一种垂直LED芯片结构及其制备方法与流程

本发明涉及一种垂直led芯片结构及其制备方法，属于led芯片制备技术领域。

背景技术：

以gan为基础的发光二极管(led)作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性等优点，正在迅速被广泛地应用于交通信号灯、手机背光源、户外全彩显示屏、城市景观照明、汽车内外灯、隧道灯等领域。因此，led的各方面性能提升都被业界重点关注，作为核心半导体器件的gan基蓝光led能与荧光粉结合制造白光，在照明方面有很大的吸引力。

相比于传统的gan基led正装结构，垂直结构具有散热好、能够承载大电流、发光强度高、耗电量小、寿命长等优点，被广泛应用于通用照明、景观照明、特种照明、汽车照明等领域，成为一代大功率gan基led极具潜力的解决方案，正受到业界越来越多的关注和研究。垂直结构剥离了蓝宝石衬底，直接在外延p型层上布置反射层，器件内部有源区随机射向非出光面的光直接通过反射层反射，通常的反射层为金属反射层，避免了由于器件内部有源区随机射向非出光面而造成光抽取效率的降低。但是，由于受目前的垂直芯片电极结构所限制，当通电电流一致的情况下，n电极的电流是由点进行扩展，极易出现电流扩展不均匀，而p电极是由p面整个平面进行通电，虽然电流扩展均匀，但是扩展至量子阱的电流密度小，最终会导致光量子效率激发不充分，出光效率大大降低；除此之外，因反射层的材质一般为金铍等金属类物质，极易吸收光，也会导致光效降低。

gan基led的出光效率受制于量子阱的激发电流大小以及光被自身吸收的程度。为了提高led的出光效率，图形化衬底以及对n面gan层进行粗化等在led的制备中被广泛采用。但是这些手段只是在一定程度上起到了增大出光效率的作用，若想最大限度的激发光效还要从垂直芯片的结构及电极布置上进行设计。

中国专利文献cn105428475a公开了垂直led芯片结构及其制备方法，提出了一种垂直led芯片结构及其制备方法，在制作完gan发光外延结构之后，通过对n面gan层进行二次粗化，改善垂直芯片n-gan表面粗化效果不佳的状况，从而提升光提取效率。该专利文献中所采取的提升光效的方法虽然能起到一定作用，但是利用湿法腐蚀进行二次粗化难度较大，极易发生过腐蚀的问题。

中国专利文献cn101859855a公开的一种具有表面双层粗化的四元系垂直发光二极管及其制备方法，在衬底形成一布拉格反射层，在布拉格反射层上形成第一型磊晶层，在第一型磊晶层上形成发光层，在发光层上形成第二型磊晶层，具有小圆洞或者网状结构的第一gap窗口层形成于第二型磊晶层上，具有小圆洞或者网状结构的第二gap窗口层形成于第一gap窗口层上；第一电极形成于第二gap窗口层顶面，第二电极形成于衬底底面；本发明在完成常规工艺后，采用在第一gap窗口层与第二gap窗口层间形成相互交错的小圆洞或者网状结构，改变从发光层发出的光线到达发光二极管芯片表面时的光路，使更多的光线从内部射出；该专利中提及的“小圆洞或者网状结构”是指对外延生长的gap层进行湿法腐蚀而成，作用是为了改变出光光路，从而增加光折射，达到增强光效的目的；该专利通过在衬底形成一布拉格反射层作为粗化层，这种技术方案晶格匹配度差，外延层应力大，容易造成裂片。

技术实现要素：

鉴于以上现有技术的缺点，本发明提供了一种垂直led芯片结构；

本发明还提供了上述垂直led芯片结构的制备方法，用于解决现有技术中电流扩展不均匀、自身吸光严重、发光效率低等问题。

本发明通过从垂直芯片的结构以及电极布置上进行重新设计，在p型gan层表面设计一层电流引导层，同时将n面电极结构也与之对应设计，从而增大量子阱的激发电流密度，从而提升发光效率。

术语解释：

1、光刻技术，集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到单晶表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。

