CN116825924A - 一种深紫外led倒装芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于芯片制备技术领域，具体涉及一种深紫外LED倒装芯片及其制备方法，包括蓝宝石衬底、氮化铝模板层、AlN/AlGaN超晶格应力缓冲层、n型AlGaN层、n型欧姆接触电极、多量子阱结构层、电子阻挡层、p型AlGaN层、p型电极，所述蓝宝石衬底上生长有氮化铝模板层，所述氮化铝模板层上生长有AlN/AlGaN超晶格应力缓冲层。本发明的p型电极在形成第一p型欧姆接触电极时保证了低的接触电阻率；本发明的第二p型扩大电极的面积大于第一p型欧姆接触电极的结构设计，克服了第一p型欧姆接触电极边缘电荷集中的问题，保证了芯片的可靠性。本发明用于LED倒装芯片的制备。
Description
技术领域
本发明属于芯片制备技术领域，具体涉及一种深紫外LED倒装芯片及其制备方法。
背景技术
近年来，随着全球LED行业技术的进步，LED发光波段已由可见光波段拓展到紫外、深紫外波段，紫外LED具有光催化、医疗光线疗法、保健与空气净化、杀菌等作用。
目前深紫外AlGaN材料的280nm以下的深紫外LED外量子效率已超过5%，对应发光功率大于8MW，寿命达5000h。由于高的技术壁垒、紧张的供应链资源，致使市场上UVC的产品价格仍然很昂贵。因此降低单位光功率的价格，发挥技术提升的价值，提高芯片的出光效率，是技术人员仍然持续解决的难题，另外，LED抗静电能力的高低是LED可靠性的核心体现，即便亮度和电性指标都很好，一旦抗静电指标低，那就很容易遭受到静电损害而死灯。LED的抗静电指标好不仅仅意味能适用在各类产品和各种环境里面，还可以作为LED可靠性的综合体现。
然而由于深紫外芯片外延生长条件苛刻，位错密度大，深紫外芯片ESD(Electro-Static Discharge，即静电放电)数值一直处于2000V以下，目前在深紫外的芯片制程中，为了提升芯片的抗静电性能力，往往制定了严格的抗静电保护措施，即便把静电防护措施做到最好，LED也未必能完全避免静电损伤，因为LED是否收到静电损伤取决两方面：第一，静电的能量 (电压)是否高出了LED本身的承受能力；第二，LED的抗静电能力是否比较强。也就是说，如果LED抗静电能力比较强，那么它遭受静电损伤就小很多。有些抗静电比较差的LED就算采用了多重防静电措施，可一旦做成产品后还是很容易出现被静电击穿而死灯暗灯。因此，提升LED芯片本身的抗静电能力，是技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有的深紫外芯片抗静电能力差的技术问题，本发明提供了一种深紫外LED倒装芯片及其制备方法，在p型AlGaN层制作特殊的电极结构，该p型电极在形成第一p型欧姆接触电极保证了低的接触电阻率，并且第二p型扩大电极的面积大于第一p型欧姆接触电极的结构设计，克服了第一p型欧姆接触电极边缘电荷集中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种深紫外LED倒装芯片，包括蓝宝石衬底、氮化铝模板层、AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层、n型AlGaN层、n型欧姆接触电极、多量子阱结构层、电子阻挡层、p型AlGaN层、p型电极，所述蓝宝石衬底上生长有氮化铝模板层，所述氮化铝模板层上生长有AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层，所述AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层上生长有n型AlGaN层，所述n型AlGaN层上的一侧生长有n型欧姆接触电极，所述n型AlGaN层上的另一侧生长有多量子阱结构层，所述多量子阱结构层上生长有电子阻挡层，所述电子阻挡层上生长有p型AlGaN层，所述p型AlGaN层上生长有p型电极，所述p型电极包括第一p型欧姆接触电极和第二p型扩大电极，所述第一p型欧姆接触电极生长在p型AlGaN层上，所述第二p型扩大电极生长在第一p型欧姆接触电极上，所述第二p型扩大电极的面积大于第一p型欧姆接触电极，所述第二p型扩大电极的材料采用掺铝氧化锌。
