CN205657080U - 一种新型垂直结构芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种新型垂直结构芯片，该垂直结构芯片由中心区域、边缘区域以及沟槽区域构成，其中，中心区域从下到上依次包括：目标衬底、第一P面金属层、P型GaN层、活性层、N型GaN层以及N电极；边缘区域从下到上依次包括：目标衬底、第二P面金属层、绝缘层、N型GaN层以及N电极；沟槽区域从下到上依次包括：目标衬底、第二P面金属层；绝缘层位于边缘区域中的N型GaN层和第二P面金属层之间、以及位于中心区域中的P型GaN层和活性层的侧壁；N电极位于N型GaN层的表面、以及位于N型GaN层的侧壁。其在N型GaN层的侧壁，该区域的N电极能够增强电流扩展，使电流能够更加均匀地从芯片四周注入，提高了发光效率。

Description

一种新型垂直结构芯片

技术领域

本实用新型属于半导体制造技术领域，尤其涉及一种新型垂直结构芯片。

背景技术

随着全球极端气候的频繁发生，照明领域也正进入一次大的变革。LED(Light Emitting Diode，发光二极管)作为第三代的固态照明技术，正被大家高度关注；但是随着技术的发展，成熟的现有工艺正面临着巨大的挑战。由LED芯片在照明领域中的广泛应用，对LED芯片的发光效率和发光形貌要求与日俱增。

垂直结构芯片作为一种主流的芯片结构，在照明领域的得到广泛的应用。然而，首先，尽管其电流分布和发光均匀性相对其他传统的水平和倒装结构有很大提高，但并不是完美的。主要原因是在设计N电极时，我们期望通过降低导电电阻和接触电阻来增强电流分布的均匀性和降低电压，以提高发光效率。这其中除了设计合理的N电极图形外，加宽和加厚Finger线的设计成为必然选择。然而在芯片表面制作宽的Finger线却会遮挡出光，牺牲掉有效的发光面积，降低出光效率。厚的Finger线设计可以降低导电电阻，增强电流分布均匀，却增大了芯片制作成本。另外，尽管垂直薄膜结构芯片的发光形貌，相对于传统水平结构和倒装结构芯片有很大提高，但由于半导体发光材料本身存在一定的厚度，因此，传统垂直芯片并非真正意义的单面出光。目前的荧光粉涂覆技术不可能保证涂覆后，侧面出光质量与正面出光质量一致，导致不可避免地在芯片四周有黄斑或者蓝光溢出。

实用新型内容

针对以上问题，本实用新型旨在提供一种新型垂直结构芯片，其 在LED芯片的侧面和沟槽区域制备N电极，该区域的N电极能够增强电流扩展，使电流能够更加均匀地从芯片四周注入，提高了发光效率。另外，芯片侧面的N电极可以起到反光的作用，在增强电流扩展的同时，将侧面出的光转化为正面出光，使芯片成为真正意义的单面出光芯片。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种新型垂直结构芯片，由中心区域、位于所述中心区域四周的边缘区域以及位于所述边缘区域四周的沟槽区域构成，其中，

所述中心区域从下到上依次包括：目标衬底、第一P面金属层、P型GaN层、活性层、N型GaN层以及N电极；所述边缘区域从下到上依次包括：目标衬底、第二P面金属层、绝缘层、N型GaN层以及N电极；所述沟槽区域从下到上依次包括：目标衬底、第二P面金属层；

所述绝缘层位于所述边缘区域中的N型GaN层和第二P面金属层之间、以及位于所述中心区域中的P型GaN层和活性层的侧壁；

所述N电极位于所述N型GaN层的表面、以及位于所述N型GaN层的侧壁。

在本技术方案中，这里我们将垂直结构芯片分成三个区域，位于芯片中间的中心区域、位于芯片四周的边缘区域以及位于边缘区域四周的沟槽区域，以上我们分别对三个区域的结构做出了描述，要说明的是，由芯片不同区域的结构不同，我们才做此划分，三个区域中除了结构不同的地方，其他区域都是相同的，如，目标衬底，三个区域中的目标衬底加起来即为整个芯片的目标衬底等。

