一种高反射率的垂直结构发光二级管芯片及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高反射率的垂直结构发光二级管芯片，该芯片为单电极结构，由下至上依次包括散热基板、高反射P型欧姆接触层和外延层，其中：高反射P型欧姆接触层由下至上依次包括防氧化层、阻挡层、金属反射层和欧姆接触层，外延层由下至上依次包括P型层、多量子阱层和N型层，N型层上制作有N电极。本发明还公开了一种制备高反射率的垂直结构发光二级管芯片的方法。本发明制作的芯片能够有效增加光输出，改善芯片的散热能力，提供稳定的光输出功率，实现高流明效率的应用。
【专利说明】一种高反射率的垂直结构发光二级管芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体发光器件的设计，尤其是一种高反射率P型欧姆接触的垂直结构发光二极管芯片及其制备方法。
【背景技术】
[0002]以氮化镓基发光二极管(LED)为代表的新型半导体光源被称作第四代照明光源或绿色光源。与传统光源相比，它因为具有光效高、节能、环保、寿命长等优点，而备受瞩目。一些发达国家和地区纷纷制定了半导体照明发展计划，以期实现LED光源完全取代传统光源，引发照明产业的新革命。随着LED照明技术的不断改进和LED产业化的不断推进，半导体LED照明取代传统照明是大势所趋。因此，半导体照明被公认为是本世纪最具发展前景的高新【技术领域】之一。
[0003]GaN基LED芯片有两种基本结构,横向结构(Lateral)和垂直结构(Vertical)。考虑到成本和技术的因素，目前LED芯片均在蓝宝石衬底上制备，但由于蓝宝石衬底的绝缘特性，传统的LED芯片结构都采用横向设计，即P型和N型电极横向分布在芯片的同一侧。而这种结构存在着一些致命的缺陷，例如散热能力差影响芯片寿命和可靠性、电流分布不均匀导致拥挤效应、光提取效率低影响LED出光功率等，导致传统的LED性价比过低，无法大规模进入普通照明领域。市场迫切需要快速提高LED性价比的方案，而提高LED性价比主要通过提高LED的发光效率和降低生产成本来实现。但是，目前效率提升及成本下降的速度，还远达不到市场对LED性价比的期待。
[0004]垂直结构可以有效解决横向结构的缺点。垂直结构GaN基LED采用高热导率的衬底(如S1、Ge、Cu等)取代蓝宝石衬底，在很大程度上提高了散热能力；垂直结构芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，通过图形化的N电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，横向流动的电流极少，可以避免电流拥挤，提高发光效率，同时也解决了 P型电极的遮光问题，提升LED的发光面积。垂直结构的LED能够保证在一定的发光效率的前提下，采用较大的电流去驱动，这样一个垂直结构LED芯片就相当于几个横向结构的芯片，成本下降为原来的几分之一。因此，垂直结构的LED是半导体照明发展的必然趋势。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种具有高反射欧姆接触电极的垂直结构发光二极管芯片及其制备方法，以实现良好的欧姆接触性能的同时又得到高出光效率。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]为达到上述目的，本发明提供了一种高反射率的垂直结构发光二级管芯片，该芯片为单电极结构，由下至上依次包括散热基板、高反射P型欧姆接触层和外延层，其中:高反射P型欧姆接触层由下至上依次包括防氧化层、阻挡层、金属反射层和欧姆接触层，外延层由下至上依次包括P型层、多量子阱层和N型层，N型层上制作有N电极。
[0009]上述方案中，所述散热基板采用的材料为金属N1、Cu中的一种或两种，其厚度为60 μ m-100 μ m。
