一种高亮度LED芯片及其制作方法与流程

本发明涉及半导体芯片技术领域，特别地，涉及一种高亮度LED芯片及其制作方法。

背景技术：

目前，第三代半导体材料已经广泛应用于人类生产生活的各个领域，并在其中起着重要的作用。氮化镓(GaN)材料作为第三代半导体材料家族中的重要组成部分也得到了广泛的应用，其在LED半导体行业中起着不可替代的作用。GaN材料是一种六角纤锌矿结构，它具有化学性能稳定、耐高温、禁带宽度大、高电子漂移饱和速度等优势。因此，GaN基材料被广泛应用于LED芯片、蓝光LED、绿光LED、紫外LED等电子器件的制备材料，并广泛应用于照明、医疗、显示、植物照明等生产生活的各个领域。

中国专利201510547960.4公开了一种GaN基发光二极管的制作方法，包括：在基板上形成外延叠层；在外延叠层上形成电流阻挡层图案和透明导电层图案；进行干法刻蚀，使得部分N型第一半导体层裸露，形成台面；在台面上形成绝缘保护层，对绝缘保护层进行电极光刻，形成第一电极开孔和第二电极开孔，在电极开孔内形成金属电极，从而形成发光二极管。由上述方法制备的发光二极管的LED芯片包括自下而上依次设置的基板、N型第一半导体层、发光层和P型第二半导体层；在P型第二半导体层上设有电流阻挡层图案和透明导电层图案，N型第一半导体的台面上设有绝缘保护层，绝缘保护层的第一的第一开孔和第二开孔内设置金属电极。但上述LED芯片仍不能完全满足人们的生活需求。

因此，在上述现有技术基础上，仍然有必要寻求一种高亮度LED芯片来解决上述技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高亮度LED芯片，通过在电极下方设置反射层，可以减少电极对光的吸收，提高电极对光的反射效率，进而进一步提升LED芯片的亮度；同时，设置反射层有利于提高电流分布效率，从而提高LED芯片的发光效率和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种高亮度LED芯片，包括：

外延片，包括衬底材料和依次形成在所述衬底材料上的缓冲层、N型半导体层、发光层和P型半导体层，所述外延片为包括上台阶面和下台阶面的台阶结构，所述上台阶面上为P型半导体层，所述下台阶面为N型半导体层，所述上台阶面与所述下台阶面之间连接形成台阶侧面；

电流阻挡层，形成在所述P型半导体层上；

电流扩展层，形成在所述P型半导体层上，且所述电流扩展层围绕所述电流阻挡层，并露出部分所述电流阻挡层的上表面；

反射层，形成在所述电流阻挡层和所述下台阶面上；所述反射层包括多个均匀间隔排列的反射层小分段；

P电极和N电极，所述P电极形成在所述电流阻挡层上的反射层上，所述N电极形成在所述下台阶面上的反射层上；

透明绝缘层，形成在所述外延片、所述电流扩展层、所述P电极和所述N电极上，并露出部分所述P电极和N电极的上表面。

优选的，所述反射层、所述P电极和所述N电极分别在截面上具有第一宽度、第二宽度以及第三宽度，所述反射层的第一宽度大于所述P电极的第二宽度以及所述N电极的第三宽度。

优选的，所述第一宽度比所述第二宽度或所述第三宽度大1～5μm。

优选的，所述反射层为Al-Si合金层或Al-Cu合金层；所述反射层的厚度为50～1500埃，其第一宽度为2～10μm。

优选的，所述反射层小分段的长度为35～80μm，且相邻两所述反射层小分段间距为35～80μm；所述反射层小分段的形貌为长方体、多面体、圆柱体或不规则柱体中的一种或多种。

本发明还提供一种上述高亮度LED芯片的制作方法，所述制作方法至少包括如下步骤：

S1：提供衬底材料，在所述衬底材料上依次生长缓冲层、N型半导体层、发光层和P型半导体层以形成外延片；

S2：在所述外延片上沉积出电流阻挡层，所述电流阻挡层的厚度为500～3500埃，并利用光刻和蚀刻工艺制备出电流阻挡层图案；

S3：在制备好电流阻挡层图案的外延片上沉积出电流扩展层，所述电流扩展层覆盖所述电流阻挡层；通过光刻和蚀刻制备出电流扩展层形貌，且所述电流阻挡层的上表面部分露出；再利用光刻和ICP刻蚀形成所述N型半导体层的台阶，露出所述N型半导体层；

S4：采用金属蒸镀方式在制备好所述电流扩展层的外延片上蒸镀反射层，所述反射层的厚度为50～1500埃；通过光刻和蚀刻制备出反射层形貌，所述反射层包括多个均匀间隔排列的反射层小分段；

S5：在所述反射层上且于电极位置蒸镀一层电极，分别形成P电极和N电极，并对所述P电极和N电极进行合金处理，形成合金电极；

S6：在制备好电极的外延片上且于所述P电极和N电极的上表面以外的区域，采用PECVD设备和黄光光刻工艺制备出透明绝缘层，所述透明绝缘层的厚度为500～2000埃。

