CN207116466U - 一种GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片 - Google Patents

Abstract

一种GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，包括二次衬底和外延结构，其特点是：所述外延结构包括依次设置的u‑GaN层、n‑GaN层、多量子阱层和p‑GaN层，且所述外延结构上设置有贯穿p‑GaN层和多量子阱层并深入至n‑GaN层内的凹槽，位于凹槽外侧的p‑GaN层上设置有同时作为反射镜层的p型欧姆接触层，所述p型欧姆接触层上设置有将p型欧姆接触层包覆在其内部的金属阻挡层，所述金属阻挡层上连同凹槽的侧壁上设置有绝缘层，所述凹槽的底面上设置有向外延伸至与金属阻挡层上的绝缘层平齐的n‑GaN的欧姆接触电极，所述金属阻挡层上的绝缘层上连同n‑GaN的欧姆接触电极的外端面上设置有金属材料层，所述二次衬底粘合在金属材料层上，所述金属阻挡层上设置有划片槽和p焊盘。本实用新型结构可靠、可以承受大电流驱动、发光强度高、发光准直性高、稳定性好。

Description

一种GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片

技术领域

本实用新型属于光电子技术领域，具体是涉及一种GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片。

背景技术

随着LED研发的不断深入，LED技术创新与应用领域不断扩展，LED市场也越来越宽广。紫外LED逐渐进入我们的视野，在紫外LED市场应用中，近紫外LED占有最大市场份额，高达90%。近紫外LED因其寿命长、能耗小、无污染等优点，是目前替代汞激发紫外光源的理想固态光源，其在固化曝光市场规模达数百亿元，市场前景看好。

然而，近紫外LED应用于固化曝光市场仍然存在一定的问题：普通正装结构和倒装结构的近紫外LED在特定的固化曝光工作距离下，发光强度不足、发光角度发散，不均匀性明显。从芯片的角度出发，最有效地解决方案就是采用薄膜结构的近紫外LED。但是，薄膜结构近紫外LED的芯片制备工艺存在p-GaN欧姆接触、键合工艺、激光剥离工艺、N面n-GaN欧姆接触、划片槽制作工艺等技术难点，影响了薄膜结构LED芯片的良率和稳定性，难以实现大规模量产。

发明内容

本实用新型的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种可以承受大电流驱动、发光强度高、稳定性高、发光准直性高的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型所述的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，包括二次衬底和外延结构，其特点是：所述外延结构包括依次设置的u-GaN层、n-GaN层、多量子阱层和p-GaN层，且所述外延结构上设置有贯穿p-GaN层和多量子阱层并深入至n-GaN层内的凹槽，位于凹槽外侧的p-GaN层上设置有同时作为反射镜层的p型欧姆接触层，所述p型欧姆接触层上设置有将p型欧姆接触层包覆在其内部的金属阻挡层，所述金属阻挡层上连同凹槽的侧壁上设置有绝缘层，所述凹槽的底面上设置有向外延伸至与金属阻挡层上的绝缘层平齐的n-GaN的欧姆接触电极，所述金属阻挡层上的绝缘层上连同n-GaN的欧姆接触电极的外端面上设置有金属材料层，所述二次衬底粘合在金属材料层上，所述金属阻挡层上设置有划片槽和p焊盘。

其中，所述p型欧姆接触层采用ITO、ZnO、镍、银、铝、金、铂、钯、镁、钨中的一种或几种或它们的合金制成。

所述金属阻挡层采用镍、金、钛、铂、钯、钨中的一种或几种或它们的合金制成。

所述绝缘层采用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝、涂布玻璃、聚酰亚胺中的一种或几种制成。

