一种垂直LED芯片及其制备方法与流程

本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种垂直led芯片及其制备方法。

背景技术：

发光二极管(lightemittingdiode，简称led)是一种半导体固态发光器件，其利用半导体p-n结作为发光材料，可以直接将电能转换为光能。

在各种半导体材料中，以氮化镓(gan)为代表的iii-v族化合物半导体由于具有散热好，能够承载大电流、发光强度高、耗电量小、寿命长等优点，使得发光二极管特别是高亮度的蓝光发光二极管和白光二极管在通用照明、景观照明、特种照明、汽车照明等领域中被广泛应用。

而作为半导体器件的研究热点的gan基垂直结构led的亮度依然不够理想，因此，提供一种有利于提供亮度的led垂直芯片结构是非常必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种垂直led芯片及其制备方法，以提高垂直led芯片的亮度。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种垂直led芯片，包括：

导电衬底；

主体结构，位于所述导电衬底的一侧，所述主体结构包括依次设置在所述导电衬底上的金属部和外延部；

p电极，所述p电极和外延部位于所述金属部背离导电衬底的一侧；

n电极，位于所述导电衬底的另一侧；以及

反射结构，所述反射结构与主体结构位于所述导电衬底的同侧，所述反射结构间隙的设置在所述主体结构的外侧，且所述反射结构至少部分包围所述主体结构，所述反射结构用于在垂直led芯片工作时将从主体结构侧壁射出的光线反射回去。

可选的，所述反射结构整体呈环状且包围所述主体结构。

可选的，所述反射结构包括多个子结构，所述多个子结构呈环状分布，且包围所述主体结构。

可选的，所述反射结构与所述主体结构之间的最小距离大于5μm，且所述反射结构的高度不高于所述主体结构的高度。

可选的，所述反射结构包括反射基底和表面反射层，所述表面反射层至少部分位于所述反射基底靠近所述主体结构一侧的侧壁上。

可选的，所述表面反射层的反射率大于或等于75％。

可选的，所述金属部包括依次叠加在所述导电衬底上的金属层和透明导电薄层；所述外延部包括依次叠加在所述金属部上的p型gan层、多量子阱层、n型gan层，所述外延部还包括位于所述n型gan层背离所述导电衬底的表面上，所述p型gan层、多量子阱层和n型gan层侧壁上的绝缘层。

另一方面，本发明提供了一种垂直led芯片的制备方法，包括以下步骤：

将一导电衬底置于一反应腔室内，所述导电衬底的一侧上形成有若干主体结构，以及位于相邻所述主体结构之间的划片道，所述导电衬底的另一侧上形成有n电极，其中，所述主体结构包括依次设置在所述导电衬底上的金属部和外延部；

向所述反应腔室内通入刻蚀气体，且同时开启激励电源和偏压电源，以在所述划片道上形成隔离槽，并在隔离槽达到预设深度时终止通入刻蚀气体，并关闭激励电源和偏压电源，其中，所述隔离槽暴露所述导电衬底，且所述隔离槽电性隔离相邻所述主体结构；

在所述金属部背离所述导电衬底上形成p电极；

在所述划片道上形成反射结构，所述隔离槽位于所述反射结构与相邻所述主体结构之间，所述反射结构至少部分包围所述主体结构，所述反射结构用于在垂直led芯片工作时将从主体结构侧壁射出的光线反射回去；以及

沿所述划片道进行裂片工艺，以得到单颗的垂直led芯片，每颗所述垂直led芯片均包括至少部分包围所述主体结构的反射结构。

可选的，所述反射结构与主体结构之间的最小距离大于5μm，且所述反射结构的高度不高于所述主体结构的高度。

可选的，所述反射结构包括第二反射层和表面反射层，所述表面反射层至少部分位于所述第二反射层靠近所述主体结构一侧的侧壁上。

与现有技术相比，本发明提供的一种垂直led芯片，通过在主体结构的外侧形成一反射结构，使得垂直led芯片在工作时，从主体结构的侧壁射出的部分光线经过反射结构的反射后，在不断折射后大部分的光线从垂直led芯片的出光面射出，从而提高出光率，进而提高垂直led芯片的亮度。

