CN116314536B - 具有氧化层结构反极性圆孔发光led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED技术领域，具体是涉及一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片及其制作方法，包括：在GaAs衬底上，生长出具有氧化层结构的外延片；依次蒸镀镜面层和第一键合层；在Si衬底上蒸镀第二键合层；将外延片和Si衬底键合在一起，并去掉GaAs衬底；在外延片表面制作N标记电极以及环形电极，在环形电极外侧蚀刻出隔离槽，得到圆形台柱；制作氧化孔；以及N焊线电极、P电极；完成后续工序，得到LED芯片。本发明通过对常规LED芯片的结构进行改进，可有效解决现有技术中无法调节光强弱、常规工艺的大出光角度以及封装焊线难的问题，适用性得到大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，具体是涉及一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片及其制作方法。
背景技术
LED（二极管）作为一种新型发光元器件，由于具有环保、节能、响应速度好等特点被广泛应用于日常生活中。但因其具有发光角度大，光型多受器件外观制约，以及封装焊线时容易受其尺寸影响等的因素的影响，对于可调节弱光指示类LED器件,现有常规芯片设计及制作方法均无法实现，这也就在一定程度上局限了LED的应用范围。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片及其制作方法，该制作方法通过对常规LED芯片的结构进行改进，可有效解决现有技术中无法调节光强弱、常规工艺的大出光角度以及封装焊线难的问题，适用性得到大大提高。
本发明提供的一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片的制作方法，包括：
在GaAs衬底上，生长出具有氧化层结构的外延片；
在所述外延片上依次蒸镀镜面层和第一键合层；
在Si衬底上蒸镀第二键合层；
将所述外延片和所述Si衬底键合在一起，并去掉GaAs衬底；
在裸露的外延片表面制作N标记电极和环形电极，在所述环形电极外侧蚀刻出隔离槽，得到圆形台柱；
对所述圆形台柱内部并靠近圆形台柱边缘的氧化层进行氧化处理，得到氧化孔；
在所述外延片上沉积钝化层并制作N焊线电极；
在Si衬底上蒸镀P电极；
完成后续工序，得到LED芯片。
本技术方案中在常规AlGaInP LED外延结构中加入一定厚度的氧化层AlGaAs，通过控制氧化时间来控制氧化孔的大小，可实现不同光强弱的调节，满足不同客户需求；通过蚀刻圆形台柱，并制作出光孔面，解决了常规工艺的大出光角度问题；通过引出焊线电极，分离了发光区域与焊线电极，解决了封装焊线难的问题。
进一步的，上述技术方案中，所述外延片自下而上依次包含GaAs衬底、缓冲层、腐蚀截止层、N型欧姆接触层、N型电极保护层、N型粗化层、N型电流扩展层、氧化层、N型限制层、MQW（多层量子阱）发光层、P型限制层、P型过渡层和P型窗口层；所述氧化层的材料为AlGaAs，厚度为75nm-85nm。具体地，采用MOCVD（金属有机化合物化学气相沉淀）制备，其中缓冲层的材料为GaAs、腐蚀截止层的材料为GaInP、N型欧姆接触层的材料为GaAs、N型电极保护层的材料为GaInP、N型粗化层的材料为AlGaInP、N型电流扩展层的材料为AlGaInP、氧化层的材料为AlGaAs、N型限制层的材料为AlInP、MQW发光层的材料为AlGaInP、P型限制层的材料为AlInP、P型过渡层的材料为AlGaInP、P型窗口层的材料为GaP。
进一步的，上述技术方案中，所述镜面层的材料为AuZn或AuBe，厚度为0.45μm-0.55μm，蒸镀在所述P型窗口层上，所述蒸镀条件为：温度为300℃，镀率为5Å/S，再经过400℃-500℃退火10min。具体地，采用电子束技术蒸镀。本技术方案中使AuZn或AuBe作为镜面层，可与P型窗口层GaP层形成良好的电学接触，提高可靠性。
进一步的，上述技术方案中，所述第一键合层和所述第二键合层的材料均为Au，厚度为400nm-1000nm。