所述n-GaN的欧姆接触电极采用铬、铝、镍、金、铂、钛、铟、钒、钯 、钽、钕、铪、钪、钨中的一种或几种或它们的合金制成。

所述金属材料层采用金、锡、铟、钛、铅、镍、铂、钛中的一种或几种或它们的合金制成。

所述二次衬底为硅衬底、铜衬底、碳化硅衬底或陶瓷衬底。

所述划片槽采用铁氰化钾辅助氢氧化钾溶液湿法腐蚀制成。

本实用新型与现有技术相比，具有以下显著优点：

1）与传统垂直结构的薄膜芯片相比，本实用新型提出的倒装薄膜结构LED中n-GaN的欧姆接触是在外延片表面刻蚀到n-GaN的表面（Ga面）上形成的，这样就克服了激光剥离后刻蚀u-GaN的工艺步骤以及N面n-GaN欧姆接触难以形成的技术难题；

2）与传统的薄膜芯片相比，本实用新型提出的倒装薄膜结构LED的划片槽是在去除生长衬底后才制作而成的，这样就克服了传统薄膜芯片在去除生长衬底前制作划片槽而带来的槽内填充、键合孔洞等技术难题；

3）与传统的干法刻蚀制备划片槽技术相比，本实用新型提出的采用湿法腐蚀制作划片槽的方法可以避免干法刻蚀到p-GaN的金属粘结层时，刻蚀出的金属粘在pn结上带来漏电的问题，大大提高了芯片的良率；

4）与酸腐蚀制作划片槽（申请号为201510184978.2的中国专利）相比，本实用新型提出的采用铁氰化钾辅助氢氧化钾（KOH）溶液腐蚀划片槽的方法，腐蚀温度低于等于90℃（酸腐蚀温度为200-250℃），腐蚀条件比较温和，对芯片的损伤小；另外酸腐蚀n-GaN得到的是十二面体锥，碱腐蚀n-GaN得到的是六面体锥（参考文献F. Yu, et al. Changingoblique angles of pyramid facets fabricated by wet etching of N polar GaN,CrystEngComm, 2012, 14, 4781-4785.），酸开槽工艺结合碱粗化工艺会带来槽侧壁的小锥，增加了pn结裸露的面积，因此管芯漏电的风险变大，而采用碱开槽结合碱粗化的工艺成功避免了以上问题，提高了芯片的良率；

5）与传统的垂直结构LED相比，本实用新型提出的倒装薄膜结构的LED采用通孔结构制作n电极，增加了芯片的电流扩展能力，可以承受更大的驱动电流，提高了芯片的可靠性和稳定性；与传统的倒装结构LED相比，本实用新型提出的倒装薄膜结构的LED去除了生长衬底，可以在n-GaN表面进行粗化，大大提高了LED芯片的出光效；同时倒装薄膜芯片的LED出光侧面只有几个微米，相比传统正装结构和倒装结构芯片（出光侧面有100微米左右），芯片出光的准直性大大提高；

综上所述，本实用新型成功克服了u-GaN的刻蚀工艺、N面n-GaN欧姆接触的技术难点，以及干法开槽和酸开槽带来的漏电风险，从而提高了GaN基倒装薄膜结构近紫外LED的良率和稳定性，有利于芯片的大规模量产。同时通过结构的设计，制作的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片的出光效率、出光准直性、承受大电流驱动等的性能得到了大大提高。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1为本实用新型的剖面结构示意图。

图2为本实用新型的俯视结构示意图。

图3为本实用新型的制备工艺流程图。

图4为本实用新型所述GaN基倒装薄膜结构划片槽的形貌图，其中（a）、（b）为正面图，（c）为侧面图。

具体实施方式

如图1-图2所示，本实用新型所述的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，包括二次衬底12和外延结构，所述外延结构包括依次设置的u-GaN层2、n-GaN层3、多量子阱层4和p-GaN层5，且所述外延结构上设置有贯穿p-GaN层5和多量子阱层4并深入至n-GaN层3内的凹槽6，位于凹槽6外侧的p-GaN层5上设置有同时作为反射镜层的p型欧姆接触层7，所述p型欧姆接触层7上设置有将p型欧姆接触层7包覆在其内部的金属阻挡层8，所述金属阻挡层8上连同凹槽6的侧壁上设置有绝缘层9，所述凹槽6的底面上设置有向外延伸至与金属阻挡层8上的绝缘层9平齐的n-GaN的欧姆接触电极10，所述金属阻挡层8上的绝缘层9上连同n-GaN的欧姆接触电极10的外端面上设置有金属材料层11，所述二次衬底12粘合在金属材料层11上，所述金属阻挡层8上设置有划片槽13和p焊盘14。