附图说明

图1为一种垂直led芯片的剖面结构示意图；

图2为本发明一实施例的垂直led芯片的剖面结构示意图；

图3a为本发明一实施例的垂直led芯片的俯视示意图；

图3b为本发明一实施例的垂直led芯片的俯视示意图；

图4为本发明一实施例的垂直led芯片的制备方法的流程示意图。

附图标记说明：

图1中：

10-键合衬底；11-导电衬底；12-键合金属结构；13-n电极；

21-保护层；22-金属层；23-反射层；24-透明导电薄层；25-p型gan层；26-多量子阱层；27-n型gan层；28-绝缘层；

30-p电极；

图2-图3b中：

100-导电衬底；110-键合金属结构；111-第一子键合金属结构；112-第二子键合金属结构；120-保护层；130-n电极；

210-金属部；211-金属层；212-反射层；213-透明导电薄层；220-外延部；221-p型gan层；222-多量子阱层；223-n型gan层；224-绝缘层；

300-反射结构；310-反射基底；311-第一子反射基底；312-第二子反射基底；313-第三子反射基底；320-表面反射层；

400-p电极；

500-隔离槽。

具体实施方式

图1为一种垂直led芯片的剖面结构示意图。如图1所示，以传统的蓝光垂直led芯片为例，所述蓝光垂直led芯片例如是包括键合衬底10以及形成于所述键合衬底10一侧的主体结构，所述键合衬底10包括导电衬底11以及位于所述导电衬底11两侧的键合金属结构12和n电极13。所述主体结构例如是包括依次叠加在所述键合金属结构12上的金属层22、透明导电薄层24、p型gan层25、多量子阱层26和n型gan层27，其中，所述透明导电薄层24、p型gan层25、多量子阱层26和n型gan层27的尺寸小于所述金属层22的尺寸。所述蓝光垂直led芯片还包括包围所述键合金属结构12的保护层21以及嵌设在所述金属层22中的反射层23，所述金属层22暴露所述反射层23。所述蓝光垂直led芯片进一步包括覆盖所述金属层22、透明导电薄层24、p型gan层25、多量子阱层26和n型gan层27侧壁以及所述n型gan层27的上表面的绝缘层28以及位于部分所述金属层22上的p电极30，所述绝缘层28暴露所述p电极30。所述p电极30以一定的间隙位于所述透明导电薄层24、p型gan层25、多量子阱层26和n型gan层27的一侧。

发明人研究发现，上述垂直led芯片在工作时，由于部分光线从主体结构的侧壁射出，并被导电衬底吸收，使得作为垂直led芯片出光面的n型gan层的上表面的出光率较低，从而造成了亮度的损失。

基于上述研究，本发明提供一种垂直led芯片，通过在主体结构的外侧形成一反射结构，使得垂直led芯片在工作时，从主体结构的侧壁射出的部分光线经过反射结构的反射后，在不断折射后大部分的光线从垂直led芯片的出光面射出，从而提高出光率，进而提高垂直led芯片的亮度。

其中，所述垂直led芯片包括：

导电衬底；

主体结构，位于所述导电衬底的一侧，所述主体结构包括依次设置在所述导电衬底上的金属部和外延部；

p电极，所述p电极和外延部位于所述金属部背离导电衬底的一侧；

n电极，位于所述导电衬底的另一侧；以及

反射结构，所述反射结构与主体结构位于所述导电衬底的同侧，所述反射结构间隙的设置在所述主体结构的外侧，且所述反射结构至少部分包围所述主体结构，所述反射结构用于在垂直led芯片工作时将从主体结构侧壁射出的光线反射回去。

需要说明的是，本发明对于垂直led芯片的颜色不作限定，其可以为白光垂直led芯片、蓝光垂直led芯片、红光垂直led芯片、绿光垂直led芯片等各种颜色的垂直led芯片，其仅需芯片主体结构中的p电极的焊接面位于背向所述导电衬底一侧的表面即可。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图2-4对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图2为本实施例的垂直led芯片的剖面结构示意图。如图2所示，本发明实施例的垂直led芯片(例如是蓝光垂直led芯片)包括导电衬底100，所述导电衬底100例如是具有p型离子掺杂的硅衬底或者cu衬底，利用所述导电衬底100较高的导电以及导热率，可以大大提高垂直led芯片的散热效率。

可选的，所述导电衬底100的一侧还形成有键合金属结构110，所述键合金属结构110例如是依次包括叠加在所述导电衬底100上的第一子键合金属结构111和第二子键合金属结构112，所述第一子键合金属结构111形成于导电衬底100，所述第二子键合金属结构112形成于蓝宝石衬底，在经过键合后，所述第一子键合金属结构111和第二子键合金属结构112键合形成所述键合金属结构110。所述键合金属结构110的材料为cr、ni、al、ti、pt、sn或者au中的一种或几种的组合。本实施例中，采用具有p型离子掺杂的硅衬底作为导电衬底100，所述导电衬底100上形成有所述键合金属层110。所述键合金属结构110的外侧形成有一保护层120，以防止键合金属结构110外侧的其他结构与其进行电性连接，所述保护层120的材料例如是氧化铝、氮化硅或二氧化硅等绝缘材料。本实施例中，所述保护层120的材料为二氧化硅。