优选的，所述步骤S3中，所述ICP刻蚀的上射频为100～330W，下射频为50～220W，真空度为3～7mTorr；ICP刻蚀气体为Cl2和BCl3，且Cl2：BCl3的体积比为3～6：1；ICP刻蚀深度为0.8～1.4μm。

优选的，所述步骤S4中，蒸镀镀锅转速为5～10r/min，镀率为采用BOE溶液作为刻蚀液，蚀刻时间为1～5min。

优选的，所述步骤S5中，所述P电极和N电极的厚度为1.2～2.5μm；合金温度为270℃～350℃。

优选的，所述透明绝缘层为SiO2和/或Si3N4透明绝缘材料。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)、本发明的一种高亮度LED芯片，包括：外延片，包括衬底材料和依次形成在衬底材料上的缓冲层、N型半导体层、发光层和P型半导体层；电流阻挡层，形成在P型半导体层上；电流扩展层，形成在P型半导体层上；反射层，形成在电流阻挡层和下台阶面上，反射层包括多个均匀间隔排列的反射层小分段；P电极和N电极，P电极形成在电流阻挡层上的反射层上，N电极形成在下台阶面上的反射层上；透明绝缘层。反射层分段式设置，使得N电极线能够与N型半导体层接触导电；同样P电极线能够与电流扩展层接触，便于电流扩展。本发明中，通过在电极下方设置反射层，能够进一步减少电极对光的吸收，提高电极对光的反射效率进而提升LED芯片的亮度；同时，设置反射层有利于提高电流分布效率，从而提高LED芯片的发光效率和可靠性。

(2)、本发明的一种高亮度LED芯片，反射层、P电极和N电极分别在截面上具有第一宽度、第二宽度以及第三宽度，反射层的第一宽度大于P电极的第二宽度以及N电极的第三宽度。该结构设置中，反射层起电流阻挡和对光反射的作用，可以减少电极对光的吸收，提高电极对光的反射效率。

(3)、本发明的一种高亮度LED芯片，第一宽度比第二宽度或第三宽度大1～5μm；结构设置合理，制作方便。

(4)、本发明的一种高亮度LED芯片，反射层为Al-Si合金层或Al-Cu合金层；反射层的厚度为50～1500埃，其第一宽度为2～10μm；该结构中，反射层的厚度为50～1500埃范围内更有利于反射，其宽度为2～10μm，该第一宽度大于电极的宽度是起电流阻挡的作用。

(5)、本发明的一种高亮度LED芯片，反射层小分段的长度为35～80μm，且相邻两反射层小分段间距为35～80μm；该结构设置合理，使得反射层在起到电流阻挡作用的同时又便于电流通过，有效提供LED的亮度。

(6)、本发明的一种高亮度LED芯片的制作方法，该方法制备工艺路线简单，有利于产业化。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发发明一种高亮度LED芯片的截面结构示意图；

图2是本发明的一种高亮度LED芯片结构示意图；

图3是图2中LED芯片的反射层的俯视结构示意图；

其中，1、衬底材料，2、缓冲层，3、N型半导体层，4、发光层，5、P型半导体层，6、电流阻挡层，7、电流扩展层，8、反射层，8.1、反射层小分段，9、P电极，10、N电极，11、透明绝缘层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1至图3，本发明的一种高亮度LED芯片，包括：

外延片，包括衬底材料1和依次形成在衬底材料1上的缓冲层2、N型半导体层3、发光层4和P型半导体层5。其中，衬底材料1可以为Si衬底材料、蓝宝石衬底材料、SiC衬底材料等材料中的一种。外延片为包括上台阶面和下台阶面的台阶结构，上台阶面上为P型半导体层5，下台阶面为N型半导体层3，上台阶面与下台阶面之间连接形成台阶侧面。优选的，N型半导体层为N-GaN层，发光层4为多量子阱层(MQW)，P型半导体层为P-GaN层。

电流阻挡层6，形成在P型半导体层5上。

电流扩展层7，形成在P型半导体层5上，电流扩展层7围绕电流阻挡层6，并露出部分电流阻挡层6的上表面。

反射层8，形成在电流阻挡层6和下台阶面上；反射层8包括多个均匀间隔排列的反射层小分段8.1；该结构中，反射层分段式设置是因为N电极线和P电极线需分别与N型半导体层和电流扩展层接触，否则不能导电，电流扩展不好。进一步的，设置反射层提高对光的反射以及有利于电流扩展。

P电极9和N电极10，P电极9形成在电流阻挡层6上方的反射层8上，N电极10形成在下台阶面上方的反射层8上；该结构中，P电极和N电极均为反射电极，其结构依次包括Cr-Al-Cr-Pt-Au层，电极与反射层形成双层反射，可有效提高LED芯片的亮度。