进一步的，上述技术方案中，所述N标记电极和所述环形电极的材料均为Ti/Pt/Au，其中，所述环形电极与所述氧化孔的圆心相对应，且氧化孔内径≤环形电极的内径。本技术方案中，N标记电极和环形电极均属于N接触电极，其中N标记电极起标识作用，可方便后续焊线的位置识别，而环形电极为实际的接触电极；同时通过控制环形电极和氧化孔的内径，可解决大出光角度的问题。
进一步的，上述技术方案中，所述隔离槽蚀刻至镜面层停止，所述圆形台柱的角度为75°-80°。本技术方案中，通过将圆形台柱设计成具有一定角度的斜面，有利于后续侧壁金属的覆盖，可靠性好。
进一步的，上述技术方案中，氧化层的氧化处理方法为：将所述圆形台柱内部并靠近圆形台柱边缘的氧化层，在温度为380℃-430℃，流量为5L/min的N2/H2，水汽为30g/h，压力为750mbar的条件下，保持15min-35min，得到氧化孔。本技术方案中，通过对圆形台柱内部并靠近圆形台柱边缘的氧化层进行氧化处理，可通过控制氧化时间、温度等条件，控制氧化孔的大小，实现电流密度的改变，从而到达控制光强弱的目的。
进一步的，上述技术方案中，所述钝化层为Six1Ny、SiOx2交替组成的复合膜，共5-7层，厚度为3μm-4μm，其中，1≤x1≤3,1≤y≤4,1≤x2≤2，x1、x2、y均为正整数。
进一步的，上述技术方案中，所述N焊线电极和P电极的材料均为Ti/Pt/Au。
本发明还提供一种由上述制作方法制作的具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片，该芯片自下而上依次包括P电极，Si衬底，第二键合层，第一键合层，镜面层，P型窗口层,P型过渡层,P型限制层,MQW发光层,N型限制层,氧化层,N型电流扩展层，N型粗化层，N型电极保护层，N型欧姆接触层，N标记电极，环形电极，钝化层，N焊线电极；
还包括氧化孔、出光孔和隔离槽；所述出光孔位于所述环形电极内部，所述隔离槽位于所述环形电极外侧并截止于所述镜面层，所述氧化孔位于所述氧化层上并与所述出光孔的位置对应。
本发明与现有技术相比，其有益效果有：
1.本发明在常规AlGaInP LED外延结构中加入一定厚度的氧化层AlGaAs，同时通过对氧化层与环形电极出光孔内对应的区域进行氧化处理，通过控制氧化时间、温度等控制氧化深度，达到控制光强弱的目的，可实现光强弱的调节，满足对于低亮段LED产品的需求；
2.本发明通过在环形电极出光孔外的区域蚀刻出一定角度的圆形台柱，使得台柱上表面为出光孔面，这样可解决常规工艺的大出光角度问题，同时形成一定的斜面，有利于侧壁金属的覆盖，提高芯片可靠性；
3.本发明通过对芯片的结构进行设计，将焊线电极引出，并将发光区域与焊线电极分离，实现了后续焊线操作的便捷性，且不会影响发光孔，可有效解决封装焊线时难度大、成品率低的问题；
4.本发明制作方法简单，得到的LED芯片可靠性好，应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明外延片结构示意图；
图2为本发明LED芯片俯视示意图；
图3为本发明LED芯片截面结构示意图。
示意图中标号说明：
1、GaAs衬底；2、缓冲层；3、腐蚀截止层；4、N型欧姆接触层；5、N型电极保护层；6、N型粗化层；7、N型电流扩展层；8、氧化层；9、N型限制层；10、MQW发光层；11、P型限制层；12、P型过渡层；13、P型窗口层；14、镜面层；15、第一键合层；16、第二键合层；17、Si衬底；18、P电极；19、N标记电极；20、环形电极；21、钝化层；22、N焊线电极；23、氧化孔；24、出光孔；25、隔离槽。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
请参阅图1至图3，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
本发明的一实施例提供一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片的制作方法，具体包括以下步骤：
（1）提供一GaAs衬底1作为外延结构生长衬底。