进一步优选地，所述沟槽区域中还包括位于所述第二P面金属层表面的绝缘层、以及位于所述绝缘层表面的N电极。

在本技术方案中，所述沟槽区域N电极的大小为保证不影响切割前提下，尽可能地多地覆盖沟槽区域内的绝缘层。即沟槽区域中的N电极可以不完全覆盖沟槽区域，为了切割等目的的需要，在沟槽中央位置可以不覆盖，具体尺寸根据实际工艺需要选择。

我们在将N电极制作在芯片侧面以及沟槽区域，增大了N电极的截面积，降低了导电电阻，增强电流扩展，使得电流分布更加均匀地从芯片四周注入，提高了发光效率；另外，射向侧面的光会经侧壁的N电极反射回来，将侧面出光转换为正面出光，使得垂直芯片的出光形式成为真正的单面出光，可以避免封装后器件边缘出现的黄斑和蓝光溢出问题。

另外，新型垂直结构芯片还包括一绝缘层，位于边缘区域N型GaN层与P面金属层之间、P型GaN层和活性层的侧壁以及沟槽区域。该绝缘层的主要作用是减少芯片侧壁漏电的风险，另外通过合理的设计可以起到增加正面出光的作用。可以看出，这里提供的新型垂直结构芯片中P-GaN和活性层不裸露于芯片侧壁，而位于芯片内部，避免了在侧壁制作N电极时带来的漏电问题。

进一步优选地，位于所述N型GaN层表面、N型GaN层的侧壁以及绝缘层表面的N电极相互连接。

进一步优选地，位于N型GaN层侧壁及位于绝缘层表面的N电极的材料为金属材料、有机材料和无机材料中的一种或多种。

在本技术方案中，N型GaN层侧壁及位于绝缘层表面的N电极的材料可以与N型GaN层表面的N电极材料相同，也可以选择由单种或多种材料组合成的高反射率和高电导率材料。无论N型GaN层侧壁及位于绝缘层表面的N电极的材料如何选择，最终的目的都是增加N型GaN层侧壁N电极的反射率，以及增加垂直结构芯片中N型GaN层侧壁和沟槽区域中的N电极的电导率。

进一步优选地，所述金属材料为：Ti、Al、Pt、Au、Cr中的一种或多种；

所述无机材料为：SiO_xN_y、Ti_xO_y、高阻GaN以及Al₂O₃中的一种或多种。

进一步优选地，所述第一P面金属层中包括粘结层、覆盖层、金属反射层；

所述第二P面金属层中包括粘结层和覆盖层，和/或所述第二P 面金属层中还包括金属反射层。

进一步优选地，绝缘层位于所述边缘区域中的N型GaN层和第二P面金属层之间、位于所述中心区域中的P型GaN层和活性层的侧壁、以及位于所述P型GaN层表面靠近所述边缘区域的边缘处。

进一步优选地，所述覆盖层和粘结层的材料为Ti、Cu、W、Cr、Pt、Ni、In、Sn、Au中的一种或多种；和/或，

所述金属反射层的材料为Ni、Ag、Al、Cr、Pt中的一种或多种。

进一步优选地，所述绝缘层的材料为SiO_xN_y、Ti_xO_y、高阻GaN以及Al₂O₃中的一种或多种；

和/或，所述目标衬底为Cu(铜)、C(碳)、Si(硅)、SiC(碳化硅)、Ge(锗)、Cu-W合金(铜-金合金)、Mo(钼)以及Cr(铬)中的一种或多种形成的导电金属衬底。