透明绝缘层11，形成在外延层、电流扩展层7、P电极9和N电极10上，并露出部分P电极9和N电极10的上表面(露出焊盘部分即可，其余部分由透明绝缘层覆盖)。

在本实施例中，反射层8、P电极9和N电极10分别在截面上具有第一宽度W1、第二宽度W2以及第三宽度W3，且反射层8的第一宽度大于P电极9的第二宽度以及N电极10的第三宽度。具体地，第一宽度比第二宽度或第三宽度大1～5μm。该结构中，设置反射层的第一宽度大于电极的宽度，反射层起电流阻挡的作用，整体结构设置合理。

在本实施例中，反射层8为Al-Si合金层或Al-Cu合金层；反射层8的厚度为50～1500埃，其第一宽度为2～10μm。该结构中，反射层的厚度为50～1500埃更有利于反射。

在本实施例中，反射层小分段的长度为35～80μm，且相邻两反射层小分段间距为35～80μm；该结构设置合理，使得反射层在起到电流阻挡作用的同时又便于电流通过，有效提供LED的亮度。具体地，反射层小分段8.1的形貌为长方体、多面体、圆柱体或不规则柱体中的一种或多种。

本发明的一种高亮度LED芯片的制作方法，其包括如下步骤：

步骤1：提供衬底材料1，在衬底材料1上依次生长缓冲层2、N型半导体层3、发光层4和P型半导体层5；其中，缓冲层2、N型半导体层3、发光层4和P型半导体层5外延层的总厚度为5～8μm。

步骤2：利用等离子体增强化学气相沉积法在外延片的P型半导体层5上沉积一层二氧化硅薄膜作为电流阻挡层6，该电流阻挡层(CB层)的厚度为2250埃，并利用黄光光刻工艺和蚀刻工艺制备出电流阻挡层图案(CB图形)。

步骤3：在制备好CB图形的外延片上蒸镀氧化铟锡(ITO)作为电流扩展层7，该电流扩展层的厚度为1100埃，且电流扩展层覆盖电流阻挡层6；再通过黄光光刻工艺和蚀刻工艺出电流扩展层形貌(ITO层)，使得电流阻挡层6的上表面部分露出；而后通过RTA设备退火工艺对电流扩展层进行退火处理，退火温度控制在500℃～600℃之间，时间为4min。

接下来，利用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)设备以及黄光光刻工艺，刻蚀出芯片形貌、N-GaN层、切割道等，其中ICP刻蚀的上射频为285W，下射频为94W，真空度为4.8mTorr；刻蚀气体为Cl2和BCl3且Cl2：BCl3的体积比为5：1；ICP刻蚀深度为1.25μm。

步骤4：利用金属蒸镀方式在制备好电流扩展层7的外延片上蒸镀反射层8，该反射层的厚度为50～1500埃；再通过黄光光刻工艺和蚀刻工艺，制备出反射层形貌，反射层包括多个均匀间隔排列的反射层小分段8.1。其中，蒸镀镀锅转速为5～10r/min，镀率为并采用BOE溶液作为刻蚀液，蚀刻时间为1～5min。反射层小分段8.1的形貌为长方体、多面体、圆柱体或不规则柱体中的一种或多种。

步骤5：在反射层8上且于电极位置蒸镀一层电极，分别形成P电极9(在电流阻挡层上的反射层上)和N电极10(在下台阶面上的反射层上)，P电极9和N电极10的厚度为1.8μm；并对P电极9和N电极10进行合金处理，合金温度为320℃，形成合金电极；

步骤6：在制备好电极的LED芯片的上表面且于P电极9和N电极10的上表面以外的区域，采用PECVD设备和黄光光刻工艺制备出透明绝缘层11，透明绝缘层11为SiO2和/或Si3N4透明绝缘材料，透明绝缘层的厚度为1000埃。

步骤7：通过研磨、精抛、背镀、切割、裂片、点测、分选等工艺制备出本发明的高亮度LED芯片。

在本发明中，选取3个炉次，同炉同圈外延片(外延片同炉同圈是为了确保外延片光电参数的一致性，保证本实验结论的准确性。)对比，采用本发明的LED芯片与对比组对比，点测结果如表1：

表1

由上述表1中的参数可知：本发明的高亮度LED芯片，由于在电极下方设置反射层，可以减少电极对光的吸收，提高电极对光的反射效率，进而提升LED芯片的亮度；同时，设置反射层有利于提高电流分布效率，从而提高LED芯片的发光效率和可靠性。本发明的芯片与现有技术的芯片相比电压VF1降低了0.02V，亮度LOP1提高了1.37mw，亮度提高比例为0.99％，提升LED芯片亮度的同时且降低了电压。

本发明的LED芯片和与现有技术的芯片进行封装，封装对比数据如表2：

表2

由上述表2中的参数可知：本发明的芯片与现有技术的芯片相比，在中间阶段、出货阶段、蓝光封装阶段以及应用阶段中，提升LED芯片亮度的亮度均有提升。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。