所述p型电极上沉积有SiO2钝化层，所述SiO2钝化层上光刻有孔洞，所述SiO2钝化层上蒸镀有焊盘电极，所述焊盘电极通过SiO2钝化层的孔洞与p型电极相连接。
一种深紫外LED倒装芯片的制备方法，包括下列步骤：
S1、在蓝宝石衬底上依次形成氮化铝模板层、AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层、n型AlGaN层、多量子阱结构层、电子阻挡层、p型AlGaN层，得到基础外延片；
S2、对p型AlGaN层进行部分区域刻蚀，部分区域刻蚀的方法采用光刻与干法刻蚀，刻蚀出MESA台面；
S3、刻蚀区域需要刻蚀部分为p型AlGaN层、电子阻挡层、多量子阱结构层，刻蚀后暴露出n型AlGaN层；
S4、通过光刻与蒸镀工艺在暴露的n型AlGaN层上蒸镀n型薄膜电极，n型薄膜电极为CrAlTiAu、CrAlNiAu、TiAuNiAu、TiAlTiAu或CrTiAlNiAuTi；
S5、n型薄膜电极在N2氛围下进行高温退火形成n型欧姆接触电极，退火温度大于800℃，退火时间为30s -360s；
S6、通过光刻与蒸镀工艺在p型AlGaN层上蒸镀p型薄膜电极，p型薄膜电极采用高功函数的金属；
S7、p型薄膜电极在O2氛围下进行低温退火形成第一p型欧姆接触电极，退火温度为450℃-650℃，退火时间为180s-780s；
S8、通过光刻与蒸镀工艺在第一p型欧姆接触电极上制备第二p型扩大电极；所述第二p型扩大电极的面积大于第一p型欧姆接触电极；
S9、通过沉积、光刻、湿法腐蚀工艺在第二p型扩大电极上形成SiO2钝化层，通过光刻与蒸镀工艺在SiO2钝化层上形成焊盘电极，从而制备出深紫外LED倒装芯片。
所述S2中的MESA台面的刻蚀深度为400 nm -800nm。
所述S6中p型薄膜电极采用NiAu、NiRh、NiAuTi、NiRhTi或NiAuNiRhTi。
所述S4中n型薄膜电极为CrTiAlNiAuTi，所述S6中的p型薄膜电极为NiAuTi，所述p型薄膜电极的厚度在50nm-80nm之间。
所述第二p型扩大电极的面积比第一p型欧姆接触电极扩大3-10μm2；所述第二p型扩大电极的材料采用掺铝氧化锌，所述掺铝氧化锌的厚度为500 nm -800nm。
所述S8中第二p型扩大电极的制备方法为：先电子束蒸发氧化锌，然后电子束蒸发铝层，再用退火方式获得掺铝氧化锌；电子束蒸发氧化锌的温度为200℃-300℃，镀膜速率为0.3 Å/S -3Å/S，选用靶材为细粒状ZnO颗粒或锭状ZnO，镀锅公转速率为25 r/min～65r/min，镀锅自转速率为50 r/min～80r/min。
所述S9中SiO2钝化层的厚度为300 nm -1500nm，所述焊盘电极厚度为3μm -6μm。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明的p型电极在形成第一p型欧姆接触电极时保证了低的接触电阻率；本发明的第二p型扩大电极的面积大于第一p型欧姆接触电极的结构设计，克服了第一p型欧姆接触电极边缘电荷集中的问题，分散了电流密度，大幅度提升了芯片的抗静电能力，保证了芯片的可靠性。并且本发明的第二p型扩大电极取消了Ni/Cr等粘附性金属，而是通过退火的方式获得掺铝氧化锌，既有Al的反射效果，又减少了粘附性金属对光的吸收，提升了芯片的光功率。本发明增加了第二p型扩大电级，由于分散电流密度的作用，减小了芯片的使用功耗，延长了二极管的使用寿命。
在本技术领域，做电流扩展层的主要目的就是降电压，达到这一效果使用小面积的电流扩展层就完全可以满足日常需求，本领域技术人员完全没有动机再去增加大量成本做大面积的电极，刻画更多的版图，这在成本上来说是极不匹配的，因此本领域技术人员难以预料使用大面积的电流扩展层会使抗静电能力发生如此大数量级的技术效果差异，本实施例中采用第二p型扩大电极面积大于第一p型欧姆接触电极的结构设计，使芯片的ESD性能从2500V左右提升到了8000V以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明的结构示意图。
