过所述第一通孔与所述P型电极连接，所述绝缘保护层上设有第二通孔，所述N型电极通过所述第二通孔与所述N型GaN层连接。

第二方面，本发明实施例还提供以下技术方案，一种垂直LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

提供一基板，并在所述基板上制备第一半导体层；

利用电子束蒸镀工艺在所述第一半导体层上依次蒸镀形成无机反射堆与Ag金属层，以形成反射层，其中，所述无机反射堆包括若干交替层叠在所述第一半导体层上的SiO₂层和TiO₂层；

利用电子束蒸镀工艺在所述反射层上依次制备Ti金属层、Ag金属保护层、第一键合金属层；

提供一导电衬底，在所述导电衬底上制备第二键合金属层，将所述第一键合金属层与所述第二键合金属层进行键合，以形成键合金属层，将所述导电衬底进行翻转并去除所述基板；

在第一半导体层上制备第二半导体层，对所述导电衬底进行减薄，并在减薄后的所述导电衬底下方蒸镀形成焊盘。

较佳的，在所述利用电子束蒸镀工艺在所述第一半导体层上依次蒸镀形成无机反射堆与Ag金属层，以形成反射层的步骤中，利用电子束蒸镀工艺依次在第一预设条件、第二预设条件与第三预设条件下蒸镀形成所述Ag金属层，所述第一预设条件为电子束蒸镀腔体温度为40℃-60℃，蒸镀速率为8Å/s-10Å/s，蒸镀厚度为500Å-800Å，所述第二预设条件为电子束蒸镀腔体温度为70℃-90℃，蒸镀速率为4Å/S -6Å/S，蒸镀厚度为300Å -500Å，所述第三预设条件为电子束蒸镀腔体温度为90℃-110℃，蒸镀速率为1Å/S -3Å/S，蒸镀厚度为400Å -700Å。

较佳的，所述在所述基板上制备第一半导体层的步骤中，在所述基板上依次制备N型GaN层、发光层、P型GaN层、电流扩展层、P型电极，以形成第一半导体层；

所述在第一半导体层上制备第二半导体层的步骤中，在所述N型GaN层上依次制备绝缘保护层、N型电极，以形成第二半导体层。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的垂直LED芯片的结构图；

图2为本发明提供的实施例一、对照组一以及对照组二在400-800nm处的反射率对比图；

图3为本发明实施例提供的垂直LED芯片的制备方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的垂直LED芯片在经过步骤S03后的垂直LED芯片半成品示意图；

图5为本发明实施例提供的垂直LED芯片在经过步骤S04后的垂直LED芯片半成品示意图。

附图标记说明：

以下将结合附图对本发明实施例做进一步说明。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的实施例，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“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实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

实施例一

如图1所示，本发明第一实施例提供了一种垂直LED芯片，包括自下而上依次层叠的焊盘25、导电衬底22、键合金属层21、Ag金属保护层20、Ti金属层19、反射层、第一半导体层与第二半导体层；

其中，所述反射层包括依次层叠在所述Ti金属层19上的Ag金属层18、无机反射堆17，所述无机反射堆17包括若干交替层叠在所述Ag金属层18上的TiO₂层和SiO₂层，所述键合金属层21包括依次层叠在所述导电衬底22上的第一键合金属层211与第二键合金属层212；

具体的，通过将反射层设置为Ag金属层18与无机反射堆17的组合结构，能够确保带有所述反射层的垂直LED芯片在400-800nm的反射率均大于99%，以此进一步提升了本发明的垂直LED芯片的外量子效率，同时在本发明中，且通过Ti金属层19降低Ag金属层18的膜层应力，同时本发明中的Ag金属层18依次在不同镀率及不同加温条件下完成蒸镀过程，能够保证了利用电子蒸镀工艺直接将Ag镀在底层材料不脱落，避免了企业花费大量资金购买昂贵的磁控溅射机台，同时也避免了现有工艺中需要在Ag金属层18的底部镀粘附层金属Ni，造成反射率降低的问题。

在本实施例中，所述第一键合金属层211与所述第二键合金属层212均为Ni/Au层或Ni/Sn层；

其中，Ni/Au层为Ni层与Au层两者层叠的结构，即在Ni层的上方蒸镀一层Au层，即形成了Ni/Au层，同理，Ni/Sn层为Ni层与Sn层两者层叠的结构，即在Ni层的上方蒸镀一层Sn层，即形成了Ni/Sn层，且第一键合金属层211与第二键合金属层212均为Ni/Au层或Ni/Sn层；

