专利名称：一种薄膜结构发光二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管的芯片结构，尤其是指一种薄膜结构的发光二极管。
背景技术：
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。LED的光提取效率是指出射到器件外可供利用的光子与外延片的有源区由电子空穴复合所产生的光子的比例。在传统LED器件中，由于衬底吸收、电极阻挡、出光面的全反射等因素的存在，光提取效率通常不到10%， 绝大部分光子被限制在器件内部无法出射而转变成热，成为影响器件可靠性的不良因素。 为提高光提取效率，使得器件体内产生的光子更多地发射到体外，并改善器件内部热特性， 经过多年的研究和实践，人们已经提出了多种光提取效率提高的方法，比如电流分布与电流扩展结构、芯片形状几何化结构、表面微结构等。通常LED的芯片结构为在蓝宝石等衬底上依次外延了 N型半导体层、有源层、P型半导体层的构造。另外，在P型半导体层上配置有P电极，在N型半导体层上配置有N电极。最终的芯片可以是正装结构、倒装结构、垂直结构等。其中，传统的垂直结构如图1所示，垂直结构LED的两个电极分别在有源层的上下两侧，电流几乎全部垂直流过氮化镓基外延层，没有横向流动的电流。因此，电阻降低，没有电流拥塞，电流分布均勻，充分利用发光层的材料，电流产生的热量减小，电压降低，抗静电能力提高。其传统的制造工艺包括下述步骤在蓝宝石衬底上生长一中间媒介层和氮化镓基外延层(依次包括N型半导体层、有源层、P型半导体层，等)，在氮化镓基P型半导体层上键合一导电支持衬底，该导电支持衬底的另一面层叠P电极。利用激光照射在中间媒介层上，氮化镓分解，蓝宝石衬底和氮化镓基外延层分离，即激光剥离，然后制造N电极完成芯片结构的制作。虽然这种传统的垂直结构有利于大功率LED的散热，但是其制造工艺往往比较复杂，键合导电支持衬底的牢固性也较难控制，不利于生产上良品率的提高。因此，如何突破现有技术进一步提高芯片良品率、提高芯片的散热能力、改善电流注入，从而提高出光率，仍然是本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种薄膜结构的发光二极管，提高芯片的发光效率。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案—种薄膜结构发光二极管，包括外延片、键合衬底以及通孔金属栓；所述外延片至少包括N型半导体层、位于N型半导体层上的有源层、位于有源层上的P型半导体层；在P型半导体层上依次设有透明导电层和反射层；在所述反射层上设有第一键合金属层；所述外延片上设有凹孔，所述凹孔深至N型半导体层，在所述凹孔内的N型半导体层表面设有N电极；所述外延片以及透明导电层和反射层的表面包裹有第一绝缘 保护层，仅将所述第一键合金属层和N电极露出；所述键合衬底中设有与所述凹孔相对应的通孔；在所述键合衬底上还设有与所述 第一键合金属层相配合的第二键合金属层；所述外延片与所述键合衬底通过第一键合金属层和第二键合金属层键合连接在 一起，第一键合金属层或第二键合金属层作为P电极引出；所述通孔和凹孔相对接形成空 腔，所述通孔金属栓位于该空腔中与N电极接触，从而将N电极引出。其中，N型半导体层为N型氮化镓基材料层，P型半导体层为P型氮化镓基材料层， 有源层为多量子阱层；透明导电层采用ITO材料；第一键合金属层和第二键合金属层采用 Ag、Al、Au、DBR材料或者DBR与Al、Ag、Au或者AlAg合金等高反射金属组成的叠层结构。 第一绝缘保护层采用SiO2材料。所述通孔金属栓采用Cu金属材料。作为本发明的优选方案之一，所述键合衬底采用陶瓷衬底。作为本发明的另一优选方案，所述键合衬底采用Si衬底；在所述Si衬底表面先 包裹有第二绝缘保护层，再在第二绝缘保护层外包裹金属扩散阻挡层，所述第二键合金属 层位于金属扩散阻挡层外。所述第二绝缘保护层采用SiO2材料，所述金属扩散阻挡层采用 TiN材料。相较于现有技术，本发明的有益效果在于本发明的薄膜结构发光二极管采用了 通孔金属栓设计，一方面，可以使芯片整体化，增加芯片的键合牢固性，从而可提高芯片的 良品率；另一方面，通孔金属栓结构深入芯片内部，可增加芯片的热扩散面积，降低芯片的 热阻，改善电流注入，从而达到提高芯片发光效率的目的；此外，通常倒装结构的N电极都 设置在剥离生长衬底之后的N型半导体面，而这N型半导体剥离面其实是出光面，电极的存 在多少会影响出光，本发明设计的N电极通过通孔金属栓从出光面的背面引出，可以进一 步提高芯片的发光效率，另外P电极是在键合衬底处由侧面引出，有利于芯片的封装。
