CN116779745B - 一种反极性led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LED芯片技术领域，具体涉及一种反极性LED芯片及其制作方法。本申请的反极性LED芯片从上至下包括：N面电极、N型半导体层、MQW发光层、P型半导体层、P型窗口层、介质膜缓冲层、镜面金属层、第一键合金属层、第二键合金属层、Si衬底和背面电极；其中，P型窗口层包括GaP基层和图案化表层，GaP基层紧邻P型半导体层设置，介质膜缓冲层包括从上至下依次交替设置的二氧化硅层和二氧化钛层；利用此发明制作的LED芯片，可保证性能稳定，提升LED发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片技术领域，具体涉及一种反极性LED芯片及其制作方法。
背景技术
传统的LED芯片是正极朝上，负极在下焊接在支架上的。后来开发出来的LED芯片是负极朝上，正极焊接在支架上，称之为反极性芯片。反极性LED芯片的材料、制程与传统LED芯片不同，反极性的芯片要比传统极性的芯片发光效率高。随着应用范围场景的不断扩大，对于LED芯片的性能提出了更高的要求，已由传统的单纯追求光强，逐渐转为关注发光效率以及较高的可靠性等。现有的反极性LED芯片材料生长中为了获得较好的电流扩展，不免引入吸光材料，另外因LED各角度发光的特点，为了让光尽可能从正面出射出去，引入了ODR技术（全方位反射镜技术），但因ODR在芯片制作早期就会形成，随着芯片流片工艺的进行，稳定的ODR结构是LED性能的重要保障。现有反极性LED结构、材料生长及芯片工艺过程无法满足在提升发光效率同时保证可靠性。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种反极性LED芯片，能够解决传统LED吸光材料和ODR设置导致的发光效率和可靠性难以同时保证的技术问题。
本发明的第二目的是提供一种反极性LED芯片的制作方法，该方法能够实现上述反极性LED芯片的制备，解决传统LED吸光材料和ODR设置导致的发光效率和可靠性难以同时保证的技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供的技术方案是：
本发明的第一方面是提供一种反极性LED芯片，所述LED芯片从上至下包括：
N面电极、N型半导体层、MQW发光层、P型半导体层、P型窗口层、介质膜缓冲层、镜面金属层、第一键合金属层、第二键合金属层、Si衬底和背面电极；
其中，所述P型窗口层包括GaP基层和图案化表层，所述GaP基层紧邻所述P型半导体层设置，所述图案化表层设置在所述GaP基层远离所述P型半导体层的一侧；所述图案化表层由若干个凸台构成；
所述介质膜缓冲层包括从上至下依次交替设置的二氧化硅层和二氧化钛层；
所述介质膜缓冲层的上表面具有若干个凹槽与所述若干个凸台相适配。
进一步地，若干个所述凸台在所述GaP基层上规则排布，所述凸台的形状为圆柱体或正棱柱，所述正棱柱的边数≥3。
进一步地，若干个所述凸台的截面面积总和为所述GaP基层面积的6%～8%。
所述图案化表层的材料为高掺杂GaP，掺杂金属为Mg，浓度是5.0E+19/cm3以上。
进一步地，所述介质膜缓冲层上设置有若干贯穿的欧姆接触柱，所述欧姆接触柱两端面分别与所述凸台和所述镜面金属层相连；
所述欧姆接触柱与所述凸台一一对应且中轴线重合，所述欧姆接触柱截面积小于所述凸台。
进一步地，所述欧姆接触柱的材料选自AuBe、AuZn和Au中至少一种。
进一步地，所述P型窗口层最大厚度为1um，所述凸台的高度为0.5um。
进一步地，所述介质膜缓冲层中二氧化硅层的数量为4层，二氧化钛层的数量为3层。
进一步地，所述镜面金属层由依次蒸镀形成的Ag层、Ti层、Pt层和Au层组成，厚度分别为3000埃、1000埃、500埃和10000埃；
所述第一键合金属层和所述第二键合金属层的材料选自In和Au中至少一种。