所述垂直led芯片还包括位于所述导电衬底100的另一侧的n电极130，所述n电极130的厚度例如是大于或等于优选的，所述n电极130的厚度例如是所述n电极130的材料为cr、ni、al、ti、pt或者au中的一种或几种的组合。

需要解释的是，所述导电衬底100形成有n电极130的一侧定义为所述导电衬底100的背面，或者下表面；所述导电衬底100背离所述n电极130的一侧定义为所述导电衬底100的正面，或者上表面。

所述垂直led芯片还包括主体结构，所述主体结构位于所述导电衬底100的一侧，即，所述主体结构位于所述导电衬底100的上表面。所述主体结构和导电衬底100之间具有一定的倾角，所述倾角例如是小于或等于90°，优选的，所述倾角例如是30～60°。作为示例，为了结构简单，所述主体结构与所述导电衬底100之间的相互垂直，即，所述主体结构与所述导电衬底100之间具有90°的倾角。

所述主体结构包括依次设置在所述导电衬底100上的金属部210和外延部220，所述金属部210包括依次叠加在所述导电衬底100上表面的金属层211和透明导电薄层213；所述外延部220包括依次叠加在所述金属部210上的p型gan层221、多量子阱层222和n型gan层223。所述金属层211的尺寸大于所述透明导电薄层213、p型gan层221、多量子阱层222和n型gan层223的尺寸，即，所述透明导电薄层213、p型gan层221、多量子阱层222和n型gan层223在金属层211上的投影未将所述金属层211完全覆盖，所述金属层211的材料为cr、ni、al、ti、pt、ag或者au中的一种或几种的组合。所述透明导电薄层213例如是ito(氧化铟锡)、zno、azo(掺铝氧化锌)、石墨烯等低电阻，高透光率材料。所述p型gan层221有良好的欧姆接触并具有高反射率特性。在垂直led芯片工作时，所述n型gan层223的上表面作为垂直led芯片的出光面将光线射出，其为垂直led芯片光线的有效出光区域。优选的，所述n型gan层223的上表面(即，背离所述导电衬底100的表面)例如是粗糙表面。

在本实施例中，所述第二子键合结构112贯穿了所述金属层211、透明导电薄层213、p型gan层221和多量子阱层222，并停止于所述n型gan层223中，使得所述第二子键合结构112呈一倒“π”结构，或倒“t”结构。所述保护层120覆盖所述第二子键合结构112，且暴露位于所述n型gan层223中的第二子键合结构112，使得垂直led芯片在工作时，第二子键合结构112可以与所述n型gan层223导通。

所述金属部210还包括嵌设在所述金属层211中的反射层212，所述金属层211暴露所述反射层212的上表面，优选的，所述反射层212的上表面与所述金属层211的上表面在同一平面。所述反射层212也有良好的欧姆接触并具有高反射率特性，所述反射层212材料为ni、ag、ti、pt、al或者rh等中的一种或多种组合。本实施例中，采用ag作为反射层212的材料。当然，其他的反射金属也可以适用于本发明，并不限定于此处所列举的示例。所述反射层212的尺寸根据led芯片尺寸而定，且小于led芯片的尺寸。

所述外延部220还包括绝缘层224，所述绝缘层224覆盖所述金属层211、透明导电薄层213、p型gan层221、多量子阱层222和n型gan层223的侧壁以及所述n型gan层223的上表面。所述绝缘层224还覆盖了所述外延部220暴露出的所述金属层211的上表面及其侧壁。所述绝缘层224的材料例如是氧化铝、氮化硅或二氧化硅等绝缘材料，所述绝缘层224的厚度例如是本实施例中，所述绝缘层224的材料为二氧化硅。

所述垂直led芯片还包括p电极400，所述p电极400位于所述金属层211上，且所述p电极400以一定的间隙位于所述透明导电薄层213、p型gan层221、多量子阱层222和n型gan层223的一侧，所述绝缘层224暴露所述p电极400。所述p电极400的材料例如为cr、ni、al、ti、pt或者au中的一种或几种的组合，所述p电极400的厚度例如是大于或等于优选的，所述p电极400的厚度例如是本实施例中，采用ni/au作为电极的材料。当然，其他的电极金属也可能适用于本发明，并不限定与此处所列举的示例。

