CN116759513B - 一种镜面包覆结构反极性红光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，具体涉及一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片及其制作方法，所述LED芯片自下而上依次是背电极、Si基片、第二键合金属层、第一键合金属层、镜面金属层、介质膜层、P型窗口层、P型过渡层、P型限制层、P面波导层、多量子阱、N面波导层、N型限制层、N型电流扩展层、N型粗化层、N型欧姆接触层、钝化保护膜、焊线电极；相邻芯片的镜面金属层不直接连接，并在隔离道对应区域被第一键合金属层填充，形成键合金属层包覆镜面的结构。本发明通过优化金属反射镜的加工过程，形成键合金属层包覆镜面结构，避开隔离道制作和激光切割区域，使镜面金属层在后续加工过程中不受影响，保证LED芯片的性能及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，具体是涉及一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片及其制作方法。
背景技术
发光二极管，简称LED，是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光。发光二极管可高效地将电能转化为光能，广泛应用在如数码指示、照明、户内外显示、安防等领域，具有节能、环保、寿命长、显色性与响应速度好等特点。随着社会的发展，LED的应用范围进一步拓宽，对于LED除提高亮度外，因其运用在一些特殊环境及汽车领域，对其可靠性同样提出了更高的要求。而镜面工艺对芯片无论是性能方面还是可靠性方面都影响巨大，LED芯片在加工过程中，会经历一系列的加工过程，诸如清洗、蚀刻、减薄、切割等工序，如果上述工艺过程设计不合理，容易造成镜面结构变化，从而造成芯片存在性能及可靠性等方面的不利影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片及其制作方法，该LED芯片通过优化金属反射镜的加工过程，利用版图设计，形成键合金属层包覆镜面的结构，从而避开隔离道制作和激光切割区域，使芯片在后续加工过程中不受影响，保证LED芯片的性能及可靠性。
本发明提供一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片，所述LED芯片自下而上依次是背电极、Si基片、第二键合金属层、第一键合金属层、镜面金属层、介质膜层、P型窗口层、P型过渡层、P型限制层、P面波导层、多量子阱、N面波导层、N型限制层、N型电流扩展层、N型粗化层、N型欧姆接触层、钝化保护膜、焊线电极；
所述镜面金属层覆盖在所述介质膜层上，并通过介质膜层上的通孔与所述P型窗口层接触；
所述第一键合金属层包覆在所述镜面金属层的表面和侧壁，并在靠近隔离道对应区域与所述P型窗口层接触。
常规反极性红光LED芯片制备过程中，隔离道制作会使用到干法气体蚀刻及相应溶液湿法腐蚀，其腐蚀性气体以及化学溶液会从蚀刻的剖面影响镜面结构，从而影响LED芯片性能及可靠性。本发明将芯片的镜面金属层和介质膜层在横向独立设计，相邻芯片的镜面金属层、相邻芯片的介质膜层不直接连接，并在相邻芯片的隔离道对应区域用第一键合金属层填充，得到的芯片的镜面金属层的表面及侧壁被第一键合金属层包覆；在后续加工过程中，由于镜面金属层被包覆，且避开了隔离道制作和激光切割区域，完全不受加工工艺的影响，从而保证了LED芯片的性能及可靠性，有效解决了现有技术的不足。
进一步的，上述技术方案中，相邻芯片的所述镜面金属层和相邻芯片的所述介质膜层不直接连接，并在镜面金属层和介质膜层与相邻芯片的隔离道对应区域被所述第一键合金属层填充。