本发明的另一方面是提供上述一种反极性LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1、在GaAs衬底上，利用MOCVD技术依次生长N型半导体层、MQW发光层、P型半导体层和P型窗口层；
S2、在外延片上，利用光刻蚀刻技术在P型窗口层形成图案化表层；
S3、在所述P型窗口层上依次交替蒸镀SiO2和TiO2形成介质膜缓冲层；
S4、利用光刻蚀刻技术，在所述介质膜缓冲层上蚀刻出对位介质膜导电孔，蒸镀金属材料形成欧姆接触柱；
S6、通过酸碱清洗，利用Sputter蒸镀方式蒸镀形成镜面金属层，通过电子束蒸镀方式蒸镀形成第一键合金属层；
S7、将准备好的Si片，通过电子束蒸镀方式蒸镀完成第二键合金属层制备；
S8、将外延片第一键合金属层和Si基片上第二键合金属层贴在一起，通过低温低压的金属键合方式进行键合；
S9、去除GaAs衬底，露出N型半导体层；
S10、通过光刻蚀刻完成N面电极制作；
S11、通过机械减薄Si衬底，背面电极制作，激光切割完成LED芯粒制作。
进一步地，S2所述图案化表层的制备方法为，在外延片表面，采用正胶掩膜光刻制作规则排布图形，利用ICP蚀刻掉裸露出来的高掺层GaP，蚀刻深度为0.5um，并配合667-GaP蚀刻液漂洗平坦化蚀刻面，使得蚀刻面表面平整一致，最后用光阻去除液去除表面的光刻胶，得到具有图案化表层的外延片。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：本发明提供的反极性LED芯片，通过将传统的GaP窗口层进行改进，其具备GaP基层和图案化表层，保证基本的欧姆接触需要蚀刻掉多余会吸光的部分，从而提高LED芯片的发光效率。通过利用光学膜蒸镀机蒸镀制备与图案化表层形状相适配的介质膜缓冲层，并选择两种折射率差异较大的透明介质SiO2和TiO2设计成类DBR结构；一方面，该结构通过合理设计膜层数量和中心波长分布，使反射带宽变宽，从而提高了反射率，减轻了角度依赖性，反射率高，所需的透明的介质膜缓冲厚度更薄；另一方面，该结构能够起到界面过渡缓冲作用，为镜面金属层提供平整致密的界面状态，有利于后续加工提高LED可靠性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例所示反极性LED外延结构示意图；
图2为本申请实施例所示反极性LED外延刻蚀形成图案化表层的结构示意图；
图3为本申请实施例所示反极性LED外延刻蚀形成图案化表层另一视角的结构示意图；
图4为本申请实施例所示反极性LED外延蒸镀形成介质膜缓冲层的结构示意图；
图5为本申请实施例所示反极性LED外延蒸镀形成介质膜缓冲层另一视角的结构示意图；
图6为图5中A部分的局部放大图；
图7为本申请实施例所示反极性LED外延与Si衬底键合前的结构示意图；
图8为图7中B部分的局部放大图；
图9为本申请实施例制作完成的反极性LED芯片的结构示意图；
图中，1-GaAs衬底、2-N型半导体层、3-MQW发光层、4-P型半导体层、5-P型窗口层、51-GaP基层、52-图案化表层、521-凸台、6-介质膜缓冲层、61-二氧化硅层、62-二氧化钛层、7-欧姆接触柱、8-镜面金属层、9-第一键合金属层、10-Si衬底、11-第二键合金属层、12-N面电极、13-背面电极。
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。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
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。
以下结合具体实施例对本申请进行进一步详细说明：
本发明的第一实施例是提供一种反极性LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1、在GaAs衬底1上，利用MOCVD技术依次生长N型半导体层2、MQW发光层3、P型半导体层4和P型窗口层5；