其中：101为蓝宝石衬底，102为氮化铝模板层，103为AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层，104为n型AlGaN层，105为n型欧姆接触电极，201为多量子阱结构层，202为电子阻挡层，203为p型AlGaN层，204为p型电极，2041为第一p型欧姆接触电极，2042为第二p型扩大电极，205为SiO2钝化层，206为焊盘电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明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，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
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。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本实施例中，如图1所示，深紫外LED倒装芯片包括蓝宝石衬底101、氮化铝模板层102、AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层103、n型AlGaN层104、n型欧姆接触电极105、多量子阱结构层201、电子阻挡层202、p型AlGaN层203、p型电极204，p型电极204由分段式退火形成的第一p型欧姆接触电极2041与退火形成的第二p型扩大电极2042组成。在p型电极204上沉积SiO2钝化层205，SiO2钝化层205上光刻孔洞，SiO2钝化层205上蒸镀焊盘电极206，焊盘电极206通过SiO2钝化层205的孔洞与p型电极204相连。
在本实施例中，深紫外LED倒装芯片的制备方法包括下列步骤：
步骤一、蓝宝石衬底101上依次形成氮化铝模板层102、AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层103、n型AlGaN层104、多量子阱结构层201、电子阻挡层202、p型AlGaN层203，得到基础外延片。
步骤二、对P型AlGaN层203通过光刻与干法刻蚀进行部分区域刻蚀，刻蚀出MESA台面，台面的刻蚀深度为400nm -800nm，优选的刻蚀深度为800nm。
步骤三、刻蚀区域需要刻蚀部分P型AlGaN层203、电子阻挡层202、多量子阱结构层201，暴露出n型AlGaN层104；台面的最上层为P型AlGaN层203，台面的最下层为n型AlGaN层104。
步骤四、通过光刻与蒸镀工艺在暴露的n型AlGaN层104上蒸镀n型薄膜电极，n型薄膜电极为CrAlTiAu、CrAlNiAu、TiAuNiAu、TiAlTiAu或CrTiAlNiAuTi，优选为CrTiAlNiAuTi。
步骤五、n型薄膜电极在 N2氛围下进行高温退火形成n型欧姆接触电极105，退火温度大于800℃，退火时间为30s -360s。
步骤六、通过光刻与蒸镀工艺在p型AlGaN层203上蒸镀p型薄膜电极，p型薄膜电极为NiAu、NiRh、NiAuTi、NiRhTi、NiAuNiRhTi等高功函数的金属，p型薄膜电极的厚度在50nm-80nm之间，优选的，p型薄膜电极为NiAuTi，对应p型薄膜电极厚度为5 nm /5 nm /50nm。
步骤七、p型薄膜电极在O2氛围下进行低温退火形成第一p型欧姆接触电极2041，其中退火温度为450℃-650℃，退火时间为180s-780s。
步骤八、通过光刻与蒸镀工艺在第一p型欧姆接触电极2041上制作第二p型扩大电极2042。
进一步，该第二p型扩大电极2042的面积大于第一p型欧姆接触电极2041，第二p型扩大电极2042的面积比第一p型欧姆接触电极2041扩大3μm2-10μm2。优选的，第二p型扩大电极2042的面积比第一p型欧姆接触电极2041扩大5μm2。
进一步，第二p型扩大电极2042为ZnO（Al），ZnO（Al）的厚度为500-800nm。优选的厚度为600nm。