本实用新型还提供了一种新型垂直结构芯片的制备方法，该制备方法应用于上述新型垂直结构芯片，包括以下步骤：

S1在外延衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、活性层以及P型GaN层；

S2腐蚀所述芯片边缘区域的P型GaN层直至暴露所述N型GaN层，且在裸露出来的N型GaN层的表面以及腐蚀之后的活性层和P型GaN层的侧壁生长绝缘层；

S3在腐蚀剩下的P型GaN层表面或在腐蚀剩下的P型GaN层表面和绝缘层表面生长金属反射层，之后再在金属反射层和绝缘层表面依次生长覆盖层和粘结层；

S4将步骤S3中形成的结构通过所述粘结层与一目标衬底粘结，之后去除所述外延衬底和缓冲层，暴露所述N型GaN层；

S5腐蚀所述N型GaN层直至所述绝缘层，形成N面沟槽；

S6在步骤S5中腐蚀剩下的N型GaN层的表面及其侧壁制作N电极，完成所述垂直结构芯片的制备。

进一步优选地，在步骤S6中，在步骤S5中腐蚀剩下的N型GaN层的表面及其侧壁制作N电极，以及在所述N面沟槽中绝缘层的表 面制作N电极。

在本技术方案中，制作在N型GaN层侧壁的N电极和沟槽区域中的N电极的材料可以与N型GaN层表面的N电极相同，也可以单独选用由单种或多种材料组合成的高反射率和高电导率材料。无论材料如何选择，最终的目的都是增加N型GaN层侧壁N电极的反射率，以及增加N型GaN层侧壁N电极和沟槽区域N电极的电导率。要注意的是，沟槽区域的N电极可以根据实际情况调整尺寸。

进一步优选地，在步骤S1中，所述外延衬底为Si或Al₂O₃或SiC或GaN；和/或，

在步骤S2中具体包括：腐蚀所述芯片边缘区域的P型GaN层暴露所述N型GaN层之后继续腐蚀预设厚度的N型GaN层，且在裸露出来的N型GaN层的表面以及腐蚀之后的活性层和P型GaN层的侧壁生长绝缘层；所述预设厚度为0.1～1um。

进一步优选地，在步骤S4中具体包括：

采用共晶的方式将步骤S3中形成的结构转移到目标衬底上，所述覆盖层和粘结层的材料为Ni、In、Sn、Au中的一种，所述目标衬底为Cu、C、Si、SiC、Ge、Cu-W合金、Mo以及Cr中的一种或多种形成的导电金属衬底；

或，采用电镀的方式将步骤S3中形成的结构转移到目标衬底上，所述覆盖层和粘结层的材料为Ti、Au、Cu、W、Cr、Pt中的一种或多种。

进一步优选地，在步骤S5中，所述N面沟槽区域的宽度小于所述边缘区域的宽度。

本实用新型提供的新型垂直结构芯片，相对于现有的垂直结构芯片，其有益效果在于：

本实用新型中提供的新型垂直结构芯片，与现有的垂直结构相比，将N电极覆盖到芯片侧面区域和沟槽区域，增大了Finger线的截面积，减少导电电阻，进而增强了电流在芯片内的分布均匀性。同 时，芯片侧面的N电极将原本从N型GaN侧壁射出的光转化为正面出光，使垂直芯片成为真正的单面出光芯片。

另外，在本实用新型中，在包括了缓冲层、N型GaN层、活性层以及P型GaN层的外延结构生长完成了之后，随即对P型GaN层进行蚀刻直到暴露出N型GaN层，接着在蚀刻掉了P型GaN层和活性层的N型GaN层表面生长绝缘层，得到本实用新型提供的新型垂直结构芯片。相比对现有的垂直结构芯片，我们在芯片将N电极覆盖到芯片侧面和沟槽区域外，还将上述芯片的P型GaN层和活性层的侧壁隐藏到芯片内部，极大程度上降低了芯片侧边出现载流子复合的几率，大大提高了芯片的可靠性和稳定性。

附图说明

图1-图12为本实用新型提供的新型垂直结构芯片的制备方法的流程示意图；其中，图11和12为本实用新型中制得的新型垂直结构芯片两种实施方式的结构示意图。

图中标识说明：

1-外延衬底，2-N型GaN层，3-P型GaN层+活性层，4-边缘区域，5-绝缘层，6-金属反射层，7-覆盖层+粘结层，8-目标衬底，9-表面N电极，10-N面沟槽，11-N型GaN层侧壁N电极和/或沟槽区域N电极。