具体来说，请结合图1，先提供一GaAs衬底1作为外延结构生长衬底；在MOCVD机台设置好程序，在GaAs衬底1依次生长N型半导体层2、MQW发光层3、P型半导体层4和P型窗口层5，得到外延片；上述外延片所使用的材料均为LED领域常规材料，其制备方法可以参照常规的LED外延片进行。
S2、在外延片上，利用光刻蚀刻技术在P型窗口层5形成图案化表层52；
具体地，请结合图2和图3，在S1得到的外延片表面，利用酸碱溶液清洗外延片，采用正胶掩膜光刻制作规则排布图形，利用ICP蚀刻掉裸露出来的高掺层GaP，蚀刻深度0.5um，并配合667-GaP蚀刻液漂洗平坦化蚀刻面，使得蚀刻面表面平整一致，最后用光阻去除液去除表面的光刻胶，得到具有图案化表层52的外延片。
本申请通过干法ICP加湿法漂洗处理，能够保证蚀刻面平整，为平整的ODR镜面提供保证。
在本实施例中，上述高掺杂GaP的掺杂金属为Mg，掺杂浓度为5.0E+19/cm3以上，图案化表层52高掺层GaP的蚀刻面积为92%～94%。
需要特别指出的是：本申请P型窗口层5与传统的GaP窗口层在结构和制作方法具有明显的不同，在本发明的技术方案中，P型窗口层5包括GaP基层51和图案化表层52，图案化表层52是通过蚀刻去除92%～94%的高掺杂GaP获得，通过该结构的设计，能够减少吸光材料GaP对LED入射光的吸收，故LED发光效率相比现有技术得以提高。
S3、在P型窗口层5上依次交替蒸镀SiO2和TiO2形成介质膜缓冲层6；
在本实施例中，介质膜缓冲层6制备的具体方法为：首先利用酸碱或有机溶液清洗已经被图案化GaP外延表面，然后通过光学膜蒸镀机蒸镀介质膜缓冲层6，介质膜缓冲层6包括依次交替设置的二氧化硅层61和二氧化钛层62；
进一步地，可以采用体积比为1:15的氨水与水配制而成的碱液来对图案化GaP外延表面进行清洗。
为了使介质膜缓冲层6同时具有较佳的反射率、界面过渡缓冲作用并有利于后续导电孔的刻蚀加工；请结合图4，介质膜缓冲层中二氧化硅层61的数量为4层，二氧化钛层62的数量为3层；具体地，本申请介质膜缓冲层6的蒸镀材料依次为SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2/TiO2/SiO2，以SiO2膜开始，SiO2膜结束。
在本实施例中，单层SiO2厚度为100nm，折射率为1.4，单层TiO2厚度为50nm，折射率为2.3。
本申请提供的介质膜缓冲层6通过选择两种折射率差异较大的透明介质SiO2和TiO2，通过合理设计膜层数量和中心波长分布，使反射带宽变宽，从而提高了反射率，减轻了角度依赖性，反射率高，所需的透明介质膜厚度更薄，膜层应力更小，易于后续加工。此外，该结构能够起到界面过渡缓冲作用，为镜面金属层8提供平整致密的界面状态，提高LED可靠性能。
S4、请结合图5和图6，利用光刻蚀刻技术，在介质膜缓冲层6上蚀刻出对位介质膜导电孔，蒸镀金属材料形成欧姆接触柱7；
在本实施例中，S4具体工艺可以为，首先利用正胶掩膜，制作出对位介质膜导电孔图形，并通过湿法腐蚀介质膜材料，利用电子束蒸镀冷镀方式，蒸镀欧姆接触金属，并配合lift-off工艺剥离，得到若干欧姆接触柱7，将制作好欧姆接触柱7的晶片采用有机溶液清洗，并放在高温充氮氛围中进行合金15min，合金温度440℃；进一步地，欧姆接触柱7厚度为5500埃，其制备材料可以选择AuBe、AuZn以及Au等金属材料。
S6、请结合图7，通过酸碱清洗，利用Sputter蒸镀方式蒸镀形成镜面金属层8，通过电子束蒸镀方式蒸镀形成第一键合金属层9；
进一步地，镜面金属层8的具体制备方法为，首先将合金后的晶片进行酸碱清洗，由于前述介质膜缓冲层6的界面过渡缓冲作用，为镜面金属层8的制备提供了一个平整的蒸镀界面，然后通过sputter溅镀方式可以得到平整致密的镜面金属层8；镜面金属层8厚度为1.5um，镜面金属层8由依次蒸镀形成的Ag层、Ti层、Pt层和Au层组成，厚度分别为3000埃、1000埃、500埃和10000埃；其中，Ag主要起反射作用，Ti主要起金属间的粘附作用，Pt主要阻挡金属间相互扩散。