[0010]上述方案中，所述防氧化层采用的材料为金属Au、Ni/Au、Pt/Au或Pd/Au中的一种，其厚度为500nm-2000nm。
[0011 ] 上述方案中，所述阻挡层采用的材料为金属N1、T1、Mg或T1-Mg合金中的一种，其厚度为 500nm-1000nm。
[0012]上述方案中，所述金属反射层米用的材料为金属Ag、Al、Rh或Pd中的一种，其厚度为 50nm-500nmo
[0013]上述方案中，所述欧姆接触层采用的材料为金属N1、Ni_Zn合金或Ru中的一种，其厚度为 0.lnm_20nm。
[0014]上述方案中，所述外延层采用的材料是氮化镓。
[0015]为达到上述目的，本发明还提供了一种高反射率的垂直结构发光二级管芯片的制备方法，包括:
[0016]选择衬底，在衬底上依次外延生长缓冲层、N型层、多量子阱层和P型层，形成外延层；
[0017]对外延层进行光刻腐蚀，并沉积钝化层；
[0018]在钝化层上依次蒸镀欧姆接触层、金属反射层、阻挡层和防氧化层，并退火形成高反射P型欧姆接触层；
[0019]在高反射P型欧姆接触层上电镀制作散热基板；
[0020]移除衬底和缓冲层；
[0021]在N型层上制作N电极，得到含有多个单电极芯片的圆片；
[0022]对圆片进行测试、划片和分选。
[0023]上述方案中，所述衬底采用的材料为硅、蓝宝石、碳化硅或氮化铝中的一种。
[0024]上述方案中，所述退火形成高反射P型欧姆接触层的步骤中，退火温度在200°C?1000°C之间，退火时间I分钟-10分钟，退火气氛包括下列气氛的至少一种:n2，o2，大气，真空以及惰性气体。
[0025]上述方案中，所述在高反射P型欧姆接触层上电镀制作散热基板的步骤中，电镀温度为 25°C -65°C，电流密度为 2A/cm2-10A/cm2，PH 值为 4.0-4.5。
[0026]上述方案中，所述移除衬底和缓冲层的步骤中，移除衬底采用激光剥离、湿法腐蚀或者机械研磨方法中的一种或者几种，移除缓冲层采用200°C磷酸溶液浸泡30秒-120秒。
[0027](三)有益效果
[0028]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0029]1、本发明提供的高反射率的垂直结构发光二级管芯片，由于采用高反射率的P型欧姆接触层，因此既能实现良好的欧姆接触性能，又能够实现极高的光反射效率，器件可以实现高流明效率。
[0030]2、本发明提供的高反射率的垂直结构发光二级管芯片的制备方法，是在传统制作工艺的条件下，增加了对刻蚀侧壁制作钝化层保护，通过P型金属接触层反射，增加了光反射效率，减少了光在器件内的损耗，高热导率的散热基板提供了热沉的通道，使大电流下能够提供稳定的光输出。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中:
[0032]图1是本发明提供的高反射率的垂直结构发光二级管芯片的结构示意图；
[0033]图2-图4为本发明提供的制备高反射率的垂直结构发光二级管芯片的工艺流程图，其中:
[0034]图2是本发明的具有高反射P型欧姆接触的垂直结构发光二极管芯片在外延晶圆上经过平台建立和蒸镀高反射P型欧姆接触的晶圆剖面图；
[0035]图3是本发明的具有高反射P型欧姆接触的垂直结构发光二极管芯片电镀金属基板后的剖面图；
[0036]图4是本发明的具有高反射P型欧姆接触的垂直结构发光二极管芯片完成芯片制作，未进行切割的晶圆剖面图。
【具体实施方式】
[0037]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0038]本发明提供了一种高反射率的垂直结构发光二级管芯片及其制备方法，该芯片为单电极结构，包含高反射P型欧姆接触层，高热导率的散热基板，极大的提高出光效率，改善器件的散热能力。