2、键合，是指将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术。

3、研磨，是指利用涂敷或压嵌在研具上的磨料颗粒，通过研具与工件在一定压力下的相对运动对加工表面进行的精整加工(如切削加工)。

4、icp刻蚀，inductivelycoupleplasmaetch，感应耦合等离子体刻蚀。

本发明的技术方案为：

一种垂直led芯片结构，由下至上依次包括导电基底、蒸铟层、金属反射镜层、电流引导层、p-gan层、量子阱层、n-gan层、粗化层、sio2保护层，以及位于所述sio2保护层表面上的n电极，所述电流引导层包括在若干均匀分布的金属图形及sio2薄膜。

本发明通过在p-gan层与金属反射镜层之间增加电流引导层，可以使p极电流通过时按照设定的金属图形进行电流流通，均匀的增大了电流密度，同时该电流引导层有sio2薄膜，既能阻挡电流通过又能避免金属反射镜层吸光，从而增大出光效率；

根据本发明优选的，所述金属图形为金属圆柱体。

设计成金属圆柱体，可以增大电流扩展能力，降低led芯片电压。

根据本发明优选的，所述金属图形表面积与所述p-gan层的表面积的比值为(1:10)—(1:4)；

进一步优选的，所述金属图形表面积与所述p-gan层的表面积的比值为(1:8)—(1:6)。

根据本发明优选的，所述电流引导层的厚度为550-800a。

根据本发明优选的，所述导电基底的厚度为320um-430um；所述蒸铟层的厚度为120-250a；所述金属反射镜层的厚度为650-1000a；所述电流引导层的厚度为550-800a；所述p-gan层的厚度为0.15-0.3um；所述量子阱层的厚度为0.12-0.25um；所述n-gan层的厚度为3-4um；所述粗化层的厚度为200-450a；所述sio2保护层的厚度为800a-1000a。

一种垂直led芯片结构的制备方法，包括：

(1)在蓝宝石衬底上依次生长u-gan层、n-gan层、多量子阱层以及p-gan层；

(2)在所述p-gan层表面制备电流引导层；

(3)在所述电流引导层表面制备金属反射镜层；

(4)将导电基底键合在所述金属反射镜层上；

(5)(研磨)去除所述蓝宝石衬底；

(6)(采用icp刻蚀法)去除所述u-gan层；

(7)将步骤(6)处理后的led芯片结构倒置，(采用湿法腐蚀)对所述n-gan层进行粗化，形成粗化层；

(8)在所述粗化层表面制备sio2保护层；

(9)在所述sio2保护层表面制作及电流扩展区，(利用光刻的方法)去除n电极下方的sio2保护层。

根据本发明优选的，所述步骤(2)，在所述p-gan层表面制备电流引导层，包括：

a、在所述p-gan层表面制备欧姆接触的金属层；所述欧姆接触的金属层的材质为au、be、al、ti、ge、ni中之一或其中几种的组合；

b、利用光刻技术腐蚀所述欧姆接触的金属层，使在所述p-gan层表面上均匀形成金属图形，所述金属图形的表面积与所述p-gan层的表面积的占比为(1:10)—(1:4)；

c、合金后，利用pecvd技术在形成有金属图形的所述p-gan层表面生长sio2薄膜；

d、利用光刻技术腐蚀去除金属图形上方的所述sio2薄膜。

根据本发明优选的，所述步骤(3)，在所述电流引导层表面制备金属反射镜层，包括：

e、在所述电流引导层表面制作ag反射镜或sio2与tio2的组合物；

f、在所述ag反射镜表面制作金属键合层，金属键合层为au、be、sn、ti、ni、al的键合层。

根据本发明优选的，所述步骤(4)，将导电基底键合在所述金属反射镜层上，包括：在所述导电基底下表面蒸镀铟，形成蒸铟层，将所述蒸铟层键合在所述金属反射镜层上。导电基底下表面蒸镀铟，方便键合。

根据本发明优选的，所述导电基底为si衬底或sic衬底。

根据本发明优选的，所述步骤(7)，对所述n-gan层进行粗化，包括：采用koh强碱溶液或者显影液弱碱溶液对所述n-gan层表面进行粗化。

根据本发明优选的，所述步骤(8)，在所述粗化层表面制备sio2保护层，包括：采用pecvd生长技术在所述粗化层表面生长厚度为800-1000埃的sio2薄膜。该sio2薄膜主要起到保护n-gan层表面的作用，同时防止芯片漏电现象的发生。