进一步地，第一键合金属层9的制备方法为，将蒸镀有镜面金属层8的晶片进行有机清洗，通过电子束蒸镀第一键合金属层9，其所用金属材料可以是常规可以键合的材料，例如可以选自In、Au中至少一种，优选为Au；第一键合金属层9的厚度优选为1.5um；
S7、将准备好的Si片，通过电子束蒸镀方式蒸镀完成第二键合金属层11制备；
在本实施例中，第二键合金属层11所用金属材料可以是常规可以键合的材料，例如可以选自In、Au中至少一种，优选为Au；第二键合金属层11的厚度优选为1.5um。
S8、请参照图9，将外延片第一键合金属层9和Si基片上第二键合金属层11贴在一起，通过低温低压的金属键合方式进行键合；
在本实施例中，键合的具体方法为：将外延片第一键合金属层9和Si片第二键合金属层11贴在一起，放在专用键合治具中，放入键合机台，通过低温低压的方式，在低温200℃，低压力2000Kg下完成两者的键合；
S9、去除GaAs衬底1，露出N型半导体层2；
在本实施例中，GaAs衬底1的去除可以采用常规的方法，例如，可以通过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1；
S10、通过光刻蚀刻完成N面电极12制作；
S11、通过机械减薄Si衬底10，背面电极13制作，激光切割完成LED芯粒制作。
本申请还提供另一实施例，该实施例提供一种反极性LED芯片，首先请结合图9，LED芯片从上至下包括：N面电极12、N型半导体层2、MQW发光层3、P型半导体层4、P型窗口层5、介质膜缓冲层6、镜面金属层8、第一键合金属层9、第二键合金属层11、Si衬底10和背面电极13；
请结合图2和图3，P型窗口层5包括GaP基层51和图案化表层52；GaP基层51紧邻P型半导体层4设置，图案化表层52设置在GaP基层51远离P型半导体层4的一侧，图案化表层52由若干个凸台521构成；进一步地，P型窗口层5最大厚度为1um，凸台521的高度为0.5um。
请结合图7和图8，介质膜缓冲层6包括从上至下依次交替设置的二氧化硅层61和二氧化钛层62；介质膜缓冲层6的上表面具有若干个凹槽与若干个凸台521相适配。进一步地，请结合图8，介质膜缓冲层6中二氧化硅层61的数量为4层，二氧化钛层62的数量为3层。
进一步地，凸台521的形状可以设置成圆柱体或者正棱柱，当所述凸台521为正棱柱时，正棱柱的边数≥3，根据一些具体的方案，正棱柱的边数可以为3至10中任一整数，根据另一些具体的实施方案，凸台521为圆柱体。
进一步地，请结合图5，若干个凸台521在GaP基层51上规则排布，进一步地，若干个凸台521在GaP基层51上呈阵列式排布；若干个凸台521的截面面积总和为GaP基层51面积6%～8%，图案化表层52的材料为高掺杂GaP，掺杂金属为Mg，掺杂浓度为5.0E+19/cm3。
进一步地，请结合图7，介质膜缓冲层6上设置有若干贯穿的欧姆接触柱7，欧姆接触柱7两端面分别与凸台521和镜面金属层8相连；欧姆接触柱7与凸台521一一对应且中轴线重合，欧姆接触柱7截面积小于凸台521，根据一些优选的实施方案，欧姆接触柱7为圆柱体。欧姆接触柱7的材料可以是常规的金属材料，优选地，欧姆接触柱7的材料选自AuBe、AuZn和Au中至少一种。欧姆接触柱7的厚度为10000埃。
进一步地，镜面金属层8由依次蒸镀形成的Ag层、Ti层、Pt层和Au层组成，厚度分别为3000埃、1000埃、500埃和10000埃；第一键合金属层9和第二键合金属层11的材料选自In和Au中至少一种。
综上所述，本发明提供的反极性LED芯片，通过将传统的GaP窗口层进行改进，其具备GaP基层和图案化表层，保证基本的欧姆接触需要蚀刻掉多余会吸光的部分，具有较高的LED芯片发光效率。通过利用光学膜蒸镀机蒸镀制备与图案化表层适配的介质膜缓冲层，并选择两种折射率差异较大的透明介质SiO2和TiO2设计成类DBR结构，一方面，减少外延片对于入射角度的依赖，反射率高，所需的透明的介质膜缓冲厚度更薄；另一方面，能够起到界面过渡缓冲作用，为镜面金属层提供平整致密的界面状态，减少后续外延片的生长应力易于后续加工提高外延片可靠性能。