值得说明的是，所述焊盘为Ni/Au层或Ni/Au/Sn层。

在本实施例中，所述Ag金属保护层20为Ti、TiW、Ni、Pt、Al、Au中的一种或多种组合。

在本实施例中，所述Ti金属层19的厚度范围为2000Å-5000Å，所述Ag金属层18的厚度范围为1200Å -2000Å。

在本实施例中，所述第一半导体层包括依次层叠在所述反射层上的P型电极16、电流扩展层15、P型GaN层14、发光层13、N型GaN层12，所述第二半导体层包括依次层叠在所述第一半导体层上的绝缘保护层23、N型电极24。

在本实施例中，所述电流扩展层15为ITO层，所述绝缘保护层23为SiN层或SiO₂层；

值得说明的是，所述P型电极16和所述N型电极24均为Cr、Ni、Ti、Pt、Al、Au中的一种或多种组合。

在本实施例中，所述无机反射堆17上设有第一通孔，所述Ag金属层18通过所述第一通孔与所述P型电极16连接，所述绝缘保护层23上设有第二通孔，所述N型电极24通过所述第二通孔与所述N型GaN层12连接。

为了方便后续的光电测试，在本申请中引入对照组一以及对照组二。

对照组一提供了一种垂直LED芯片，其结构与上述实施例一提供的垂直LED芯片相同，但区别如下：在对照组一中，反射层为Ag金属层18；

对照组二提供了一种垂直LED芯片，其结构与上述实施例一提供的垂直LED芯片相同，但区别如下：在对照组二中，反射层为Ag金属层18与Ni金属层；

将上述实施例一、对照组一以及对照组二中的垂直LED芯片进行反射率测试，测试结果如图2所示。

由图2可知，实施例一所提供的垂直LED芯片在400-800nm的反射率均大于对照组一与对照组二所提供的垂直LED芯片的在400-800nm的反射率，且本实施例一所提供的垂直LED芯片在400-800nm的反射率均大于99%。

实施例二

如图3所示，本发明第二实施例提供了一种垂直LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

S01、提供一基板11，并在所述基板11上制备第一半导体层；

具体的，所述基板11为本征Si片，该基板11的作用为了沉积生长第一半导体层，在后续步骤中需将该基板11进行去除；

其中，由于所述第一半导体层包括依次层叠在所述反射层上的P型电极16、电流扩展层15、P型GaN层14、发光层13、N型GaN层12，所以在所述基板11上制备第一半导体层的步骤包括在所述基板11上依次制备N型GaN层12、发光层13、P型GaN层14、电流扩展层15、P型电极16，以形成第一半导体层；

因此，所述步骤S01具体包括：

首先，在所述基板11上利用MOCVD（金属无机化学气象沉积）工艺生长N型GaN层12、发光层13、P型GaN层14，值得说明的是，在实际的生产过程中，需在N型GaN层12与所述基板11之间通过MOCVD（金属无机化学气象沉积）工艺生长出u型GaN层，但为了清楚简单说明本发明，故在附图中将其省略未画出；

之后，在P型GaN层14上利用磁控溅射或电子束工艺制备电流扩展层15，再然后，利用Lift-Off及电子束蒸镀工艺在电流扩展层15上制备P型电极16，最终形成第一半导体层。

S02、利用电子束蒸镀工艺在所述第一半导体层上依次蒸镀形成无机反射堆17与Ag金属层18，以形成反射层，其中，所述无机反射堆17包括若干交替层叠在所述第一半导体层上的SiO₂层和TiO₂层；

具体的，所述步骤S02包括：

首先，利用电子束蒸镀工艺在P型电极16和电流扩展层15表面制备无机反射堆17，然后利用等离子体刻蚀及光刻工艺制备无机反射堆17上的第一通孔，同时，所述无机反射堆17上的第一通孔与P型电极16正向投影为同心圆，且其面积小于P型电极16；

然后，在完成无机反射堆17的制备之后，在其表面涂布负性光刻胶，然后曝光、显影，暴露出需要制备Ag金属层18的部分，接着利用电子束蒸镀工艺制备Ag金属层18；

值得说明的是，在制备Ag金属层18的过程中，利用电子束蒸镀工艺依次在第一预设条件、第二预设条件与第三预设条件下蒸镀形成所述Ag金属层，所述第一预设条件为电子束蒸镀腔体温度为40℃-60℃，蒸镀速率为8Å/s-10Å/s，蒸镀厚度为500Å -800Å，所述第二预设条件为电子束蒸镀腔体温度为70℃-90℃，蒸镀速率为4Å/s -6Å/s，蒸镀厚度为300Å-500Å，所述第三预设条件为电子束蒸镀腔体温度为90℃-110℃，蒸镀速率为1Å/s -3Å/s，蒸镀厚度为400Å-700Å；