进一步的，上述技术方案中，所述P型窗口层的材料为GaP，厚度为2.5±0.5μm。
进一步的，上述技术方案中，所所述介质膜层的材料为SiO2，厚度为0.5±0.1μm。
进一步的，上述技术方案中，所述镜面金属层的材料为AuBe或AuZn，厚度为5000±200埃。
进一步的，上述技术方案中，所述第一键合金属层的厚度为1±0.5μm；所述第二键合金属层的厚度为1.5±0.5μm；所述焊线电极的材料为AuGe/Ni/Au，厚度为1±0.5μm。
进一步的，上述技术方案中，所述钝化保护膜的材料为SiN，厚度为0.3±0.1μm。
本发明还提供一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1.在GaAs衬底上，利用MOCVD（金属有机化合物化学气相淀积）生长出AlGaInP红光LED外延片；
S2.在外延片上，沉积介质膜层，并腐蚀出介质膜图形，其中，相邻芯片的介质膜层不连接；
S3.在外延片上，利用lift-off（揭开-剥离）工艺，制作图形化对位镜面金属层，其中，相邻芯片的镜面金属层不连接；
S4.在外延片上，利用电子束蒸镀方式，蒸镀第一键合金属层，并填充相邻芯片镜面金属层和介质膜层的隔离道对应区；
S5.在Si基片上，利用电子束蒸镀方式，蒸镀第二键合金属层；
S6.将外延片及Si基片，键合在一起，然后去掉原有GaAs衬底；
S7.在裸露出的外延层表面，通过负胶套刻制作图案化的电极图形，利用电子束蒸镀方式蒸镀金属电极层，利用lift-off工艺，制作出焊线电极，对晶片进行高温合金，并通过溶液腐蚀，使表面粗糙化；
S8.利用正性光刻胶做第一隔离道掩膜图形，通过ICP（电感耦合等离子体）蚀刻出第一隔离道；
S9.通过PECVD沉积钝化保护膜，并蚀刻出钝化膜图形；
S10.利用正性光刻胶做第二隔离道掩膜图形，通过ICP蚀刻出第二隔离道；
S11.最后进行减薄、蒸镀背电极、合金、激光切割、测试、刀片切割劈裂工艺，形成LED芯片。
进一步的，上述技术方案中，所制作的镜面金属层远离隔离道，且与隔离道的水平相对距离控制在6μm及以上，并在隔离道对应区域被所述第一键合金属层填充。
进一步的，上述技术方案中，所述介质膜层被所述镜面金属层覆盖，所述镜面金属层的表面及侧壁被所述第一键合金属层包覆；所述第一键合金属层在隔离道对应区域直接与所述P型窗口层接触。
本发明与现有技术相比，其有益效果有：
本发明通过优化金属反射镜的加工过程，利用版图设计，将相邻芯片的镜面金属层在隔离道对应的区域分隔并用第一金属键合层填充，镜面金属层的表面及侧壁被第一键合金属层覆盖，形成被第一键合金属层包覆的镜面金属层结构，有效避开了隔离道制作和激光切割区域，可避免后加工过程对于镜面层的影响，使芯片在后续加工过程中整体不受影响，保证LED芯片的性能及可靠性。
本发明只需在加工过程中利用版图设计即可获得包覆镜面结构，无需增加其它工艺，制备方法操作方便。
附图说明
图1为GaAs衬底反极性红光LED外延结构示意图；
图2为本发明镜面包覆结构反极性红光LED芯片结构示意图；
图3为本发明镜面包覆结构反极性红光LED芯片后加工示意图；
图4为常规反极性红光LED芯片结构示意图。
示意图中标号说明：
1、GaAs衬底；2、GaAs缓冲层；3、腐蚀截止层；4、N型欧姆接触层；5、N型粗化层；6、N型电流扩展层；7、N型限制层；8、N面波导层；9、多量子阱；10、P面波导层；11、P型限制层；12、P型过渡层；13、P型窗口层；14、介质膜层；15、镜面金属层；16、第一键合金属层；17、Si基片；18、第二键合金属层；19、焊线电极；20、钝化保护膜；21、背电极；22、第一隔离道；23、第二隔离道；24、激光切割口；25、刀片切割口。