图1是背景技术中传统的垂直结构发光二极管的示意图。图2是实施例一中外延片的剖面结构示意图。图3是实施例一中键合衬底的示意图。图4是实施例一中薄膜结构发光二极管芯片的剖面结构示意图。图5是实施例二中薄膜结构发光二极管芯片的剖面结构示意图。图中标记说明1生长衬底2 N型半导体层 3有源层4 P型半导体层5透明导电层 6反射层7第一键合金属层 8 N电极9第一绝缘保护层10第二键合金属层 11第二绝缘保护层 12金属扩散阻挡层13通孔金属栓14 Si衬底15陶瓷衬底
具体实施例方式下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。本发明提供的薄膜结构发光二极管，包括外延片、键合衬底以及通孔金属栓。其中，外延片至少包括N型半导体层、位于N型半导体层上的有源层、位于有源层上的P型半导体层。在P型半导体层上设有透明导电层和反射层，在反射层上设有第一键合金属层。该外延片上设有凹孔，所述凹孔深入外延片内，直至N型半导体层，使N型半导体层露出，在该凹孔内露出的N型半导体层表面设有N电极；所述外延片以及透明导电层和反射层的表面包裹有第一绝缘保护层，用于绝缘隔离，仅将所述第一键合金属层和N电极露出。键合衬底中设有与上述凹孔相对应的通孔；在该键合衬底上还设有与第一键合金属层相配合的第二键合金属层。外延片与键合衬底通过第一键合金属层和第二键合金属层键合连接在一起，通过第一键合金属层或第二键合金属层作为P电极弓I出。这样可从侧面引出P电极，有利于芯片的封装。其中，键合使通孔和凹孔相对接，通孔金属栓可以通过蒸镀等工艺整体制作于通孔和凹孔构成的空腔中，与N电极接触，从而将N电极引出。利用通孔金属栓从出光面的背面引出N电极，不会占用芯片的出光面的面积，有利于芯片的出光效果。此外，该通孔金属栓的设计还可以增加键合的牢固性，并且金属栓具有优良的导热性，可以增加芯片的热扩散面积，降低芯片的热阻。该整体结构有利于改善电流注入，从而有效提高芯片的发光效率。实施例一请参看图2-4，本实施例采用常见的Si衬底14作为键合衬底。图2为外延片的剖面结构示意图，所述外延片生长于生长衬底1 (如蓝宝石衬底) 上，包括N型半导体层2、有源层3和P型半导体层4。在P型半导体层4上设有透明导电层5和反射层6，在反射层6上设有第一键合金属层7。其中，N型半导体层2优选为N型氮化镓基层，P型半导体层4优选为P型氮化镓基材料层，但不仅限于此，所述氮化镓基材料可以是(ia、Ιη、Α1、Ν组成的二元、三元、四元化合物或混合物，如GaN、AlGaN, GaInN, AWaInN等。有源层3优选为多量子阱层，选材可以是由fe、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，但不仅限于此；透明导电层5可采用ITO材料，也可以是具有电流扩散作用的其他材料。该外延片上设有凹孔深入至N型半导体层2，使N型半导体层2露出，在该凹孔内露出的N型半导体层2表面设有N电极8。本实施例中的凹孔为圆锥形孔，有利于通孔金属栓13与N电极8充分接触，凹孔越深，通孔金属栓13与N电极8的接触面积就越大。所述外延片以及透明导电层5和反射层6露出的表面还包裹有第一绝缘保护层9， 仅将所述第一键合金属层7和N电极8露出，防止通孔金属栓13与外延片其他部分接触， 同时保护裸露在外部的区域。第一绝缘保护层9可采用SiO2M料，但不仅限于此，也可以是其他具有隔离保护作用的材料。图3为键合衬底的剖面结构示意图，键合衬底中设有与上述凹孔相对应的通孔； 在该键合衬底上还设有与第一键合金属层7相配合的第二键合金属层10。在键合衬底(Si 衬底14)表面先包裹有第二绝缘保护层11，再在第二绝缘保护层11外包裹金属扩散阻挡层 12，第二键合金属层10位于金属扩散阻挡层12外。所述第二绝缘保护层11可采用SiO2M 料，用于隔离保护键合衬底，所述金属扩散阻挡层12可采用TiN材料，或其他对金属具有扩散阻挡作用的材料，用于隔离保护键合衬底。