（2）在MOCVD机台设置好程序，在GaAs衬底1上依次生长缓冲层2（GaAs）、腐蚀截止层3（GaInP）、N型欧姆接触层4（GaAs）、N型电极保护层5（GaInP）、N型粗化层6（AlGaInP）、N型电流扩展层7（AlGaInP）、氧化层8（AlGaAs）、N型限制层9（AlInP）、MQW发光层10（AlGaInP）、P型限制层11（AlInP）、P型过渡层12（AlGaInP）、P型窗口层13（GaP）；该外延片结构示意图如图1所示；
其中，在N型电流扩展层7上生长含有高铝组分的氧化层8，生长温度为600℃-800℃，生长压力为50mbar,生长厚度为75nm-85nm。
（3）利用酸碱清洗液清洗外延片，在外延片P型窗口层的GaP层表面蒸镀一层厚度为0.45μm-0.55μm的含有合金金属材料AuZn或AuBe结构层的镜面层14，蒸镀时的温度为300℃，镀率为5Å/S，再经过400℃-500℃退火10min，使AuZn或AuBe同P型窗口层的GaP层形成良好的电学接触。然后在制作好的镜面层上采用电子束蒸镀方式制作厚度为400nm-1000nm的Au,作为第一键合层15。
（4）将新取出的Si衬底17采用有机溶液或酸碱清洗后，以电子束蒸镀方式制作厚度为400nm-1000nm的Au,作为第二键合层16。
（5）将带有第一键合层15的制品与第二键合层16的制品浸入有机溶液中清洗，清洗完毕烘烤后，并将键合层相对，在高温高压作用下，经过30min将两者键合在一起。
（6）利用机械研磨配合化学腐蚀方式，对外延片进行处理，化学腐蚀停止在腐蚀截止层3上，去除GaAs衬底1。
（7）利用负性光刻胶制作N接触电极的掩膜图形，蒸镀N接触电极的材料为Ti/Pt/Au，通过lift-off工艺剥离，得到N接触电极。其中，所述N接触电极包括N标记电极19和环形电极20，环形电极20为实际的接触电极，位于圆形台柱的表面，而N标记电极19位于芯片的另一侧并与环形电极20相分离。
（8）使用正性光刻胶制作隔离槽25的掩膜图形，通过ICP（感应耦合等离子体）蚀刻的方式得到隔离槽25，刻蚀深度至镜面层14停止，通过控制ICP上下电极功率及气体比率，使得圆形台柱的角度在75°-80°，其中ICP蚀刻功率为500W,BCl3流量为25sccm，Cl2流量为5sccm，N2流量为30sccm。
（9）通过湿法氧化的方式对圆形台柱内部并靠近圆形台柱边缘的氧化层8进行氧化，得到氧化孔23，具体地，将所述圆形台柱内并靠近圆柱边缘的氧化层在温度为380℃-430℃，流量为5L/min的N2/H2，水汽为30g/h，压力为750mbar的条件下，保持15min-35min，得到氧化孔23。通过控制氧化条件如时间、温度等，可实现氧化孔23大小的调节。
（10）将晶片清洗后通过PECVD（等离子体增强化学的气相沉积法）沉积3μm-4μm的钝化层21，钝化层21为Six1Ny、SiOx2交替组成的复合膜，共5层-7层，其中，1≤x1≤3,1≤y≤4,1≤x2≤2，x1、x2、y均为正整数，沉积温度为350℃；再次使用正性光刻胶制作掩膜图形，通过显影液将台柱上表面环形电极20及其同心圆面、以及芯粒周围34um宽走道裸露出来，利用ICP刻蚀掉钝化层21，露出环形电极20及出光孔24及芯粒周围34um宽走道。
（11）利用负性光刻胶制作N焊线电极22的掩膜图形，通过sputter或电子束蒸镀N焊线电极22的材料为Ti/Pt/Au，厚度为4μm-5μm，通过lift-off工艺剥离，得到N焊线电极22。
（12）将Si衬底17的厚度研磨至200μm，然后蒸镀P电极18，其材料为Ti/Pt/Au，并进行320℃高温退火。
（13）利用刀片切割的方式沿着走道对晶圆N面进行切割，然后利用激光设备对P电极18金属面进行标记，最后利用刀片对晶圆P电极18金属面进行切穿，将晶圆切成单个芯片。
本发明的另一实施例还提供一种由上述制作方法制作的具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片，该芯片的俯视示意图以及截面结构示意图分别如图2和图3所示；该芯片自下而上依次包括P电极18，Si衬底17，第二键合层16，第一键合层15，镜面层14，P型窗口层13,P型过渡层12,P型限制层11,MQW发光层10,N型限制层9,氧化层8,N型电流扩展层7，N型粗化层6，N型电极保护层5，N型欧姆接触层4，N标记电极19，环形电极20，钝化层21，N焊线电极22；