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4，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镜面包覆结构反极性红光LED芯片，其结构示意图如图2所示，所述LED芯片自下而上依次是背电极21、Si基片17、第二键合金属层18、第一键合金属层16、镜面金属层15、介质膜层14、P型窗口层13、P型过渡层12、P型限制层11、P面波导层10、多量子阱9、N面波导层8、N型限制层7、N型电流扩展层6、N型粗化层5、N型欧姆接触层4、钝化保护膜20、焊线电极19；
具体地，所述镜面金属层15覆盖在所述介质膜层14上，并通过介质膜层上的通孔与所述P型窗口层13接触；相邻芯片的镜面金属层15和相邻芯片的介质膜层14不直接连接，并在镜面金属层15和介质膜层14与相邻芯片的隔离道对应区域被所述第一键合金属层16填充；相邻芯片镜面金属层不连接，可以有效避免在隔离道制作过程中腐蚀性气体以及化学溶液对镜面金属层的影响，提高了可靠性。
具体地，所述第一键合金属层16包覆在所述镜面金属层15的表面和侧壁，并在靠近隔离道对应区域与所述P型窗口层13接触，镜面金属层的表面和侧壁完全被第一键合金属层包覆，得到的包覆镜面金属层结构有效避开了隔离道制作和激光切割区域，可确保芯片的镜面金属层在后续加工过程中不受影响，LED芯片的性能及可靠性得到保障。
本发明的另一实施例还提供一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1.提供一GaAs衬底，利用MOCVD生长出AlGaInP红光LED外延片；具体地，将MOCVD机台设置好程序，在GaAs衬底1上依次生长GaAs缓冲层2、腐蚀截止层3、N型欧姆接触层4、N型粗化层5、N型电流扩展层6、N型限制层7、N面波导层8、多量子阱9、P面波导层10、P型限制层11、P型过渡层12、P型窗口层13，其中，P型窗口层为厚度为2.5±0.5μm的GaP材料，外延结构示意图如图1所示；
S2.在外延片上，沉积介质膜层，并腐蚀出介质膜图形，其中，相邻芯片的介质膜层不连接；具体地，利用酸碱溶液清洗外延片，在外延片表面，通过PECVD，沉积0.5±0.1μmSiO2介质膜层，采用正胶光刻制作规则排布介质膜图形，利用含氟溶液，蚀刻出介质膜图形，并用光阻去除液去除表面的光刻胶；
S3.在外延片上，利用lift-off工艺，制作图形化对位镜面金属层，其中，相邻芯片的镜面金属层不连接；具体地，利用酸碱或有机溶液清洗制作好介质膜图形的晶片，采用负胶套刻制作镜面图形，通过电子束蒸镀方式完成镜面金属层的蒸镀，并配合lift-off工艺剥离，得到镜面金属层，其中镜面金属层厚度为5000±200埃，其材料为AuBe或AuZn，镜面金属层远离隔离道，且与隔离道的水平相对距离控制在6μm及以上；将制作好镜面金属层晶片采用有机溶液清洗，并放在高温充氮氛围中进行合金10±2min，合金温度480±10℃；
S4.在外延片上，利用电子束蒸镀方式，蒸镀第一键合金属层，并填充相邻芯片镜面金属层和介质膜层的隔离道对应区；具体地，将合金后的晶片进行有机清洗并通过电子束蒸镀方式完成第一键合金属层的蒸镀，其厚度为1±0.5μm，覆盖住镜面金属层并填充隔离道区域；
S5.在Si基片上，利用电子束蒸镀方式，蒸镀第二键合金属层，其厚度为1.5±0.5μm；
S6.将外延片及Si基片，键合在一起，然后去掉原有GaAs衬底；具体地，将外延片的第一键合金属层和Si基片的第二键合金属层贴在一起，放在专用键合制具中，放入键合机台，在430℃高温、12000kg高压下完成两者的键合,然后将键合后的片源放入到氨水和双氧水的混合溶液内，通过化学腐蚀去除GaAs衬底，并通过盐酸磷酸混合液去除表面腐蚀截止层,露出N型欧姆接触层；