根据本发明优选的，所述步骤(9)，在sio2保护层表面制作n电极及电流扩展区，(利用光刻的方法)去除n电极下方的sio2保护层。包括：

g、在sio2保护层表面甩光刻胶，利用电极光刻版进行曝光；

h、用显影液去除电极图形中的光刻胶；

i、腐蚀电极图形中的sio2保护层；

j、蒸镀n电极，n电极的材质包括al、ti、cr、au；

k、剥离掉电极图形之外的带有光刻胶的区域，形成n电极以及电流扩展区。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过在p型gan层与金属反射镜之间增加一电流引导层，可以使p极电流通过时按照设定的金属小圆点进行电流流通，均匀的增大了电流密度，同时该电流引导层有sio2薄膜，既能阻挡电流通过又能避免金属反射镜吸光，从而增大出光效率；

2、本发明n电极的图形设计时采取与p电极小圆点相对应的结构，使p、n电极的电流都能均匀分布，且电流密度增大，最大限度的激发量子阱的发光效率。

3、本发明的结构设置简单，可以大幅提升垂直芯片的光提取效率，在半导体照明领域具有广泛的应用前景。

4、本发明在p型gan层上制备一层电流引导层，电流引导层是由金属小圆点和sio2组成，金属小圆点是用蒸镀的方法制备而成，增大了量子阱的激发电流密度，提升了发光效率。

附图说明

图1是本发明实施例4步骤(1)完成后生成的外延片结构示意图；

图2是本发明实施例4步骤(2)完成后生成的外延片结构示意图；

图3是本发明实施例4步骤(3)完成后生成的外延片结构示意图；

图4是本发明实施例4步骤(6)完成后生成的外延片结构示意图；

图5是本发明实施例4步骤(7)完成后生成的外延片结构示意图；

图6是本发明垂直led芯片结构示意图；

图7本发明的垂直led芯片通电后的电流扩展示意图；

图8是本发明垂直led芯片俯视图；

图9是本发明垂直led芯片与常规芯片亮度对比示意图；

1、蓝宝石衬底；2、u-gan层；3、n-gan层；4、量子阱层；5、p-gan层；6、电流引导层；7、金属圆柱体；8、sio2薄膜；9、金属反射镜层；10、ag反射镜；11、金属键合层；12、蒸铟层；13、导电基底；14、粗化层；15、sio2保护层；16、n电极；17、电流扩展区。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种垂直led芯片结构，如图6所示，由下至上依次包括导电基底13、蒸铟层12、金属反射镜层9、电流引导层6、p-gan层5、量子阱层4、n-gan层3、粗化层14、sio2保护层15，以及位于sio2保护层15表面上的n电极16，电流引导层6包括在若干均匀分布的金属图形及sio2薄膜8。

本发明通过在p-gan层5与金属反射镜层9之间增加电流引导层6，可以使p极电流通过时按照设定的金属图形进行电流流通，均匀的增大了电流密度，同时该电流引导层6有sio2薄膜8，既能阻挡电流通过又能避免金属反射镜层9吸光，从而增大出光效率；

导电基底13作为p电极，如图7所示，对垂直芯片的p电极、n电极16分别通电时，正、负极电流流向均匀的按照既定的引导通道(即p电极的金属图形和n电极16的电流扩展区17)流向量子阱层4；

对本发明垂直led芯片结构及现有的常规芯片进行光电参数测量，如图9所示，图9为本实施例垂直led芯片结构及现有的常规工艺制作的常规芯片亮度对比图，通过对比，可见本实施例垂直led芯片结构的亮度比现有的常规芯片高出8％左右。

实施例2

根据实施例1所述的一种垂直led芯片结构，其区别在于，金属图形为金属圆柱体7。设计成金属圆柱体7，可以增大电流扩展能力，降低led芯片电压。

实施例3

根据实施例1或2所述的一种垂直led芯片结构，其区别在于，金属图形表面积与p-gan层5的表面积的比值为(1:10)—(1:4)；

电流引导层6的厚度为550-800a；导电基底13的厚度为320-430um；蒸铟层12的厚度为120-250a；金属反射镜层9的厚度为650-1000a；电流引导层6的厚度为550-800a；p-gan层5的厚度为0.15-0.3um；量子阱层4的厚度为0.12-0.25um；n-gan层3的厚度为3-4um；粗化层14的厚度为200-450a；sio2保护层15的厚度为800-1000a。

