含螺旋状环形电极的垂直结构led芯片的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及LED芯片技术领域，具体涉及一种含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片。
【背景技术】
[0002]III族氮化物主要是指氮化铝，氮化铟，氮化镓以及它们的三元或四元合金，III族氮化物能隙宽度范围涵盖了 0.7-6.2eV，包含了红外光到紫外光的光谱范围。氮化镓基材料属于直接能隙化合物半导体，辐射复合效率高，被广泛应用在紫外光到蓝绿光波段的发光器件制备中。
[0003]白光发光器件一般采用蓝光发光二极管表面涂覆荧光粉的方法。而为实现通用照明，要求单颗蓝光LED芯片驱动在较大电流下仍具有较高的光输出功率。目前较为成熟的LED芯片结构主要是正装结构。正装结构芯片一般是以蓝宝石作为衬底，通过在ICP刻蚀后的η型氮化镓上分别制作η型电极。它的缺点是牺牲了芯片的发射面积，降低器件的功率；其次电流横向传输使芯片在大电流注入下易发生电流拥挤效应，导致LED芯片局部温度过高而影响芯片的使用寿命；蓝宝石衬底的导热性能差，大功率操作下器件的产热将严重影响器件的性能。所以正装结构的LED芯片并不适合制作大尺寸大功率的LED。而垂直结构LED —般是采用导热性极好的金属合金作为衬底，可以在很大程度上解决芯片的散热问题；垂直结构芯片通常会在底部P电极的上方制作反射镜将到达芯片底面的光反射回上表面出射，又提高芯片的出光效率；并且η型氮化镓作为出光面，便于进一步的在该出光面上进行粗化处理以提高光输出效率；垂直结构的芯片电极采用上下结构分布，电流可以在芯片的内部垂直通过，可以解决正装结构倒装结构芯片的电极正下方的电流拥挤现象。因此，垂直结构的LED芯片是一种较为合适的制作大尺寸大功率的LED芯片结构。垂直结构LED芯片的η型电极是在激光剥离后的η型氮化镓上形成的，金属电极与激光剥离后的氮极性面η型氮化镓形成欧姆接触比较困难，优化垂直结构LED芯片中的η型电极结构也是制备垂直结构LED芯片的重点。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片及其制备方法。本实用新型采用区域性电镀复合金属基板，蓝宝石衬底剥离，表面复合微结构制备，螺旋状环形电极制备相结合的方法来实现垂直结构LED芯片。具体地，
[0005]含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片，其从下到上依次包括复合金属基板、电镀种子层、反射电极层、GaN外延层和螺旋状环形电极。
[0006]进一步地，所述复合金属基板由两种不同金属基板组合而成，下层金属基板为镍材料，厚度范围为10?50 μ m，上层金属基板为铜材料，厚度为100?200 μ m。所述复合金属基板，具有良好的导热性和支撑性。
[0007]进一步地，所述电镀种子层为Ni/Au，Cr/Au, Ti/Au, Cr/Pt/Au, Ti/Cu, Tiff/Cu 中的一种，该电镀种子层完全覆盖反射电极层的表面和侧面；所述电镀种子层为整层沉积；所述电镀种子层的厚度为500nm?1500nm。所述电镀种子层除了起电镀种子层作用外还在于保护反射电极层的扩散，防止造成芯片漏电失效。
[0008]进一步地，所述反射电极层是Ag-，Ni/Ag-，ITO+Ag-电极，厚度范围为120nm?500nm ;所述反射电极层为区域沉积，区域面积小于LED芯片面积。
[0009]进一步地，所述GaN外延层从下到上的结构包括:p_GaN，有源区，η-GaN和U-GaN ；其中U-GaN的表面为N极性氮化镓；所述U-GaN具有螺旋状环形结构的沟槽；所述U-GaN除沟槽外的表面为复合微结构。
[0010]进一步地，所述螺旋状环形电极被具有螺旋状环形结构沟槽的U-GaN包围，与η-GaN接触；所述螺旋状环形电极小于沟槽尺寸大小。
[0011]进一步地，所述螺旋状环形电极为方形螺旋，最外方形圈距离反射电极边界的水平距离为80?120 μ m，η型电极的线宽为10?20 μ m，方形螺旋间距为30?100 μ m，电极的螺旋圈数为2?6圈。
