CN210429863U - 一种基于硅衬底的led垂直芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于半导体发光器件技术领域，涉及一种硅衬底的LED垂直芯片，包括：依次设置的背面金属层、金属通孔层、硅衬底、外延层、电流扩散层、电流阻挡层、钝化层和正电极，其中：背面金属层和金属通孔层共同组成负电极；金属通孔层包括通孔、金属种子层和通孔填充金属；金属通孔层将背面金属层和外延层相连，形成背面负电极和顶部正电极的LED垂直结构。本实用新型LED垂直芯片省去了衬底转移工艺，避免了在转移衬底过程中工艺复杂、良率不稳定等问题；相比于现有市场的正装和倒装LED芯片，本实用新型LED垂直芯片解决了电流横向传输中电流拥挤的问题，保留了垂直结构芯片中电流垂直传输的优势。

Description

一种基于硅衬底的LED垂直芯片

技术领域

本实用新型属于半导体发光器件技术领域，涉及一种硅衬底的LED垂直芯片。

背景技术

发光二极管(LED)自诞生以来，在人民日常生活中发挥着日趋重要的作用，广泛应用在照明、显示、植物生长、光通信等领域，而作为LED器件里面最基础的元件-LED芯片，是决定LED器件性能的关键。LED芯片最初以正装形式得以发展，但正面电极挡住出光，出光效率无法最大化，继而发展了倒装LED芯片，使得出光从背面射出，但仍存在电流拥挤效应，无法完全满足大功率芯片使用要求。于是，垂直LED芯片应运而生，垂直电流传输解决了电流拥挤效应，垂直衬底采用高导热率的硅片大大提高了芯片散热性能，更加适用于大功率LED器件应用。

为了实现LED垂直芯片结构，一般需要利用衬底转移技术，将原生长非导电衬底转移为导电衬底，如将蓝宝石衬底换为硅衬底。但由于衬底转移过程一般由键合技术和衬底去除技术构成，衬底去除技术又主要是激光剥离技术。两部分的工艺均比较复杂，条件比较苛刻，键合过程容易发生较大翘曲，激光剥离容易损伤LED芯片表面的GaN，导致了破片、漏电、良率不稳定等问题，并且设备成本较高，影响了LED垂直芯片的进一步推广和应用。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种基于硅衬底的LED垂直芯片。所述LED垂直芯片的负电极是由背面金属层和金属通孔层共同组成，金属通孔层是通过光刻刻蚀硅衬底形成通孔，再利用金属蒸镀形成种子层，进一步利用电镀填孔所形成。利用金属通孔层将背面金属层和LED外延层相连，形成了背面负极和顶部正极的LED垂直结构。

本实用新型采用如下技术方案实现：

一种基于硅衬底的LED垂直芯片，包括：

依次设置的背面金属层、金属通孔层、硅衬底、外延层、电流扩散层、电流阻挡层、钝化层和正电极，其中：

背面金属层和金属通孔层共同组成负电极；

金属通孔层包括通孔、金属种子层和通孔填充金属；

金属通孔层将背面金属层和外延层相连，形成背面负电极和顶部正电极的LED垂直结构。

进一步地，所述通孔呈周期阵列排列。

进一步地，所述通孔的形状为圆形、三角形、矩形、五边形、六边形及其组合。

进一步地，所述金属种子层包括反射层和电镀种子层。

优选地，所述金属种子层厚度为2-4μm。

优选地，所述电流扩散层厚度为25-500nm。

优选地，所述电流阻挡层厚度为60-300nm。

优选地，所述正电极厚度为1-3μm。

优选地，所述背面金属层厚度为0.2-4μm。

优选地，所述外延层包括N型层、发光层和P型层。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

(1)金属通孔层将外延层和底部背面金属层相连接，形成顶部正极底部负极的垂直LED芯片结构。相比于传统的垂直芯片，本实用新型LED垂直芯片省去了衬底转移工艺，避免了在转移衬底过程中工艺复杂、良率不稳定等问题；相比于现有市场的正装和倒装LED芯片，本实用新型LED垂直芯片解决了电流横向传输中电流拥挤的问题，保留了垂直结构芯片中电流垂直传输的优势。