S7.在裸露出的外延层表面，通过负胶套刻制作图案化的电极图形，利用电子束蒸镀方式蒸镀金属电极层，利用lift-off工艺，制作出焊线电极，对晶片进行高温合金，并通过溶液腐蚀，使表面粗糙化；具体地，采用负胶套刻制作焊线电极图形，通过电子束蒸镀方式蒸镀焊线电极材料，并配合lift-off工艺剥离，得到焊线电极，焊线电极度的厚度为1±0.2μm，其材料为AuGe/Ni/Au，并进行焊线360℃高温熔合10min，以获得焊线电极材料与N型欧姆接触层形成良好的欧姆接触，同时增强与其附着效果；通过湿法腐蚀的方式，将晶片表面粗糙化，腐蚀溶液为盐酸、磷酸、水等混合溶液，分三次，每次90s，得到表面粗糙化的晶片；
S8.利用正性光刻胶做第一隔离道掩膜图形，通过ICP蚀刻出第一隔离道22；具体地，利用正性光刻胶做第一隔离道的掩膜图形，通过ICP干法蚀刻将没有光刻胶覆盖区域的外延层刻蚀至P型窗口层的GaP，并向下蚀刻掉2μm的GaP厚度停止，第一隔离道宽度为30±2μm；
S9.通过PECVD沉积钝化保护膜，并蚀刻出钝化膜图形；具体地，利用弱碱氨水溶液清洗晶片，通过PECVD沉积0.3±0.1μm的钝化保护膜，钝化保护膜为SiN膜，沉积温度为260℃；使用正性光刻胶制作掩膜PV图形，通过显影液将PV图形显现出来，利用含氟溶液蚀掉未被保护的钝化保护膜；
S10.利用正性光刻胶做第二隔离道掩膜图形，通过ICP蚀刻出第二隔离道23；具体地，利用正性光刻胶做第二隔离道掩膜图形，通过ICP干法蚀刻将没有光刻胶覆盖区域的第一隔离道并向下过蚀刻掉剩余0.5μm的GaP厚度，得到第二隔离道，第一隔离道宽度为20±2μm；
S11.最后进行减薄、蒸镀背电极21、合金、激光切割、测试、刀片切割劈裂工艺，形成LED芯片，其后加工示意图如图3所示；具体地，将GaAs衬底采用机械砂轮研磨的方式进行减薄，减薄至芯片厚度200μm；并对减薄后的芯片进行有机清洗，然后通过电子束蒸镀方式蒸镀背电极，并进行高温熔合；利用激光切割机，沿着第二隔离道进行激光烧蚀，形成激光切割口24，并通过芯片测试机进行芯片测试，测试后，采用刀片进行背面切割的方式，以固定的间距，形成刀片切割口25，将芯片劈裂，形成LED芯片并进行AOI分选。
对比例
一种常规结构反极性红光LED芯片，其结构示意图如图4所示，所述LED芯片自下而上依次是背电极21、Si基片17、第二键合金属层18、第一键合金属层16、镜面金属层15、介质膜层14、P型窗口层13、P型过渡层12、P型限制层11、P面波导层10、多量子阱9、N面波导层8、N型限制层7、N型电流扩展层6、N型粗化层5、N型欧姆接触层4、钝化保护膜20、焊线电极19；
相邻芯片的镜面金属层相连，相邻芯片的介质膜层相连，所述第一键合金属层覆盖在镜面金属层的上表面，隔离道制作和激光切割区域均直接作用于镜面金属层结构。
综上所述，本发明通过将常规反极性红光LED芯片中相邻芯片的镜面金属层设计成相独立的结构，并在隔离道区域用第一键合金属填充，得到被第一键合金属层包覆的镜面金属层结构，可将镜面金属层避开隔离道制作和激光切割区域，有效避免了芯片在后续加工过程中的影响，保证了LED芯片的性能及可靠性，方法简单易实施。
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)
1.一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片，其特征在于，所述LED芯片自下而上依次是背电极、Si基片、第二键合金属层、第一键合金属层、镜面金属层、介质膜层、P型窗口层、P型过渡层、P型限制层、P面波导层、多量子阱、N面波导层、N型限制层、N型电流扩展层、N型粗化层、N型欧姆接触层、钝化保护膜、焊线电极；