还包括氧化孔23、出光孔24和隔离槽25；所述出光孔24位于所述环形电极20内部，所述隔离槽25位于所述环形电极20外侧并截止于所述镜面层14，所述氧化孔23位于所述氧化层8上并与所述出光孔24的位置对应。
综上所述，本发明通过在常规AlGaInP LED外延结构中加入一定厚度的氧化层AlGaAs，同时通过对氧化层与环形电极出光孔内对应的区域进行氧化处理，通过控制氧化时间、温度等控制氧化深度，达到控制光强弱的目的，可实现光强弱的调节，满足对于低亮段LED产品的需求；通过蚀刻圆形台柱，并制作出光孔面，解决了常规工艺的大出光角度问题；通过引出焊线电极，分离了发光区域与焊线电极，可有效解决封装焊线时难度大、成品率低的问题，该LED芯片可靠性好，应用范围广。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片的制作方法，其特征在于，包括：
在GaAs衬底上，生长出具有氧化层结构的外延片；所述外延片自下而上依次包含GaAs衬底、缓冲层、腐蚀截止层、N型欧姆接触层、N型电极保护层、N型粗化层、N型电流扩展层、氧化层、N型限制层、MQW发光层、P型限制层、P型过渡层和P型窗口层；
在所述外延片上依次蒸镀镜面层和第一键合层；
在Si衬底上蒸镀第二键合层；
将所述外延片和所述Si衬底键合在一起，并去掉GaAs衬底；
在裸露的外延片表面制作N标记电极和环形电极，在所述环形电极外侧蚀刻出隔离槽，得到圆形台柱；
对所述圆形台柱内部并靠近圆形台柱边缘的氧化层进行氧化处理，得到氧化孔；所述环形电极与所述氧化孔的圆心相对应，且氧化孔内径≤环形电极的内径；
在所述外延片上沉积钝化层并制作N焊线电极；
在Si衬底上蒸镀P电极；
完成后续工序，得到LED芯片；
所述氧化层的材料为AlGaAs，厚度为75nm-85nm；
氧化层的氧化处理方法为：将所述圆形台柱内部并靠近圆形台柱边缘的氧化层，在温度为380℃-430℃，流量为5L/min的N2/H2，水汽为30g/h，压力为750mbar的条件下，保持15min-35min，得到氧化孔；
所述镜面层的材料为AuZn或AuBe；
所述隔离槽蚀刻至镜面层停止，所述圆形台柱的角度为75°-80°。
2.根据权利要求1所述的一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片的制作方法，其特征在于，所述镜面层的厚度为0.45μm-0.55μm，蒸镀在所述P型窗口层上，所述蒸镀条件为：温度为300℃，镀率为5Å/S，再经过400℃-500℃退火10min。
3.根据权利要求1所述的一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第一键合层和所述第二键合层的材料均为Au，厚度为400nm-1000nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片的制作方法，其特征在于，所述N标记电极和所述环形电极的材料均为Ti/Pt/Au。
5.根据权利要求1所述的一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片的制作方法，其特征在于，所述钝化层为Six1Ny、SiOx2交替组成的复合膜，共5层-7层，厚度为3μm-4μm，其中，1≤x1≤3,1≤y≤4,1≤x2≤2，x1、x2、y均为正整数。
6.根据权利要求1所述的一种具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片的制作方法，其特征在于，所述N焊线电极和P电极的材料均为Ti/Pt/Au。
7.一种由权利要求1-6任一项所述的制作方法制作的具有氧化层结构反极性圆孔发光LED芯片，其特征在于，自下而上依次包括P电极，Si衬底，第二键合层，第一键合层，镜面层，P型窗口层,P型过渡层,P型限制层,MQW发光层,N型限制层,氧化层,N型电流扩展层，N型粗化层，N型电极保护层，N型欧姆接触层，N标记电极，环形电极，钝化层，N焊线电极；还包括氧化孔、出光孔和隔离槽；所述出光孔位于所述环形电极内部，所述隔离槽位于所述环形电极外侧并截止于所述镜面层，所述氧化孔位于所述氧化层上并与所述出光孔的位置对应。
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