(2)周期阵列均匀分布的金属通孔层有利于背面金属层的电流注入，改善了电流分布。

(3)降低了技术门槛和成本，传统垂直芯片键合过程需要使用键合机，转移衬底过程通常使用激光剥离技术，两者均技术门槛严苛并且成本昂贵。

(4)工艺更加简单可靠，避免了传统垂直芯片在键合过程和转移衬底过程中工艺复杂、良率不稳定等问题。

(5)保持了垂直芯片独特的优势，即保持了硅衬底优异的导热性能和垂直结构芯片中电流垂直传输的优势，适用于大功率LED器件应用场景。

附图说明

图1为实施例1中硅衬底上的外延层结构示意图；

图2为实施例1中晶圆片外延层上制备电流扩散层和电流阻挡层结构示意图；

图3为实施例1中晶圆片上制备钝化层和正电极示意图；

图4为实施例1中硅衬底进行研磨减薄示意图；

图5为实施例1中硅衬底进行光刻刻蚀形成通孔示意图；

图6为实施例1中硅衬底上蒸镀上金属种子层示意图；

图7为实施例1中硅衬底上进行电镀实现金属填孔形成金属通孔层示意图；

图8为实施例1中在硅衬底背面蒸镀金属形成背面金属层示意图；

图9为实施例1中光刻刻蚀硅衬底后形成通孔底视图；

图10为实施例2中光刻刻蚀硅衬底后形成通孔底视图；

图11为实施例3中光刻刻蚀硅衬底后形成通孔底视图；

图12为实施例4中光刻刻蚀硅衬底后形成通孔底视图；

其中：11-硅衬底、12-外延层、13-电流扩散层、14-电流阻挡层、15-钝化层、16-正电极、17-金属种子层、18-金属通孔层、19-背面金属层。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述，但本实用新型的实施方式并不限于此。

一种基于硅衬底的LED垂直芯片，如图1-图12所示，包括：

依次设置的背面金属层19、金属通孔层18、硅衬底11、外延层12、电流扩散层13、电流阻挡层14、钝化层15和正电极16，其中：

背面金属层19和金属通孔层18共同组成LED垂直芯片的负电极；

金属通孔层18将背面金属层19和外延层12相连，形成背面负电极和顶部正电极的LED垂直结构。

金属通孔层包括通孔、金属种子层17和通孔填充金属，通孔呈周期阵列排列，通孔的形状为圆形、三角形、矩形、五边形、六边形及其组合。金属通孔层是通过光刻刻蚀硅衬底形成通孔，再利用金属蒸镀形成种子层，进一步利用电镀填孔所形成。

金属种子层包括反射层和电镀种子层。

外延层包括N型层、发光层和P型层。

下面对本实用新型基于硅衬底的LED垂直芯片的制备方法进行详细说明。

一种基于硅衬底的LED垂直芯片制备方法，包括以下步骤：

A.硅衬底上生长外延层；

外延层包括N型层、发光层和P型层，硅衬底尺寸为2-8英寸。

外延层采用MOCVD工艺在硅衬底上生长而成。

B.外延层上光刻制备电流扩散层和电流阻挡层；

电流扩散层材料包括氧化铟锡(ITO)、氧化氟锡(FTO)、氧化铝锌(AZO)的一种或多种，厚度为25-500nm。

电流阻挡层材料包括二氧化硅(SiO₂)、四氮化三硅(Si₃N₄)、二氧化钛(TiO₂)的一种或多种，厚度为60-300nm。

C.进一步光刻制备钝化层和正电极；

正电极采用蒸镀制备，是由Cr、Ti、Al、Pt、Au、Ni的两种或者多种组合而成的叠层结构，如CrPtAu，蒸镀在腔室气压低于10-4Pa条件下进行，厚度为1-3μm。

钝化层用于保护芯片，由绝缘材料沉积而成，包括二氧化硅(SiO₂)、四氮化三硅(Si₃N₄)一种或多种，厚度为80-250nm。

D.对硅衬底进行研磨减薄；

利用机械研磨方式对硅衬底进行研磨减薄，分为粗磨和精抛两个部分，研磨减薄是为了后面硅衬底通孔做准备，研磨后硅衬底厚度为50-250μm。

E.对硅衬底进行光刻形成图形化通孔形状，刻蚀硅衬底去除光刻胶形成通孔；

步骤E中光刻图形化通孔形状是由周期阵列的通孔组成，通孔的形状为圆形、三角形、矩形、五边形、六边形及其组合。硅衬底刻蚀方法采用湿法刻蚀，将未被光刻胶保护的硅衬底一直刻蚀至外延层。

刻蚀完成光刻胶去除依次采用丙酮、异丙醇和去离子水恒温超声处理。

F.蒸镀金属种子层；

金属种子层由反射层和电镀种子层两部分构成，反射层用于反射底部光线，提高正面出光，由Cr或Ti和Al或Ag组成，如CrAl；电镀种子层为步骤G电镀填孔工艺提供生长条件，包括Zn、Ni、Cr和Cu及其组合。金属种子层厚度为2-4μm，蒸镀在腔室气压低于10^-4Pa条件下进行。

G.电镀填孔，形成金属通孔层；

步骤G中电镀填孔金属与步骤F中金属种子层的电镀种子层金属种类一致，厚度为50-250μm。

H.背面蒸镀金属，形成背面金属层。

背面金属层由Cr、Ti、Ni、Sn、Au、Pt的两种或者多种组合而成的叠层结构，如Cr/Pt/Au，厚度为0.2-4μm。

下面结合附图对本实用新型基于硅衬底的LED垂直芯片的制备方法进行进一步说明。

实施例1

一种基于硅衬底的LED垂直芯片的制备方法，包括以下步骤：

A.硅衬底11上生长外延层12；硅衬底为4英寸的硅片，外延层12由N型层、发光层和P型层组成，总厚度为4.5μm，外延层12采用MOCVD工艺在硅衬底11上生长而成，如图1所示；