具体实施方式

本实用新型提供了一种新型垂直结构芯片，在一种实施方式中，该新型垂直结构芯片包含以下几个部分：中心区域(从下到上依次包括：目标衬底8、第一P面金属层、P型GaN层+活性层3、N型GaN层2以及N电极9)；边缘区域4(从下到上依次包括：目标衬底8、第二P面金属层、绝缘层5、N型GaN层2以及N电极9)；沟槽区域(从下到上依次包括：目标衬底8和第二P面金属层7)。其中， 绝缘层位于边缘区域中的N型GaN层和第二P面金属层之间、以及位于中心区域中的P型GaN层和活性层的侧壁；N电极位于N型GaN层的表面、以及位于N型GaN层的侧壁。且第一P面金属层中包括粘结+覆盖层7和金属反射层6；第二P面金属层中包括粘结层+覆盖层，和/或第二P面金属层中还包括金属反射层6。这样，将N型GaN层2表面及其侧壁覆盖N电极，增大了finger线的截面积，减少导电电阻，使电流在芯片表面分布跟均匀，提高了芯片的出光效率。同时，将原本从N型GaN侧壁射出的光转化为正面出光，使垂直芯片成为真正的单面出光芯片。

要说明的是，在本实用新型中，外延结构包括但不限于以上描述的P型GaN层+活性层3和N型GaN层2，还可以包括为了增加内量子和外量子效率等设计的其他结构。另外，以上描述的中间区域、边缘区域4和沟槽区域加起来即为目标衬底8的表面区域，在具体实施例中，通过干法腐蚀/湿法腐蚀的方式腐蚀P型GaN层+活性层3，其中，P型GaN层+活性层3未被腐蚀的区域为中间区域，腐蚀掉的区域为边缘区域4。这样该垂直结构芯片在工作的过程中，载流子只在腐蚀后余下的中间区域(活性层)中复合，有效降低了载流子在芯片侧面的复合，从而大大减小了芯片漏电的概率，提高芯片的稳定性。

对上述实施方式进行改进得到另一种实施方式，在本实施方式中，沟槽区域中还包括位于第二P面金属层表面的绝缘层，如图11所示。对这一实施方式进一步改进，如图12所示，沟槽区域中除了包括位于第二P面金属层表面的绝缘层，还包括位于绝缘层表面的N电极。更具体来说，位于所述N型GaN层表面、N型GaN层的侧壁以及绝缘层表面的N电极相互连接。

对上述实施方式进行改进得到另一种实施方式，在本实施方式中，绝缘层除了位于边缘区域中的N型GaN层和第二P面金属层之间和位于中心区域中的P型GaN层和活性层的侧壁之外，还位于P型GaN层表面靠近边缘区域的边缘处(如图3所示)

基于上述提供的新型垂直结构芯片的结构，本实用新型还提供了一种新型垂直结构芯片的制备方法，该制备方法应用于上述新型垂直结构芯片。在一种实施方式中，如图1～图11所示，该制备方法具体包括以下步骤：S1在外延衬底1上依次生长缓冲层、N型GaN层、活性层以及P型GaN层；S2腐蚀芯片边缘区域的P型GaN层直至暴露N型GaN层，且在裸露出来的N型GaN层的表面以及腐蚀之后的活性层和P型GaN层的侧壁生长绝缘层；S3在腐蚀剩下的P型GaN层表面或在腐蚀剩下的P型GaN层表面和绝缘层表面生长金属反射层，之后再在金属反射层和绝缘层表面依次生长覆盖层和粘结层；S4将步骤S3中形成的结构通过粘结层与一目标衬底粘结，之后去除外延衬底和缓冲层，暴露N型GaN层；S5腐蚀N型GaN层直至绝缘层，形成N面沟槽；S6在步骤S5中腐蚀剩下的N型GaN层的表面及其侧壁制作N电极，完成垂直结构芯片的制备。