[0039]如图1所示，图1是本发明提供的高反射率的垂直结构发光二级管芯片的结构示意图，该芯片为单电极结构，由下至上依次包括散热基板11、高反射P型欧姆接触层和外延层，其中:高反射P型欧姆接触层由下至上依次包括防氧化层10、阻挡层9、金属反射层8和欧姆接触层7，外延层由下至上依次包括P型层5、多量子阱层4和N型层3，防氧化层10形成于散热基板11之上，P型层5形成于欧姆接触层7之上，N型层3上制作有N电极12。
[0040]其中，散热基板11采用的材料为金属N1、Cu中的一种或两种，其厚度为60 μ m-100 μ m。防氧化层10采用的材料为金属Au、Ni/Au、Pt/Au或Pd/Au中的一种,其厚度为500nm-2000nm。阻挡层9采用的材料为金属N1、T1、Mg或T1-Mg合金中的一种，其厚度为500nm-1000nm。金属反射层8采用的材料为金属Ag、Al、Rh或Pd中的一种，其厚度为50nm-500nm。欧姆接触层7采用的材料为金属N1、Ni_Zn合金或Ru中的一种，其厚度为0.lnm-20nm。外延层采用的材料是氮化镓。
[0041]本发明提供的高发射率的垂直结构发光二极管芯片，由于采用高热导率的金属基板和高反射率的P型欧姆接触层，因此有很强的散热能力以及良好的欧姆接触性能和极高的光反射效率，器件可以实现高流明效率。
[0042]基于图1所示的高反射率的垂直结构发光二级管芯片的结构示意图，本发明还提供了一种高反射率的垂直结构发光二级管芯片的制备方法，包括以下步骤:
[0043]步骤1:选择衬底，在衬底上依次外延生长缓冲层、N型层、多量子阱层和P型层，形成外延层；
[0044]步骤2:对外延层进行光刻腐蚀，并沉积钝化层；
[0045]步骤3:在钝化层上依次蒸镀欧姆接触层、金属反射层、阻挡层和防氧化层，并退火形成高反射P型欧姆接触层；
[0046]步骤4:在高反射P型欧姆接触层上电镀制作散热基板；
[0047]步骤5:移除衬底和缓冲层；
[0048]步骤6:在N型层上制作N电极，得到含有多个单电极芯片的圆片；
[0049]步骤7:对圆片进行测试、划片和分选。
[0050]步骤I中所述衬底一般采用的材料为硅、蓝宝石、碳化硅或氮化铝中的一种。步骤3中所述退火形成高反射P型欧姆接触层，退火温度在200°C?1000°C之间，退火时间I分钟-10分钟，退火气氛包括下列气氛的至少一种:N2, O2，大气，真空以及惰性气体。步骤4中所述在高反射P型欧姆接触层上电镀制作散热基板，电镀温度为25°C _65°C，电流密度为2A/Cm2-10A/Cm2，PH值为4.0-4.5。步骤5中所述移除衬底和缓冲层，移除衬底采用激光剥离、湿法腐蚀或者机械研磨方法中的一种或者几种，移除缓冲层采用200°C磷酸溶液浸泡30 秒-120 秒。
[0051]本发明的制作的高反射率的垂直结构发光二级管芯片，采用退火形成高反射P型欧姆接触层，不仅实现高反射率和良好欧姆接触，并且能跟后续的电镀工艺相衔接；采用电镀制备金属基板，工艺简单并且可以避免晶圆键合技术产生的热应力和良率问题。从而能够有效增加光输出，改善芯片的散热能力，提供稳定的光输出功率，实现高流明效率的应用。
[0052]实施例1
[0053]本发明实施例1垂直结构的发光二极管芯片制备方法如下:
[0054]I)在蓝宝石衬底I上外延，依次生长缓冲层2，N型层3，多量子阱层4，P型层5，然后将晶片在700°C、N2气氛下退火20分钟；
[0055]2)通过光刻，干法刻蚀直到衬底，刻蚀深度在7 μ m左右，实现平台独立；
[0056]3)沉积2 μ m钝化层6保护刻蚀侧壁，钝化层6采用二氧化硅；
[0057]4)蒸镀高反射P型欧姆接触层，包括:欧姆接触层7 (Ni)、反射层8 (Ag)、阻挡层9 (Ni)和防氧化层10 (Au)；
[0058]5) 500°C在O2气氛下对高反射P型欧姆接触层进行退火处理；
[0059]6)电镀金属Ni基板11 ；
[0060]7)激光剥离蓝宝石沉底1，露出缓冲层2 ；
[0061]8)使用200°C磷酸刻蚀缓冲层2 ；
[0062]9)蒸镀金属(Cr/Au)到基板上形成电极12 ；
[0063]10)钻石刀片切割散热基板，圆片测试，分选。