所述垂直led芯片还包括反射结构300，所述反射结构300与主体结构位于所述导电衬底100的同侧，即，所述反射结构300位于所述导电衬底100的上表面，所述反射结构300间隙的设置在所述主体结构外侧，所述反射结构300至少部分包围所述主体结构，即，所述反射结构300整体呈环状且包围所述主体结构；或者，所述反射结构300包括多个子结构，所述多个子结构呈环状分布，且包围所述主体结构。所述主体结构的俯视图呈多边环状，例如是方环。在本实施例中，所述反射结构300整体呈方环状包围所述主体结构。所述反射结构300用于在垂直led芯片工作时将从主体结构侧壁射出的光反射回去。其中，所述反射结构300与主体结构之间的最小距离a例如是大于5μm，优选的，所述反射结构300与所述主体结构之间的最小距离a例如是5～20μm，使得垂直led芯片在工作时，所述反射结构300与n电极130之间并未导通。所述反射结构300的高度不高于所述主体结构最高的高度，进一步的，所述反射结构300的高度不高于位于所述n型gan层223上方的所述绝缘层224上表面所在的高度。所述反射结构300与导电衬底100之间具有一定的倾角，所述倾角例如是小于或等于90°，优选的，所述倾角可以是30°～60°。所述主体结构、反射结构300与导电衬底100之间形成近似倒梯形结构或矩形结构。本实施例中，所述反射结构300与导电衬底100之间具有90°的倾角，所述反射结构300与导电衬底100之间形成矩形结构。当然，小于90°的其他倾角也可能适用于本发明，并不限定与此处所列举的示例。

所述反射结构300包括反射基底310和表面反射层320，所述反射基底310用于支撑所述表面反射层320。所述反射基底310包括依次叠加在所述导电衬底100上的第一子反射基底311、第二子反射基底312和第三子反射基底313，其中，所述第一子反射基底311与p型gan层221同时形成，使得所述第一子反射基底311的厚度、材料等均与p型gan层221的相同；同样的，所述第二子反射基底312与多量子阱层222同时形成，使得所述第二子反射基底312的厚度、材料等均与多量子阱层222的相同；所述第三子反射基底313与n型gan层223同时形成，使得所述第三子反射基底313的厚度、材料等均与n型gan层223的相同。可选的，所述反射基底310还包括一阻挡层(图中未示出)，所述阻挡层位于所述第一子反射基底311、第二子反射基底312、第三子反射基底313侧壁，以及所述第三子反射基底313背离所述导电衬底100的表面。所述阻挡层与所述绝缘层224同时形成，且厚度、材料等均与绝缘层224的相同。

所述表面反射层320至少部分位于所述反射基底310靠近所述主体结构一侧的侧壁上。也就是说，所述表面反射层320可以至少部分位于靠近所述主体结构一侧的反射基底310的侧壁上(即，反射基底310暴露部分靠近所述主体结构一侧的侧壁上)，还可以至少部分位于靠近所述主体结构一侧的反射基底310的侧壁以及所述反射基底310上表面，还可以至少部分位于暴露出的所述反射基底310的表面上(即，所述反射基底310的两个侧壁以及上表面上)。优选的，所述表面反射层320的反射率例如是大于或等于75％，所述表面反射层320的厚度例如是所述表面反射层320的材料例如为ag或al中的一种或两种的组合。由上可知，在垂直led芯片工作时所产生的部分光线从主体结构的侧壁射出，由于反射结构的反射使得光线在不断折射后，大部分的光线可以从垂直led芯片的出光面射出，从而提高出光率，进而提高垂直led芯片的亮度。本实施例中，采用ag作为表面反射层的材料。当然，其他的反射金属也可能适用于本发明，并不限定与此处所列举的示例。

在本实施例中，所述主体结构和反射结构位于所述导电衬底的同一侧，所述主体结构包括依次设置在所述导电衬底上的金属部和外延部，所述n电极位于所述导电衬底的另一侧，所述p电极和外延部位于所述金属部背离导电衬底的一侧，所述反射结构以一定的间隙呈环状包围所述主体结构，在垂直led芯片工作时，从主体结构侧壁射出的光线被反射结构的表面反射层反射后，使得大部分光线最后经过n型gan背向所述导电衬底的表面射出。

图4为本实施例的垂直led芯片的制备方法的流程示意图。如图4所示，本发明实施例的垂直led芯片的制备方法包括以下步骤：

步骤s1：将一导电衬底置于一反应腔室内，所述导电衬底的一侧上形成有若干主体结构，以及位于相邻所述主体结构之间的划片道，所述导电衬底的另一侧上形成有n电极，其中，所述主体结构包括依次设置在所述导电衬底上的金属部和外延部；