具体的，在制备Ag金属层18时，需要完成三次蒸镀过程，即为蒸镀Ag金属层18的三个阶段，在第一阶段中，在无机反射堆17的表面进行第一次蒸镀，电子束蒸镀腔体温度为50℃，蒸镀速率为10Å/s，经过第一阶段的蒸镀之后，Ag金属层18的蒸镀厚度为500Å-800Å，在第二阶段中，对第一次蒸镀后的Ag金属层18表面进行第二次蒸镀，电子束蒸镀腔体温度为80℃，蒸镀速率为5Å/S，经过第二阶段的蒸镀之后，Ag金属层18的蒸镀厚度增加了300Å-500Å，此时Ag金属层18的厚度为800Å-1300Å，在第三阶段中，对第二次蒸镀后的Ag金属层18表面进行第三次蒸镀，电子束蒸镀腔体温度为100℃，蒸镀速率为2Å/S，经过第三阶段的蒸镀之后，Ag金属层18的蒸镀厚度继续增加了400Å-700Å，此时最终的Ag金属层18的厚度为1200Å-2000Å。

因此，本实施例通过将反射层设置为Ag金属层18与无机反射堆17的组合结构，能够确保带有所述反射层的垂直LED芯片在400-800nm的反射率均大于99%，以此进一步提升了本发明的垂直LED芯片的外量子效率。

S03、利用电子束蒸镀工艺在所述反射层上依次制备Ti金属层19、Ag金属保护层20、第一键合金属层211；

如图4所示，具体的，所述步骤S03包括：

首先在Ag金属层18上制备Ti金属层19，制备Ti金属层19与制备Ag金属层18的步骤同时进行，即在完成无机反射堆17的制备之后，在其表面涂布负性光刻胶，然后曝光、显影，暴露出需要制备Ag金属层18的部分，接着利用电子束蒸镀工艺制备Ag金属层18，紧接着继续利用电子束蒸镀工艺继续蒸镀Ti金属层19，然后，利用Lift-Off工艺剥离掉多余的金属，去除光刻胶，形成Ag金属层18和Ti金属层19；

之后，利用Lift-Off和电子束蒸镀工艺在Ti金属层19上制备Ag金属保护层20，并利用电子束工艺在Ag金属保护层20上制备第一键合金属层211。

因此，本实施例通过在Ag金属层18的上方设置Ti金属层19，同时本发明中的Ag金属层18依次在不同镀率及不同加温条件下完成蒸镀过程，能够保证了利用电子蒸镀工艺直接将Ag镀在底层材料不脱落，避免了企业花费大量资金购买昂贵的磁控溅射机台，同时也避免了现有工艺中需要在Ag金属层18的底部镀粘附层金属Ni，造成反射率降低的问题。

S04、提供一导电衬底22，在所述导电衬底22上制备第二键合金属层212，将所述第一键合金属层211与所述第二键合金属层212进行键合，以形成键合金属层21，将所述导电衬底22进行翻转并去除所述基板11；

如图5所示，具体的，本实施例中的导电衬底22为掺杂的N型或P型Si片，通过在所述导电衬底22上利用电子束蒸镀工艺制备第二键合金属层212，利用热压键合技术在高温高压下，将所述第一键合金属层211与所述第二键合金属层212键合在一起，由于在上述步骤中，第一半导体层与反射层的上下位置关系与实施例一中的位置关系相反，为了进一步便于后续步骤，因此在步骤S04中，需将所述第一键合金属层211与所述第二键合金属层212键合之后的垂直LED芯片半成品翻转180度，使得基板朝上设置，之后便可利用硝酸氢氟酸溶液去除掉基板11。

S05、在第一半导体层上制备第二半导体层，对所述导电衬底进行减薄，并在减薄后的所述导电衬底下方蒸镀形成焊盘；

具体的，由于所述第二半导体层包括依次层叠在所述第一半导体层上的绝缘保护层23、N型电极24，所以在所述N型GaN层12上依次制备绝缘保护层23、N型电极24，以形成第二半导体层；

因此，所述步骤S05包括：

首先，利用等离子体化学气相沉积工艺在N型GaN层12表面沉积绝缘保护层23，之后利用光刻技术在N型GaN层12表面形成保护光刻胶，暴露处设置N型电极24的位置，然后利用BOE腐蚀掉暴露出的绝缘保护层23，暴露出N型GaN层12，然后利用电子束蒸镀技术蒸镀N型电极24，然后利用Lift-Off工艺去除多余的金属，然后去除光刻胶，形成N型电极24；