下面通过具体实施例对本实用新型的制作过程进行详细的描述。

实施例一：

如图3所示，本实用新型实施例提供了一种GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，包括以下步骤：

步骤1）采用Si衬底作为生长衬底1，在Si衬底上依次外延生长u-GaN层2、n-GaN层3、多量子阱层4以及p-GaN层5；

步骤2）在p-GaN层5的部分区域通过光刻和干法刻蚀形成贯穿p-GaN层5和多量子阱层4并深入n-GaN层3一定深度的凹槽6，露出n-GaN表面31；具体地，刻蚀出的凹槽6的个数为14个，即露出的n-GaN表面31的个数为14个；

步骤3）在p-GaN层5的表面制作一层p型欧姆接触层7，该p型欧姆接触层同时作为反射镜层；具体地，p型欧姆接触层7的材料采用ITO、ZnO、镍、银、铝、金、铂、钯、镁、钨等金属中的一种或几种或它们的合金制成；

步骤4）在p型欧姆接触层7的表面制作一层能够将p型欧姆接触层包覆在其内部的金属阻挡层8，用于保护p型欧姆接触层7在后续的工艺中不被破坏；具体地，金属阻挡层8是采用镍、金、钛、铂、钯、钨等金属中的一种或几种或它们的合金制成；

步骤5）在金属阻挡层8的表面上连同凹槽6内生长一层绝缘层9，然后在n-GaN表面处的绝缘层上光刻出n-GaN的欧姆接触部位，并腐蚀去除该部位处的绝缘层，然后在露出的n-GaN上生长n-GaN的欧姆接触电极10；具体地，绝缘层9为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝、涂布玻璃、聚酰亚胺中的一种或几种；n-GaN的欧姆接触电极10采用铬、铝、镍、金、铂、钛、铟、钒、钯 、钽、钕、铪、钪、钨等金属中的一种或几种或它们的合金制成；

步骤6）在金属阻挡层8表面的绝缘层连同n-GaN的欧姆接触电极10上生长一层金属材料层11，将二次衬底12粘合到金属材料层11上；具体地，金属材料层11采用金、锡、铟、钛、铅、镍、铂、钛等金属中的一种或几种或它们的合金制成；二次衬底12的材料采用硅、铜、碳化硅或陶瓷等热导性好的材料；

步骤7）采用湿法腐蚀的方法去除Si衬底，制得GaN基倒装薄膜结构；

步骤8）在GaN基倒装薄膜结构表面生长氮化硅，并光刻腐蚀出槽和p焊盘区域的氮化硅，剩余的氮化硅作为掩膜采用铁氰化钾辅助氢氧化钾（KOH）溶液湿法腐蚀GaN外延层，在金属阻挡层上制作出划片槽13和p焊盘区域。优选地，KOH的溶液浓度为2mol/L，铁氰化钾的浓度为2wt%，溶液的温度为80摄氏度，腐蚀时间为1小时，腐蚀出的侧壁的形貌如图4所示；

步骤9）采用光刻剥离的方法制作p焊盘14；

步骤10）粗化u-GaN；具体地，粗化u-GaN的方法为KOH湿法腐蚀法、ICP/RIE干法粗化法中的一种或两种组合；

步骤11）通过划片裂片的方法将GaN基倒装薄膜结构分割开来，完成GaN基倒装薄膜结构近紫外LED的制备。

实施例二：

该实施例与实施例一的不同之处在于：

步骤1）采用SiC衬底作为生长衬底1，在SiC衬底上依次外延生长u-GaN层2、n-GaN层3、多量子阱层4以及p-GaN层5；

步骤2）在p-GaN层5的部分区域通过光刻和干法刻蚀形成贯穿p-GaN层5和多量子阱层4并深入n-GaN层3一定深度的凹槽6，露出n-GaN表面31；具体地，刻蚀出的凹槽6的个数为1个，即露出的n-GaN表面31的个数为1个；