步骤s2：向所述反应腔室内通入刻蚀气体，且同时开启激励电源和偏压电源，以在所述划片道上形成隔离槽，并在隔离槽达到预设深度时终止通入刻蚀气体，并关闭激励电源和偏压电源，其中，所述隔离槽暴露所述导电衬底，且所述隔离槽电性隔离相邻所述主体结构；

步骤s3：在所述金属部背离所述导电衬底上形成p电极；

步骤s4：在所述划片道上形成反射结构，所述隔离槽位于所述反射结构与相邻所述主体结构之间，所述反射结构至少部分包围所述主体结构，所述反射结构用于在垂直led芯片工作时将从主体结构侧壁射出的光线反射回去；以及

步骤s5：沿所述划片道进行裂片工艺，以得到单颗的垂直led芯片，每颗所述垂直led芯片均包括至少部分包围所述主体结构的反射结构。

下面结合图3a-图4对本发明实施例的垂直led芯片的制备方法进行详细说明。

请参阅图2，首先执行步骤s1，将一导电衬底100置于一反应腔室内，所述导电衬底100的一侧上形成有若干主体结构，以及位于相邻所述主体结构之间的划片道，所述导电衬底100的另一侧上形成有n电极130，其中，所述主体结构包括依次设置在所述导电衬底100上的金属部210和外延部220。

在本实施例中，所述导电衬底100与所述主体结构之间还形成有键合金属结构110。

请继续参阅图2，接着执行步骤s2，向所述反应腔室内通入刻蚀气体，且同时开启激励电源和偏压电源，以在所述划片道上形成隔离槽，并在隔离槽达到预设深度时终止通入刻蚀气体，并关闭激励电源和偏压电源，其中，所述隔离槽暴露所述导电衬底100，且所述隔离槽电性隔离相邻所述主体结构。

所述隔离槽500的数量与主体结构的数量相同，且一个隔离槽500对应一个主体结构，相邻所述隔离槽之间的部分为反射结构的反射基底，以形成一个宽度较宽的反射结构300，如图3a所示；或者，在相邻隔离槽500之间还形成有一个用于切割的切割隔离槽，相邻的切割隔离槽与隔离槽500之间的部分为反射结构的反射基底，以形成在每个主体结构外侧对应形成有一个反射结构300，如图3b所示。

在本步骤中，暴露了部分所述金属层211，同时还暴露了所述p型gan层221、多量子阱层222和n型gan层223的侧壁。另外，需要理解的是，该步骤中形成隔离槽的方法采用现有的工艺，因此，在此不做赘述。

请继续参阅图2，接着执行步骤s3，在所述金属部210背离所述导电衬底100上形成p电极400。

首先，在上述暴露出的部分所述金属层211，所述p型gan层221、多量子阱层222和n型gan层223的侧壁以及n型gan层223背向所述导电衬底100一侧的表面上形成绝缘层224。同时，在所述反射基底310的侧壁以及背向所述导电衬底100一侧的表面上形成阻挡层，其中，所述阻挡层的材料、厚度优选的与所述绝缘层224的相同。

接着，在所述金属层211上形成p电极400，所述绝缘层224暴露所述p电极400，且所述p电极400位于所述外研部220的一侧。

请继续参阅图2，接着执行步骤s4，在所述划片道上形成反射结构300，所述隔离槽位于所述反射结构300与相邻所述主体结构之间，所述反射结构300至少部分包围所述主体结构，所述反射结构300用于在垂直led芯片工作时将从主体结构侧壁射出的光线反射回去。所述反射结构300包括反射基底310和表面反射层320，所述表面反射层320至少部分位于所述反射基底310靠近所述主体结构一侧的侧壁上。

请继续参阅图2，接着执行步骤s5，沿所述划片道进行裂片工艺，以得到单颗的垂直led芯片，具体的，如图3a所示，沿反射基底的中心位置进行裂片工艺，或者，如图3b所示，沿切割隔离槽进行裂片工艺。其中，每颗所述垂直led芯片均包括至少部分包围所述主体结构的反射结构300。

在本步骤中，相邻的所述主体结构，位于所述主体结构下方的所述导电衬底100分离，得到若干独立的垂直led芯片。该每颗独立的垂直led芯片均包括一个主体结构，以及一个包围所述主体结构的反射结构300。

综上所述，本发明的一种垂直led芯片，通过在垂直led芯片外侧形成一反射结构，使得垂直led芯片在工作时，从垂直led芯片的侧壁射出的部分光线经过反射结构的反射后，在不断折射后大部分的光线从垂直led芯片的出光面射出，从而提高出光率，进而提高垂直led芯片的亮度。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。