B.在外延层12上首先沉积电流扩散层13，优选氧化铟锡(ITO)，厚度为80nm，利用光刻将ITO进行开窗处理，留下电流阻挡层14位置；然后沉积电流阻挡层14，优选二氧化硅(SiO₂)，利用PECVD等离子反应沉积而成，厚度为200nm，利用光刻将电流阻挡层14图形化，如图2所示；

C.进一步光刻制备钝化层15和正电极16；钝化层15用于保护芯片，由绝缘材料沉积而成，优选二氧化硅(SiO₂)，利用PECVD等离子反应沉积而成，厚度为80nm，再光刻将钝化层15进行开窗处理，留下正电极16位置；利用蒸镀正电极16，优选CrPtAu，蒸镀在腔室气压低于10^-4Pa条件下进行，厚度为2.5μm，如图3所示；

D.对硅衬底11进行研磨减薄；利用机械研磨方式对硅衬底11进行研磨减薄，分为粗磨和精抛两个部分，研磨减薄是为了后面硅衬底通孔做准备，研磨后硅衬底厚度为150μm，如图4所示；

E.对硅衬底11进行光刻制备通孔形状，金属通孔层光刻形状是由周期阵列的通孔组成，通孔的形状优选圆形，周期阵列为3x 3，如图9所示。硅衬底11刻蚀方法采用湿法刻蚀，将未被光刻胶保护的硅衬底11一直刻蚀至外延层12。刻蚀完成光刻胶去除依次采用丙酮、异丙醇和去离子水恒温超声处理，通孔形状制备完成后如图5所示。

F.蒸镀金属种子层17，金属种子层17由反射层和电镀种子层两部分构成，反射层用于反射底部光线，提高正面出光，优选CrAl，厚度为80nm；电镀种子层为步骤G电镀填孔工艺提供生长条件，优选Cu，厚度为2μm，蒸镀在腔室气压低于10^-4Pa条件下进行。金属种子层17蒸镀完成后如图6所示。

G.电镀填孔，形成金属通孔层18，步骤G中电镀填孔金属与步骤F中金属种子层17的电镀种子层金属一致，优选Cu，电镀填孔厚度为120μm。电金属通孔层18电镀完成后如图7所示。

H.背面蒸镀金属，形成背面金属层19。背面金属层19优选Cr/Pt/Au，厚度为1μm，蒸镀在腔室气压低于10^-4Pa条件下进行。背面金属层19制备完成后如图8所示。

实施例2

一种基于硅衬底的LED垂直芯片的制备方法，包括以下步骤：

制备步骤与实施例1相同，不同之处在于：

步骤E中对硅衬底11进行光刻制备通孔形状不同，这里优选方形，周期阵列为3x3，如图10所示。

实施例3

一种基于硅衬底的LED垂直芯片的制备方法，包括以下步骤：

制备步骤与实施例1相同，不同之处在于：

步骤E中对硅衬底11进行光刻制备通孔形状不同，这里优选正六边形，周期阵列为3x 3，如图11所示。

实施例4

一种基于硅衬底的LED垂直芯片的制备方法，包括以下步骤：

制备步骤与实施例1相同，不同之处在于：

步骤E中对硅衬底11进行光刻制备通孔形状不同，这里优选正三角形，周期阵列为3x 3，如图12所示。

以上实施例仅用来说明本实用新型的技术方案而非起到限制作用，尽管参照一定实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当清楚，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于硅衬底的LED垂直芯片，其特征在于，包括：

依次设置的背面金属层、金属通孔层、硅衬底、外延层、电流扩散层、电流阻挡层、钝化层和正电极，其中：

背面金属层和金属通孔层共同组成负电极；

金属通孔层包括通孔、金属种子层和通孔填充金属；

金属通孔层将背面金属层和外延层相连，形成背面负电极和顶部正电极的LED垂直结构。

2.根据权利要求1所述的LED垂直芯片，其特征在于，所述通孔呈周期阵列排列。

3.根据权利要求1所述的LED垂直芯片，其特征在于，所述通孔的形状为圆形、三角形、矩形、五边形、六边形及其组合。

4.根据权利要求1所述的LED垂直芯片，其特征在于，所述金属种子层包括反射层和电镀种子层。

5.根据权利要求1所述的LED垂直芯片，其特征在于，所述金属种子层厚度为2-4μm。

6.根据权利要求1所述的LED垂直芯片，其特征在于，所述电流扩散层厚度为25-500nm。

7.根据权利要求1所述的LED垂直芯片，其特征在于，所述电流阻挡层厚度为60-300nm。

8.根据权利要求1所述的LED垂直芯片，其特征在于，所述正电极厚度为1-3μm。

9.根据权利要求1所述的LED垂直芯片，其特征在于，所述背面金属层厚度为0.2-4μm。

10.根据权利要求1所述的LED垂直芯片制备方法，其特征在于，所述外延层包括N型层、发光层和P型层。

Images