所述镜面金属层覆盖在所述介质膜层上，并通过介质膜层上的通孔与所述P型窗口层接触；
所述第一键合金属层包覆在所述镜面金属层的表面和侧壁，并在靠近隔离道对应区域与所述P型窗口层接触；
所述镜面包覆结构反极性红光LED芯片的制作方法包括以下步骤：
S1.在GaAs衬底上，利用MOCVD生长出AlGaInP红光LED外延片；
S2.在外延片上，沉积介质膜层，并腐蚀出介质膜图形，其中，相邻芯片的介质膜层不连接；
S3.在外延片上，利用lift-off工艺，制作图形化对位镜面金属层，其中，相邻芯片的镜面金属层不连接，并远离隔离道，且与隔离道的水平相对距离控制在6μm及以上，并在隔离道对应区域被所述第一键合金属层填充；
S4.在外延片上，利用电子束蒸镀方式，蒸镀第一键合金属层，并填充相邻芯片镜面金属层和介质膜层的隔离道对应区；
S5.在Si基片上，利用电子束蒸镀方式，蒸镀第二键合金属层；
S6.将外延片及Si基片，键合在一起，然后去掉原有GaAs衬底；
S7.在裸露出的外延层表面，通过负胶套刻制作图案化的电极图形，利用电子束蒸镀方式蒸镀金属电极层，利用lift-off工艺，制作出焊线电极，对晶片进行高温合金，并通过溶液腐蚀，使表面粗糙化；
S8.利用正性光刻胶做第一隔离道的掩膜图形，通过ICP干法蚀刻将没有光刻胶覆盖区域的外延层刻蚀至P型窗口层的GaP，并向下蚀刻掉2μm的GaP厚度停止，得到第一隔离道，所述第一隔离道宽度为30±2μm；
S9.通过PECVD沉积钝化保护膜，并蚀刻出钝化膜图形；
S10.利用正性光刻胶做第二隔离道掩膜图形，通过ICP干法蚀刻将没有光刻胶覆盖区域的第一隔离道并向下过蚀刻掉剩余0.5μm的GaP厚度，得到第二隔离道，所述第二隔离道宽度为20±2μm；
S11.最后进行减薄、蒸镀背电极、合金、激光切割、测试、刀片切割劈裂工艺，形成LED芯片。
2.根据权利要求1所述的一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片，其特征在于，相邻芯片的所述镜面金属层和相邻芯片的所述介质膜层不直接连接，并在镜面金属层和介质膜层与相邻芯片的隔离道对应区域被所述第一键合金属层填充。
3.根据权利要求1所述的一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片，其特征在于，所述P型窗口层的材料为GaP，厚度为2.5±0.5μm。
4.根据权利要求1所述的一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片，其特征在于，所述介质膜层的材料为SiO2，厚度为0.5±0.1μm。
5.根据权利要求1所述的一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片，其特征在于，所述镜面金属层的材料为AuBe或AuZn，厚度为5000±200埃。
6.根据权利要求1所述的一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片，其特征在于，所述第一键合金属层的厚度为1±0.5μm；所述第二键合金属层的厚度为1.5±0.5μm；所述焊线电极的材料为AuGe/Ni/Au，厚度为1±0.5μm。
7.根据权利要求1所述的一种镜面包覆结构反极性红光LED芯片，其特征在于，所述钝化保护膜的材料为SiN，厚度为0.3±0.1μm。
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