将外延片(图幻与键合衬底(图幻键合，即第一键合金属层7和第二键合金属层10键合在一起，通孔和凹孔相对接形成一个空腔，然后利用蒸镀等工艺将通孔金属栓13 整体制作于该空腔中，形成图4所示的芯片结构。通孔金属栓13与N电极8接触，从而将电极引出。反射层6通过第二键合金属层10引出。图4中第二键合金属层10有一部分宽于其下方的第一键合金属层7，该部分可用于引出电极。从侧面引出P电极有利于后续的封装。其中，第一键合金属层7和第二键合金属层10可以采用Ag、Al、Au、DBR(Distributed Bragg Reflectors)材料或者DBR与Al、Ag、Au或者AlAg合金等高反射金属组成的叠层结构，可以是先做DBR后再垫一层高反射的金属。通孔金属栓13采用Cu金属材料。由于Cu容易热扩散进入Si材料中，影响芯片性能，因此在本实施例中特别采用了 TiN材料作为金属扩散阻挡层12进行隔离，从而起到保护Si材料的作用，进一步提升芯片性能。如果需要从N型半导体层2出光，那么制作好上述结构后，还需要激光剥离生长衬底1。但是如果生长衬底1采用蓝宝石衬底，并且需要从蓝宝石衬底出光，那么就可以不剥离生长衬底1，从而简化制作工艺。从图4可见，N电极8位于芯片出光区域(N型半导体层 2与生长衬底1的剥离面或者是蓝宝石的生长衬底1)的背面，由通孔金属栓13引出。最后得到的芯片结构经切割、封装等后续工艺，可得到出光率较高的薄膜结构发光二极管。实施例二请参看图5，本实施例与实施例一采用基本相同的技术方案，不同之处在于，本实施例采用了陶瓷衬底15作为键合衬底，由于Cu金属(通孔金属栓1 与陶瓷衬底15之间不存在Cu向Si的扩散现象，因此不需要制作S^2材料第二绝缘保护层和TiN材料金属扩散阻挡层进行保护，使其结构可以更加简单。本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
1.一种薄膜结构发光二极管，其特征在于，包括外延片、键合衬底以及通孔金属栓； 所述外延片至少包括N型半导体层、位于N型半导体层上的有源层、位于有源层上的P型半导体层；在P型半导体层上依次设有透明导电层和反射层；在所述反射层上设有第一键合金属层；所述外延片上设有凹孔，所述凹孔深至N型半导体层，在所述凹孔内的N型半导体层表面设有N电极；所述外延片以及透明导电层和反射层的表面包裹有第一绝缘保护层，仅将所述第一键合金属层和N电极露出；所述键合衬底中设有与所述凹孔相对应的通孔；在所述键合衬底上还设有与所述第一键合金属层相配合的第二键合金属层；所述外延片与所述键合衬底通过第一键合金属层和第二键合金属层键合连接在一起， 第一键合金属层或第二键合金属层作为P电极引出；所述通孔和凹孔相对接形成空腔，所述通孔金属栓位于该空腔中与N电极接触，从而将N电极引出。
2.根据权利要求1所述的薄膜结构发光二极管，其特征在于N型半导体层为N型氮化镓基材料层，P型半导体层为P型氮化镓基材料层，有源层为多量子阱层。
3.根据权利要求1所述的薄膜结构发光二极管，其特征在于透明导电层采用ITO材料。
4.根据权利要求1所述的薄膜结构发光二极管，其特征在于第一键合金属层和第二键合金属层采用Ag、Al、Au、DBR材料或者DBR与Al、Ag、Au或者AlAg合金组成的叠层结构。
5.根据权利要求1所述的薄膜结构发光二极管，其特征在于第一绝缘保护层采用 SiO2材料。
6.根据权利要求1所述的薄膜结构发光二极管，其特征在于所述通孔金属栓采用Cu 金属材料。
7.根据权利要求1所述的薄膜结构发光二极管，其特征在于所述键合衬底采用陶瓷衬底。
8.根据权利要求1所述的薄膜结构发光二极管，其特征在于所述键合衬底采用Si衬底，在所述Si衬底表面先包裹有第二绝缘保护层，再在第二绝缘保护层外包裹金属扩散阻挡层，所述第二键合金属层位于金属扩散阻挡层外。
9.根据权利要求8所述的薄膜结构发光二极管，其特征在于所述第二绝缘保护层采用SiO2材料。
10.根据权利要求8所述的薄膜结构发光二极管，其特征在于所述金属扩散阻挡层采用TiN材料。
全文摘要
本发明公开一种薄膜结构发光二极管，包括外延片、键合衬底和通孔金属栓。外延片的P型半导体层上设有第一键合金属层；且外延片上设有凹孔深至N型半导体层，凹孔内的N型半导体层表面设有N电极；外延片的表面包裹有保护膜仅将第一键合金属层和N电极露出；键合衬底设有与凹孔对应的通孔，键合衬底上设有与第一键合金属层配合的第二键合金属层；外延片与键合衬底键合对接在一起，通孔金属栓位于通孔和凹孔中，与N电极接触将电极引出，通过第一键合金属层或第二键合金属层作为P电极引出。该结构可增加芯片键合牢固性，增加热扩散面积，降低热阻，改善电流注入，且N电极设于出光面背面，从而可提高LED发光效率。
文档编号H01L33/38GK102412357SQ20101029234
公开日2012年4月11日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者张楠, 朱广敏, 郝茂盛, 陈诚, 黎敏, 齐胜利 申请人:上海蓝光科技有限公司, 彩虹集团公司