进一步，第二p型扩大电极2042的具体制备方法为：先电子束蒸发氧化锌，然后再电子束蒸发铝层，再用退火方式获得掺铝氧化锌；电子束蒸发氧化锌的温度为200℃-300℃，镀膜速率为0.3 Å/S -3Å/S，选用靶材为细粒状ZnO颗粒或锭状ZnO，镀锅公转速率25 r/min～65r/min，镀锅自转速率为50 r/min～80r/min。
步骤九、通过沉积、光刻、湿法腐蚀工艺形成SiO2钝化层205，SiO2钝化层205的厚度为300nm-1500nm之间。优选的，SiO2钝化层205的厚度为1000nm。
步骤十、通过光刻与蒸镀工艺在SiO2钝化层205上形成焊盘电极206，焊盘电极206的厚度为3-6μm。优选的，焊盘电极206的厚度为4μm。
以上步骤形成特殊结构的p型电极204，如图1所示，该p型电极204在形成第一p型欧姆接触电极2041时，保证了低的接触电阻率，并且第二p型扩大电极2042的面积大于第一p型欧姆接触电极2041的结构设计，克服了第一p型欧姆接触电极2041边缘电荷集中的问题，分散了电流密度。
将本实施例的深紫外LED倒装芯片与现有技术中仅有一层p型欧姆接触电极的LED倒装芯片进行对比，实施例为本实施例的深紫外LED倒装芯片，对照组为仅有一层p型欧姆接触电极的LED倒装芯片，且对照组的电流扩展层正投影在p型欧姆接触电极上，对照组的电流扩展层面积远小于p型欧姆接触电极，对照组的电流扩展层的材料采用Ni/Cr等粘附性金属。通过测试，ESD性能从2500V左右提升到了8000V以上，如表1所示，本实施例的深紫外LED倒装芯片的抗静电能力大幅度提升，保证了芯片的可靠性。
表1 对照组与实施例ESD性能对比表
同时，第二p型扩大电极2042取消了Ni/Cr等粘附性金属，而是通过退火的方式获得掺铝氧化锌，既有Al的反射效果，又减少了粘附性金属对光的吸收，进一步提升了芯片的光功率，如表2所示，实施例的光功率明显优于对照组。
表2 对照组与实施例光功率对比表
另外增加了第二p型扩大电极2042的深紫外LED倒装芯片与仅有一层p型欧姆接触电极的LED倒装芯片相比，由于分散电流密度的作用，减小了芯片的使用功耗，如表3所示，实施例与对照组相比，延长了芯片的使用寿命。
表3 对照组与实施例老化维持率对比表
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种深紫外LED倒装芯片，其特征在于：包括蓝宝石衬底（101）、氮化铝模板层（102）、AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层（103）、n型AlGaN层（104）、n型欧姆接触电极（105）、多量子阱结构层（201）、电子阻挡层（202）、p型AlGaN层（203）、p型电极（204），所述蓝宝石衬底（101）上生长有氮化铝模板层（102），所述氮化铝模板层（102）上生长有AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层（103），所述AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层（103）上生长有n型AlGaN层（104），所述n型AlGaN层（104）上的一侧生长有n型欧姆接触电极（105），所述n型AlGaN层（104）上的另一侧生长有多量子阱结构层（201），所述多量子阱结构层（201）上生长有电子阻挡层（202），所述电子阻挡层（202）上生长有p型AlGaN层（203），所述p型AlGaN层（203）上生长有p型电极（204），所述p型电极（204）包括第一p型欧姆接触电极（2041）和第二p型扩大电极（2042），所述第一p型欧姆接触电极（2041）生长在p型AlGaN层（203）上，所述第二p型扩大电极（2042）生长在第一p型欧姆接触电极（2041）上，所述第二p型扩大电极（2042）的面积大于第一p型欧姆接触电极（2041），所述第二p型扩大电极（2042）的材料采用掺铝氧化锌。
2.根据权利要求1所述的一种深紫外LED倒装芯片，其特征在于：所述p型电极（204）上沉积有SiO2钝化层（205），所述SiO2钝化层（205）上光刻有孔洞，所述SiO2钝化层（205）上蒸镀有焊盘电极（206），所述焊盘电极（206）通过SiO2钝化层（205）的孔洞与p型电极（204）相连接。