之后，对导电衬底22进行减薄，达到预设厚度，并减薄后的导电衬底22表面利用电子束蒸镀工艺蒸镀焊盘25，以此完成垂直LED芯片的制备。

综上，本发明通过将反射层设置为Ag金属层18与无机反射堆17的组合结构，能够确保带有所述反射层的垂直LED芯片在400-800nm的反射率均大于99%，以此进一步提升了本发明的垂直LED芯片的外量子效率，同时在本发明中，通过Ti金属层19降低Ag金属层18的膜层应力，同时本发明中的Ag金属层18依次在不同镀率及不同加温条件下完成蒸镀过程，能够保证了利用电子蒸镀工艺直接将Ag镀在底层材料不脱落，避免了企业花费大量资金购买昂贵的磁控溅射机台，同时也避免了现有工艺中需要在Ag金属层18的底部镀粘附层金属Ni，造成反射率降低的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种垂直LED芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一基板，并在所述基板上制备第一半导体层；

利用电子束蒸镀工艺在所述第一半导体层上依次蒸镀形成无机反射堆与Ag金属层，以形成反射层，其中，所述无机反射堆包括若干交替层叠在所述第一半导体层上的SiO₂层和TiO₂层；

利用电子束蒸镀工艺在所述反射层上依次制备Ti金属层、Ag金属保护层、第一键合金属层；

提供一导电衬底，在所述导电衬底上制备第二键合金属层，将所述第一键合金属层与所述第二键合金属层进行键合，以形成键合金属层，将所述导电衬底进行翻转并去除所述基板；

在第一半导体层上制备第二半导体层，对所述导电衬底进行减薄，并在减薄后的所述导电衬底下方蒸镀形成焊盘；

在所述利用电子束蒸镀工艺在所述第一半导体层上依次蒸镀形成无机反射堆与Ag金属层，以形成反射层的步骤中，利用电子束蒸镀工艺依次在第一预设条件、第二预设条件与第三预设条件下蒸镀形成所述Ag金属层，所述第一预设条件为电子束蒸镀腔体温度为40℃-60℃，蒸镀速率为8Å/s-10Å/s，蒸镀厚度为500Å-800Å，所述第二预设条件为电子束蒸镀腔体温度为70℃-90℃，蒸镀速率为4Å/S -6Å/S，蒸镀厚度为300Å-500Å，所述第三预设条件为电子束蒸镀腔体温度为90℃-110℃，蒸镀速率为1Å/S -3Å/S，蒸镀厚度为400Å-700Å；

所述在所述基板上制备第一半导体层的步骤中，在所述基板上依次制备N型GaN层、发光层、P型GaN层、电流扩展层、P型电极，以形成第一半导体层；

所述在第一半导体层上制备第二半导体层的步骤中，在所述N型GaN层上依次制备绝缘保护层、N型电极，以形成第二半导体层。

2.一种垂直LED芯片，利用如权利要求1所述的一种垂直LED芯片的制备方法，其特征在于，包括自下而上依次层叠的焊盘、导电衬底、键合金属层、Ag金属保护层、Ti金属层、反射层、第一半导体层与第二半导体层；

其中，所述反射层包括依次层叠在所述Ti金属层上的Ag金属层、无机反射堆，所述无机反射堆包括若干交替层叠在所述Ag金属层上的TiO₂层和SiO₂层，所述键合金属层包括依次层叠在所述导电衬底上的第一键合金属层与第二键合金属层。

3.根据权利要求2所述的垂直LED芯片，其特征在于，所述第一键合金属层与所述第二键合金属层均为Ni/Au层或Ni/Sn层。

4.根据权利要求2所述的垂直LED芯片，其特征在于，所述Ag金属保护层为Ti、TiW、Ni、Pt、Al、Au中的一种或多种组合。

5.根据权利要求2所述的垂直LED芯片，其特征在于，所述Ti金属层的厚度范围为2000Å-5000Å，所述Ag金属层的厚度范围为1200Å-2000Å。

6.根据权利要求2-5任一所述的垂直LED芯片，其特征在于，所述第一半导体层包括依次层叠在所述反射层上的P型电极、电流扩展层、P型GaN层、发光层、N型GaN层，所述第二半导体层包括依次层叠在所述第一半导体层上的绝缘保护层、N型电极。

7.根据权利要求6所述的垂直LED芯片，其特征在于，所述电流扩展层为ITO层，所述绝缘保护层为SiN层或SiO₂层。

8.根据权利要求6所述的垂直LED芯片，其特征在于，所述无机反射堆上设有第一通孔，所述Ag金属层通过所述第一通孔与所述P型电极连接，所述绝缘保护层上设有第二通孔，所述N型电极通过所述第二通孔与所述N型GaN层连接。

Images