[0064]实施例2
[0065]在蓝宝石衬底I上生长缓冲层2、氮化镓N型层3、多量子阱层4和氮化镓P型层5。光刻形成图形，干法刻蚀到蓝宝石衬底，刻蚀侧面沉积钝化层6，蒸镀高反射P型欧姆接触层(欧姆接触层7、反射层8、阻挡层9和防氧化层10)并退火，电镀金属基板11，移除蓝宝石衬底1，移除缓冲层2，蒸镀金属层12制作N电极，最后对圆片进行划片、测试、分选。
[0066]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种高反射率的垂直结构发光二级管芯片，其特征在于，该芯片为单电极结构，由下至上依次包括散热基板、高反射P型欧姆接触层和外延层，其中: 高反射P型欧姆接触层由下至上依次包括防氧化层、阻挡层、金属反射层和欧姆接触层，外延层由下至上依次包括P型层、多量子阱层和N型层，N型层上制作有N电极。
2.根据权利要求1所述的高反射率的垂直结构发光二级管芯片，其特征在于，所述散热基板采用的材料为金属N1、Cu中的一种或者两种，其厚度为60 μ m-100 μ m。
3.根据权利要求1所述的高反射率的垂直结构发光二级管芯片，其特征在于，所述防氧化层采用的材料为金属Au、Ni/Au、Pt/Au或Pd/Au中的一种，其厚度为500nm-2000nm。
4.根据权利要求1所述的高反射率的垂直结构发光二级管芯片，其特征在于，所述阻挡层采用的材料为金属N1、T1、Mg或T1-Mg合金中的一种，其厚度为500nm-1000nm。
5.根据权利要求1所述的高反射率的垂直结构发光二级管芯片，其特征在于，所述金属反射层采用的材料为金属Ag、Al、Rh或Pd中的一种，其厚度为50nm-500nm。
6.根据权利要求1所述的高反射率的垂直结构发光二级管芯片，其特征在于，所述欧姆接触层采用的材料为金属N1、N1-Zn合金或Ru中的一种，其厚度为0.lnm_20nm。
7.根据权利要求1所述的高反射率的垂直结构发光二级管芯片，其特征在于，所述外延层采用的材料是氮化镓。
8.一种高反射率的垂直结构发光二级管芯片的制备方法，其特征在于，包括: 选择衬底，在衬底上依次外延生长缓冲层、N型层、多量子阱层和P型层，形成外延层； 对外延层进行光刻腐蚀，并沉积钝化层； 在钝化层上依次蒸镀欧姆接触层、金属反射层、阻挡层和防氧化层，并退火形成高反射P型欧姆接触层； 在高反射P型欧姆接触层上电镀制作散热基板； 移除衬底和缓冲层； 在N型层上制作N电极，得到含有多个单电极芯片的圆片； 对圆片进行测试、划片和分选。
9.根据权利要求8所述的高反射率的垂直结构发光二级管芯片的制备方法，其特征在于，所述衬底采用的材料为硅、蓝宝石、碳化硅或氮化铝中的一种。
10.根据权利要求8所述的高反射率的垂直结构发光二级管芯片的制备方法，其特征在于，所述退火形成高反射P型欧姆接触层的步骤中，退火温度在200°C?1000°C之间，退火时间I分钟-10分钟,退火气氛包括下列气氛的至少一种:N2，O2，大气，真空以及惰性气体。
11.根据权利要求8所述的高反射率的垂直结构发光二级管芯片的制备方法，其特征在于，所述在高反射P型欧姆接触层上电镀制作散热基板的步骤中，电镀温度为250C _65°C，电流密度为 2A/cm2-10A/cm2，PH 值为 4.0-4.5。
12.根据权利要求8所述的高反射率的垂直结构发光二级管芯片的制备方法，其特征在于，所述移除衬底和缓冲层的步骤中，移除衬底采用激光剥离、湿法腐蚀或者机械研磨方法中的一种或者几种，移除缓冲层采用200°C磷酸溶液浸泡30秒-120秒。
【文档编号】H01L33/40GK104393140SQ201410641928
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】赵桂娟, 汪连山, 杨少延, 刘贵鹏, 魏鸿源, 焦春美, 刘祥林, 朱勤生, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所