本实施例中未描述的内容可以参考本申请其余部分的相关描述。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本申请的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本申请请求保护的技术方案范围当中。
Claims (9)
1.一种反极性LED芯片，其特征在于，所述LED芯片从上至下包括：
N面电极、N型半导体层、MQW发光层、P型半导体层、P型窗口层、介质膜缓冲层、镜面金属层、第一键合金属层、第二键合金属层、Si衬底和背面电极；
其中，所述P型窗口层包括GaP基层和图案化表层，所述GaP基层紧邻所述P型半导体层设置，所述图案化表层设置在所述GaP基层远离所述P型半导体层的一侧；所述图案化表层由若干个凸台构成；
所述介质膜缓冲层包括从上至下依次交替设置的二氧化硅层和二氧化钛层；
所述介质膜缓冲层的上表面具有若干个凹槽与所述若干个凸台相适配；
若干个所述凸台在所述GaP基层上规则排布；
所述介质膜缓冲层上设置有若干贯穿的欧姆接触柱，所述欧姆接触柱两端面分别与所述凸台和所述镜面金属层相连；所述欧姆接触柱与所述凸台一一对应且中轴线重合，所述欧姆接触柱截面积小于所述凸台；
所述图案化表层的材料为高掺杂GaP，掺杂金属为Mg。
2.根据权利要求1所述的一种反极性LED芯片，其特征在于，所述凸台的形状为圆柱体或正棱柱，所述正棱柱的边数≥3。
3.根据权利要求1或2所述的一种反极性LED芯片，其特征在于，若干个所述凸台的截面面积总和为所述GaP基层面积的6%～8%；
所述图案化表层掺杂金属Mg的掺杂浓度是5.0E+19/cm3以上。
4.根据权利要求1所述的一种反极性LED芯片，其特征在于，所述欧姆接触柱的材料选自AuBe、AuZn和Au中至少一种。
5.根据权利要求1所述的一种反极性LED芯片，其特征在于，所述P型窗口层最大厚度为1um，所述凸台的高度为0.5um。
6.根据权利要求1所述的一种反极性LED芯片，其特征在于，所述介质膜缓冲层中二氧化硅层的数量为4层，二氧化钛层的数量为3层。
7.根据权利要求1所述的一种反极性LED芯片，其特征在于，所述镜面金属层由依次蒸镀形成的Ag层、Ti层、Pt层和Au层组成，厚度分别为3000埃、1000埃、500埃和10000埃；
所述第一键合金属层和所述第二键合金属层的材料选自In和Au中至少一种。
8.根据权利要求1～7任一项所述一种反极性LED芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在GaAs衬底上，利用MOCVD技术依次生长N型半导体层、MQW发光层、P型半导体层和P型窗口层；
S2、在外延片上，利用光刻蚀刻技术在P型窗口层形成图案化表层；
S3、在所述P型窗口层上依次交替蒸镀SiO2和TiO2形成介质膜缓冲层；
S4、利用光刻蚀刻技术，在所述介质膜缓冲层上蚀刻出对位介质膜导电孔，蒸镀金属材料形成欧姆接触柱；
S6、通过酸碱清洗，利用Sputter蒸镀方式蒸镀形成镜面金属层，通过电子束蒸镀方式蒸镀形成第一键合金属层；
S7、将准备好的Si片，通过电子束蒸镀方式蒸镀完成第二键合金属层制备；
S8、将外延片第一键合金属层和Si基片上第二键合金属层贴在一起，通过低温低压的金属键合方式进行键合；
S9、去除GaAs衬底，露出N型半导体层；
S10、通过光刻蚀刻完成N面电极制作；
S11、通过机械减薄Si衬底，背面电极制作，激光切割完成LED芯粒制作。
9.根据权利要求8所述的一种反极性LED芯片的制备方法，其特征在于，S2中所述图案化表层的制备方法为，在外延片表面，采用正胶掩膜光刻制作规则排布图形，利用ICP蚀刻掉裸露出来的高掺层GaP，蚀刻深度0.5um，并配合667-GaP蚀刻液漂洗平坦化蚀刻面，使得蚀刻面表面平整一致，最后用光阻去除液去除表面的光刻胶，得到具有图案化表层的外延片。
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