对上述实施方式进行改进得到另一种实施方式，如图1～10及图12所示，该制备方法具体包括以下步骤：S1在外延衬底上依次生长缓冲层、N型GaN层、活性层以及P型GaN层；S2腐蚀芯片边缘区域的P型GaN层直至暴露N型GaN层，且在裸露出来的N型GaN层的表面以及腐蚀之后的活性层和P型GaN层的侧壁生长绝缘层；S3在腐蚀剩下的P型GaN层表面或在腐蚀剩下的P型GaN层表面和绝缘层表面生长金属反射层，之后再在金属反射层和绝缘层表面依次生长覆盖层和粘结层；S4将步骤S3中形成的结构通过粘结层与一目标衬底粘结，之后去除外延衬底和缓冲层，暴露N型GaN层；S5腐蚀N型GaN层直至绝缘层，形成N面沟槽；S6在步骤S5中腐蚀剩下的N型GaN层的表面及其侧壁制作N电极，以及在所述N面沟槽中绝缘层的表面制作N电极。

基于以上描述的步骤，在一个具体的实施例中：

首先，选用Si衬底作为外延衬底1，经过处理后，在MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)中先后生长缓冲层、N型GaN层2、 P型GaN层+活性层3得到如图1所示的外延结构。在其他实施例中，外延衬底1还可以选用其他衬底，如Al₂O₃、SiC、GaN等衬底，在此不做限定。

随后，使用干法腐蚀或湿法腐蚀的方法腐蚀P型GaN层直到暴露N型GaN层2，形成P面沟槽(即边缘区域4)，如图2所示。要注意的是，为了保障发光效率，腐蚀出的边缘区域4不能过大，但是应该保证P型GaN层与芯片边缘有足够的距离，以免载流子在侧边进行复合。在其他实施例中，在腐蚀的过程中，暴露出了N型GaN层之后还继续腐蚀一定厚度的N型GaN层再停止，腐蚀N型GaN层的厚度范围为0.1～1um，可以根据实际情况选择适当的值。

如图3所示，腐蚀外延层得到了边缘区域4之后，随即在该边缘区域4上以及腐蚀出来的P型GaN层+活性层3的侧壁生长SiO₂绝缘层5。要注意的是，从图中可以看出，在本实施例中，为了最大程度的防止载流子的表面复合，以及工艺的原因，不仅在边缘区域4以及腐蚀暴露出来的N型GaN层2表面形成了绝缘层5，在部分未被腐蚀的P型GaN层的表面也生长部分绝缘层5。另外，在其他实施例中，绝缘层5也可以采用其他材料，如，使用SiN_XO_Y和Ti_xO_y复合结构，通过优化层数和厚度达到形成DBR(Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射)反射镜的目的以增加出光。

如图4所示，绝缘层5制备好了之后，随即采用蒸镀工艺在P型GaN层表面沉积一层材料为Ag的金属反射层6。在其他实施例中，还可以采用其他金属材料作为金属反射层6，如Al、Ti、Au、Cu、W、Cr、Pt、Ni等，可以根据实际情况进行选择。

如图5所示，金属反射层6蒸镀好之后，同样采用蒸镀或者溅射工艺分别在金属反射层6和绝缘层5表面镀覆盖层+粘结层7，以实现目标衬底8的邦定，如图6和图7所示，其中，图7为目标衬底8与图5得到的结构进行邦定之后得到的结构。在其他实施例中，也可以采用共晶的方式实现目标衬底8的转移，共晶材料(粘结层的材料)可以选用Ni、In、Sn、Au等。

得到了如图7的结构之后，采用湿法腐蚀的方法去除外延衬底1，如图8所示。在其他实施例中，还可以采用激光剥离、腐蚀、切割、磨抛等方法或者几种方法的组合来去除该外延衬底1。