3.一种深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、在蓝宝石衬底（101）上依次形成氮化铝模板层（102）、AlN/AlGaN 超晶格应力缓冲层（103）、n型AlGaN层（104）、多量子阱结构层（201）、电子阻挡层（202）、p型AlGaN层（203），得到基础外延片；
S2、对p型AlGaN层（203）进行部分区域刻蚀，部分区域刻蚀的方法采用光刻与干法刻蚀，刻蚀出MESA台面；
S3、刻蚀区域需要刻蚀部分为p型AlGaN层（203）、电子阻挡层（202）、多量子阱结构层（201），刻蚀后暴露出n型AlGaN层（104）；
S4、通过光刻与蒸镀工艺在暴露的n型AlGaN层（104）上蒸镀n型薄膜电极，n型薄膜电极为CrAlTiAu、CrAlNiAu、TiAuNiAu、TiAlTiAu或CrTiAlNiAuTi；
S5、n型薄膜电极在N2氛围下进行高温退火形成n型欧姆接触电极（105），退火温度大于800℃，退火时间为30s -360s；
S6、通过光刻与蒸镀工艺在p型AlGaN层（203）上蒸镀p型薄膜电极，p型薄膜电极采用高功函数的金属；
S7、p型薄膜电极在O2氛围下进行低温退火形成第一p型欧姆接触电极（2041），退火温度为450℃-650℃，退火时间为180s-780s；
S8、通过光刻与蒸镀工艺在第一p型欧姆接触电极（2041）上制备第二p型扩大电极（2042）；所述第二p型扩大电极（2042）的面积大于第一p型欧姆接触电极（2041）；
S9、通过沉积、光刻、湿法腐蚀工艺在第二p型扩大电极（2042）上形成SiO2钝化层（205），通过光刻与蒸镀工艺在SiO2钝化层（205）上形成焊盘电极（206），从而制备出深紫外LED倒装芯片。
4.根据权利要求3所述的一种深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述S2中的MESA台面的刻蚀深度为400 nm -800nm。
5.根据权利要求3所述的一种深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述S6中p型薄膜电极采用NiAu、NiRh、NiAuTi、NiRhTi或NiAuNiRhTi。
6.根据权利要求5所述的一种深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述S4中n型薄膜电极为CrTiAlNiAuTi，所述S6中的p型薄膜电极为NiAuTi，所述p型薄膜电极的厚度在50nm-80nm之间。
7.根据权利要求3所述的一种深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述第二p型扩大电极（2042）的面积比第一p型欧姆接触电极（2041）扩大3-10μm2；所述第二p型扩大电极（2042）的材料采用掺铝氧化锌，所述掺铝氧化锌的厚度为500 nm -800nm。
8.根据权利要求3所述的一种深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述S8中第二p型扩大电极（2042）的制备方法为：先电表3 对照组与实施例老化维持率对比表子束蒸发氧化锌，然后电子束蒸发铝层，再用退火方式获得掺铝氧化锌；电子束蒸发氧化锌的温度为200℃-300℃，镀膜速率为0.3 Å/S -3Å/S，选用靶材为细粒状ZnO颗粒或锭状ZnO，镀锅公转速率为25 r/min～65r/min，镀锅自转速率为50 r/min～80r/min。
9.根据权利要求3所述的一种深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于：所述S9中SiO2钝化层（205）的厚度为300 nm -1500nm，所述焊盘电极（206）厚度为3μm -6μm。
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