步骤6）在金属阻挡层8表面的绝缘层连同n-GaN的欧姆接触电极10上生长一层金属材料层11，将二次衬底12采用导电胶粘合的方法粘合到金属材料层11上；

步骤7）采用研磨结合ICP刻蚀的方法去除SiC衬底，制得GaN基倒装薄膜结构；

步骤11）采用锯片的方法将GaN基倒装薄膜结构分割开来，完成GaN基倒装薄膜结构近紫外LED的制备。

实施例三：

该实施例与实施例一的不同之处在于：

步骤1）采用蓝宝石衬底作为生长衬底1，在蓝宝石衬底上依次外延生长u-GaN层2、n-GaN层3、多量子阱层4以及p-GaN层5；

步骤2）在p-GaN层5的部分区域通过光刻和干法刻蚀形成贯穿p-GaN层5和多量子阱层4并深入n-GaN层3一定深度的凹槽6，露出n-GaN表面31；具体地，刻蚀出的凹槽6的个数为47个，即露出的n-GaN表面31的个数为47个；

步骤6）在金属阻挡层8表面的绝缘层连同n-GaN的欧姆接触电极10上生长一层金属材料层11，将二次衬底12采用电镀的方法粘合到金属材料层11上；

步骤7）采用激光剥离的方法去除蓝宝石衬底，制得GaN基倒装薄膜结构。

本实用新型是通过实施例来描述的，但并不对本实用新型构成限制，参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本实用新型权利要求限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，包括二次衬底（12）和外延结构，其特征在于：所述外延结构包括依次设置的u-GaN层（2）、n-GaN层（3）、多量子阱层（4）和p-GaN层（5），且所述外延结构上设置有贯穿p-GaN层（5）和多量子阱层（4）并深入至n-GaN层（3）内的凹槽（6），位于凹槽（6）外侧的p-GaN层（5）上设置有同时作为反射镜层的p型欧姆接触层（7），所述p型欧姆接触层（7）上设置有将p型欧姆接触层（7）包覆在其内部的金属阻挡层（8），所述金属阻挡层（8）上连同凹槽（6）的侧壁上设置有绝缘层（9），所述凹槽（6）的底面上设置有向外延伸至与金属阻挡层（8）上的绝缘层（9）平齐的n-GaN的欧姆接触电极（10），所述金属阻挡层（8）上的绝缘层（9）上连同n-GaN的欧姆接触电极（10）的外端面上设置有金属材料层（11），所述二次衬底（12）粘合在金属材料层（11）上，所述金属阻挡层（8）上设置有划片槽（13）和p焊盘（14）。

2.根据权利要求1所述的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，其特征在于：所述p型欧姆接触层（7）采用ITO、ZnO、镍、银、铝、金、铂、钯、镁、钨中的一种或几种或它们的合金制成。

3.根据权利要求1所述的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，其特征在于：所述金属阻挡层（8）采用镍、金、钛、铂、钯、钨中的一种或几种或它们的合金制成。

4.根据权利要求1所述的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，其特征在于：所述绝缘层（9）采用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化铝、涂布玻璃、聚酰亚胺中的一种或几种制成。

5.根据权利要求1所述的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，其特征在于：所述n-GaN的欧姆接触电极（10）采用铬、铝、镍、金、铂、钛、铟、钒、钯 、钽、钕、铪、钪、钨中的一种或几种或它们的合金制成。

6.根据权利要求1所述的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，其特征在于：所述金属材料层（11）采用金、锡、铟、钛、铅、镍、铂、钛中的一种或几种或它们的合金制成。

7.根据权利要求1所述的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，其特征在于：所述二次衬底（12）为硅衬底、铜衬底、碳化硅衬底或陶瓷衬底。

8.根据权利要求1所述的GaN基倒装薄膜结构近紫外LED芯片，其特征在于：所述划片槽（13）采用铁氰化钾辅助氢氧化钾溶液湿法腐蚀制成。