实施例4

实施例1或2所述的一种垂直led芯片结构的制备方法，包括：

(1)采用mocvd技术，在蓝宝石衬底1上依次生长u-gan层2、n-gan层3、多量子阱层4以及p-gan层5；步骤(1)完成后生成的外延片结构如图1所示。

(2)在p-gan层5表面制备电流引导层6；包括：

a、在p-gan层5表面蒸镀一层欧姆接触的金属层；欧姆接触的金属层的材质为au、be、al、ti、ge、ni中之一或其中几种的组合；

b、利用光刻技术(甩胶、曝光、显影、腐蚀)去除欧姆接触的金属层，使在p-gan层5表面上均匀形成金属图形，金属图形的表面积与p-gan层5的表面积的占比为(1:10)—(1:4)；金属图形在芯片结构表面的分布形貌如图8所示；

c、合金，即将步骤b生成的结构放入合金炉中加热10分钟，温度为120-160℃，以便更好的形成欧姆接触，利用pecvd技术在形成有金属图形的p-gan层5表面生长sio2薄膜8；

d、利用光刻技术(甩胶、曝光、显影、腐蚀)腐蚀去除金属图形上方的sio2薄膜8。

步骤(2)完成后生成的外延片结构如图2所示；

(3)在电流引导层6表面制备金属反射镜层9；包括：

e、采用蒸镀工艺，在电流引导层6表面制作ag反射镜或sio2与tio2的组合物；

f、在ag反射镜或sio2与tio2的组合物表面制作金属键合层11，金属键合层11为au、be、sn、ti、ni、al的键合层。

步骤(3)完成后生成的外延片结构如图3所示；

(4)将导电基底13键合在金属反射镜层9上；包括：在导电基底13下表面蒸镀铟，形成蒸铟层12，将蒸铟层12键合在金属反射镜层9上，键合时采用在模具中加热同时固定加紧的方式。导电基底13下表面蒸镀铟，方便键合。

(5)(研磨)去除蓝宝石衬底1；

(6)(采用icp刻蚀法)去除u-gan层2；

步骤(6)完成后生成的外延片结构如图4所示。

(7)将步骤(6)处理后的led芯片结构倒置，(采用湿法腐蚀)采用koh强碱溶液(时间为0.5-1min)或者显影液弱碱溶液(时间为1-1.5min)对n-gan层3表面进行粗化，形成粗化层14；步骤(7)完成后生成的外延片结构如图5所示。

(8)在粗化层14表面制备sio2保护层15；包括：采用pecvd生长技术在粗化层14表面生长厚度为800-1000埃的sio2薄膜8。该sio2薄膜8主要起到保护n-gan层3表面的作用，同时防止芯片漏电现象的发生。

(9)在sio2保护层15表面制作n电极16及电流扩展区17，(利用光刻的方法)去除n电极16下方的sio2保护层15。包括：

g、在sio2保护层15表面甩光刻胶，利用电极光刻版进行曝光；

h、用显影液去除电极图形中的光刻胶；

i、腐蚀电极图形中的sio2保护层15；

j、蒸镀n电极16，n电极16的材质包括al、ti、cr、au；

k、采用蓝膜将电极图形之外的带有光刻胶的区域剥离掉，形成n电极16以及电流扩展区17。导电基底13为si衬底或sic衬底。

如图7所示，对垂直芯片的p、n极分别通电时，正、负极电流流向18均匀的按照既定的引导通道(即p极的金属小圆点7和n极的电流扩展区17)流向量子阱层4；图8为按照本发明的步骤制作完成的垂直led芯片俯视图。

定义本发明涉及的垂直led芯片结构为样品1，常规垂直led芯片结构为样品2，对这两种样品进行光电参数测量；图9是两种样品亮度对比，通过对比可见本专利所做出来的样品1的亮度比常规结构的样品2高出8％左右。