之后，对暴露出来的N型GaN层2表面进行粗化，如图9所示；接着，使用干法/湿法腐蚀的方式腐蚀粗化后的N型GaN层2直到绝缘层5，形成N面沟槽10(即形成沟槽区域)，如图10所示。要说明的是，这里形成的N面沟槽10的宽度小于边缘区域4的宽度(虽然我们在结构的描述中将芯片分成了中间区域、边缘区域和沟槽区域，但是从该垂直结构芯片的制备过程来看，沟槽区域其实是基于边缘区域形成，即边缘区域形成之后，在边缘区域上进行腐蚀形成沟槽区域)，故在实际应用中，N面沟槽10的宽度根据边缘区域4的宽度进行设定，如边缘区域4的宽度为200um，则N面沟槽10的宽度可以为100um/150um等。

接着，在腐蚀之后的N型GaN层2表面及其侧壁，和/或沟槽区域中绝缘层表面蒸镀金属形成表面N电极9、芯片侧面和沟槽区域N电极11，如图11(沟槽区域中绝缘层表面未制备N电极11)或12所示(沟槽区域中绝缘层表面制备N电极11)。以此得到本实用新型提供垂直结构芯片。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种新型垂直结构芯片，其特征在于，所述垂直结构芯片由中心区域、位于所述中心区域四周的边缘区域以及位于所述边缘区域四周的沟槽区域构成，其中，

所述中心区域从下到上依次包括：目标衬底、第一P面金属层、P型GaN层、活性层、N型GaN层以及N电极；所述边缘区域从下到上依次包括：目标衬底、第二P面金属层、绝缘层、N型GaN层以及N电极；所述沟槽区域从下到上依次包括：目标衬底、第二P面金属层；

所述绝缘层位于所述边缘区域中的N型GaN层和第二P面金属层之间、以及位于所述中心区域中的P型GaN层和活性层的侧壁；

所述N电极位于所述N型GaN层的表面、以及位于所述N型GaN层的侧壁。

2.如权利要求1所述的新型垂直结构芯片，其特征在于，所述沟槽区域中还包括位于所述第二P面金属层表面的绝缘层、以及位于所述绝缘层表面的N电极。

3.如权利要求2所述的新型垂直结构芯片，其特征在于，位于所述N型GaN层表面、N型GaN层的侧壁以及绝缘层表面的N电极相互连接。

4.如权利要求2或3所述的新型垂直结构芯片，其特征在于，位于N型GaN层侧壁及位于绝缘层表面的N电极的材料为金属材料、有机材料和无机材料中的一种。

5.如权利要求4所述的新型垂直结构芯片，其特征在于，

所述金属材料为：Ti、Al、Pt、Au、Cr中的一种；

所述无机材料为：SiO_xN_y、Ti_xO_y、高阻GaN以及Al₂O₃中的一种。

6.如权利要求1或2或3或5所述的新型垂直结构芯片，其特征在于：

所述第一P面金属层中包括粘结层、覆盖层、金属反射层；

所述第二P面金属层中包括粘结层和覆盖层，和/或所述第二P面金属层中还包括金属反射层。

7.如权利要求1或2或3或5所述的新型垂直结构芯片，其特征在于，绝缘层位于所述边缘区域中的N型GaN层和第二P面金属层之间、位于所述中心区域中的P型GaN层和活性层的侧壁、以及位于所述P型GaN层表面靠近所述边缘区域的边缘处。

8.如权利要求6所述的新型垂直结构芯片，其特征在于，

所述覆盖层和粘结层的材料为Ti、Cu、W、Cr、Pt、Ni、In、Sn、Au中的一种；

和/或，

所述金属反射层的材料为Ni、Ag、Al、Cr、Pt中的一种。

9.如权利要求7所述的新型垂直结构芯片，其特征在于，

所述绝缘层的材料为SiO_xN_y、Ti_xO_y、高阻GaN以及Al₂O₃中的一种；

和/或，

所述目标衬底为Cu、C、Si、SiC、Ge、Cu-W合金、Mo以及Cr中的一种形成的导电衬底。