[0012]制备上述含螺旋状环形电极的垂直结构LED芯片的步骤如下:
[0013][I]提供第一衬底即蓝宝石衬底，在该衬底上利用外延沉积技术生长氮化镓外延层；所述外延层包括成核层、未掺杂的氮化镓层、η型氮化镓层、有源区和P型氮化镓层；
[0014][2]在上述氮化镓外延层上沉积一反射电极层，然后沉积一电镀种子层；
[0015][3]在上述电镀种子层上选择性地在芯片之间的过道处涂覆地涂覆一种非导电物质；
[0016][4]在上述种子层上区域选择性地生长金属基板(在芯片区域生长，过道处被非导电物质阻挡不能生长)，形成第二衬底；
[0017][5]利用激光剥离或湿法腐蚀技术使蓝宝石衬底与氮化镓外延层的分离，漏出N极性氮化镓；
[0018][6]在N极性氮化镓表面制备复合微结构；干法选择刻蚀N极性氮化镓，刻蚀至η-GaN,并在η-GaN上制作η型电极。
[0019]步骤[I]中所述第一衬底为蓝宝石衬底，Si衬底或SiC衬底。
[0020]步骤[2]中所述反射电极层为区域沉积，区域面积小于LED芯片面积；所述反射电极层反射率大于90%，并且与P型氮化镓层有较低的接触电阻。步骤[2]中所述电镀种子层为整层沉积。所述反射电极为Ag基反射电极，区域沉积能保证Ag基反射电极在后续工艺的稳定性，若整层沉积Ag基反射电极，实验中发现在后续工艺中会出现脱落现象，工艺不稳定。
[0021]步骤[3]中所述非导电物质可以为绝缘层，有机物等。选择性涂覆通过光刻，压印等制作技术。所述非导电物质厚度大于100 μ Π1。
[0022]步骤[4]中所述金属基板为复合金属基板，其中复合金属基板具有良好的导热性和支撑性，所述复合基板在电镀种子层上选择性生长，复合金属基板厚度大于120 μ m。
[0023]步骤[5]所述的第一衬底与氮化镓外延层的分离后的氮化镓外延层表面具均匀的表面，有利于后续湿法腐蚀粗化表面。均匀的表面通过控制激光剥离或湿法腐蚀的条件获得。
[0024]步骤[6]所述N极性氮化镓表面为未掺杂的氮化镓层，所述复合微结构的制作步骤如下:a、利用步进式光刻机在未掺杂的氮化镓层上制备微米级图案化结构山、利用干法刻蚀刻蚀未掺杂的氮化镓层形成表面微结构；c、利用碱溶液对上述微结构进行湿法腐蚀形成复合微结构。
[0025]步骤[7]所述干法选择刻蚀N极性氮化镓为区域去除表面的未掺杂的氮化镓层，所述的在η-GaN上制作η型电极，η型电极的区域与所去除U-GaN的区域形状相同。所述η型电极为一种螺旋环状结构，如图7所示，螺旋环状为方形螺旋，最外方形圈距离反射电极边界的水平距离为80?120 μ m，η型电极的线宽为10?20 μ m，方形螺旋间距为30?100 μπι，电极的螺旋圈数可以为2?6圈。
[0026]上述η型电极的线宽最优为15μπι。上述方形螺旋间距最优值为50 μ m，当间距更大时，电流分布均匀性变差，当间距更小时，较多的电极面积降低芯片的出光功率。所述电极的螺旋圈数以由方形螺旋间距及芯片尺寸匹配。
[0027]与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果:1、分步沉积Ag基反射电极和电镀种子层，其中Ag基反射电极为区域沉积于芯片中心位置，电镀种子层为整层沉积，覆盖整个Ag基反射电极以及过道区，能有效保障后续工艺的稳定性。如整层沉积Ag基反射电极的芯片，粘附性较差，芯片成品率低。2、通过采用复合金属基板，使制备的LED芯片同时具有良好的导热性和支撑性，如只采用支撑性好的镍金属基板，导热性能一般，只采用导热性好的铜金属基板，在加工过程中极易出现变形等损坏芯片性能。3、区域性选择电镀复合金属基板的采用可以不需要后续的激光切割工艺，提高芯片成品率，节省芯片制作成本。4、N极性氮化镓表面复合微结构的采用，可以提升器件的功率，实验结果显示具有复合微结构的芯片比只有微结构或者只有粗化结构的芯片功率提高至少5%以上。5、本实用新型所述螺旋环状结构的采用使芯片表面各点的电流分布更均匀，与传统垂直结构LED芯片所采用的目字形η形电极相比，在电流分布均匀性相同的情况下，本实用新型所述螺旋环状结构采用电极总面积更小，出光效率更高。
【附图说明】
[0028]图1为氮化镓基LED