GaN基LED垂直结构芯片及其制备方法与流程

本发明涉及led芯片制造领域，特别涉及一种gan基led垂直结构芯片及其制备方法。

背景技术：

当前的gan基led的结构划分为正装结构、倒装结构和垂直结构。正装结构led有两个明显的缺点，首先正装结构的led的p、n电极在led的同一侧，电流须横向流过n-gan层，导致电流拥挤，局部发热量高，限制了驱动电流；其次，由于蓝宝石衬底(生长衬底)的导热性差，严重的阻碍了热量的散失。为了解决散热问题，美国lumiledslighting公司发明了倒装芯片(flipchip)技术，其散热效果有很大的改善，但是通常的gan基倒装结构led仍然是横向结构，电流拥挤的现象还是存在，仍然限制了驱动电流的进一步提升。

相比于传统的gan基led正装和倒装结构，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。

现有大部分gan基led垂直结构芯片的p-gan层表面是依次由p-gan层和ag层组成的叠层结构，ag层同时作为欧姆接触和反射镜的作用。但上述结构或出现p-gan层与ag层之间粘附性异常的问题，因此进一步提出了分别在所述p-gan层表面上分别形成起到欧姆接触作用的透明导电层(透明导电层)和起到反射镜作用的反射层；此种结构可以避免p-gan层与ag层之间粘附性异常的问题，同时也能起到较强的反射作用，更具有将透明导电层与反射层从设计上做分离，灵活性更强的优势。

研究发现，透明导电层的所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘到所述凹槽的侧壁的距离的大小会影响所述gan基led垂直结构芯片的出光率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种gan基led垂直结构芯片及其制备方法，通过改变透明导电层的尺寸，使得透明导电层暴露出n-gan层和靠近凹槽的侧壁顶部的部分p-gan层，使得所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘到所述凹槽的侧壁的距离处于预设范围内，实现提高gan基led垂直结构芯片的出光率的目的。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种gan基led垂直结构芯片，包括：依次堆叠的未掺杂层、n-gan层、量子阱层和p-gan层；凹槽，所述凹槽贯穿所述p-gan层和量子阱层且暴露所述n-gan层；透明导电层，其形成于所述p-gan层上，所述透明导电层暴露所述n-gan层和靠近所述凹槽的侧壁顶部的部分p-gan层，所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘和所述凹槽的侧壁之间的间距处于预设范围内；反射层，形成于所述透明导电层上；第一绝缘层，所述第一绝缘层形成于所述反射层上且覆盖所述凹槽的侧壁和暴露的所述部分p-gan层；阻挡层，形成于所述反射层上。第二绝缘层，形成于所述阻挡层和第一绝缘层上；键合衬底以及位于所述键合衬底上的键合层，所述键合层面向所述第二绝缘层，且填充所述凹槽以与所述n-gan层电性连接；钝化层，覆盖所述p-gan层、量子阱层、n-gan层和未掺杂层的侧壁以及所述第一绝缘层上；以及p电极，形成于所述p-gan层、量子阱层、n-gan层和未掺杂层的一侧，并通过所述阻挡层与所述p-gan层电性连接。

进一步的，还包括：粗糙面，其形成于所述未掺杂层背离所述n-gan层的表面。

进一步的，所述预设范围为2μm～50μm。

进一步的，所述反射层的顶表面与所述第一绝缘层顶表面位于同一水平面上。

进一步的，所述钝化层的材质为sio2；所述透明导电层的材质为ito、zno或azo；所述第一绝缘层为sio2、sin、sion、al2o3、tio2中的一种所形成的单层结构，或者，为sio2、sin、sion、al2o3、tio2中的任意组合所形成的叠层结构；所述反射层的材质为ag、al或rh；所述阻挡层的材质为ti、tiw、pt、ni、au、cr中的一种或多种；所述第二绝缘层为sio2、sin、sion、al2o3、tio2中的一种所形成的单层结构，或者，为sio2、sin、sion、al2o3、tio2中的任意组合所形成的叠层结构。

另一方面，一种gan基led垂直结构芯片的制备方法，包括：提供一生长衬底，在所述生长衬底上依次形成有未掺杂层、n-gan层、量子阱层和p-gan层；对所述p-gan层和量子阱层进行刻蚀以得到凹槽，所述凹槽暴露出所述n-gan层；在所述p-gan层上形成透明导电层，所述透明导电层暴露所述n-gan层和靠近所述凹槽的侧壁顶部的部分p-gan层，使得所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘和所述凹槽的侧壁之间的间距处于预设范围内；在所述透明导电层上形成反射层，在所述反射层上形成第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖所述凹槽的侧壁；在所述反射层上形成阻挡层；在所述阻挡层和第一绝缘层的表面上形成第二绝缘层，对所述凹槽底部的所述第一绝缘层和第二绝缘层进行刻蚀，暴露出所述n-gan层；在所述第二绝缘层上形成键合层，所述键合层填充所述凹槽，并与暴露的n-gan层电连接；在所述键合层上键合一键合衬底；去除所述生长衬底；对所述未掺杂层、n-gan层、量子阱层和p-gan层进行刻蚀，以得到暴露出所述第一绝缘层的n-mesa台面；在所述键合衬底的全局表面上形成钝化层，所述钝化层覆盖所述第一绝缘层、未掺杂层、n-gan层、量子阱层和p-gan层；定义p电极形成区，所述p电极形成区位于所述p-gan层、量子阱层、n-gan层和未掺杂层的一侧，对所述p电极形成区的钝化层和第一绝缘层进行刻蚀，暴露出所述阻挡层，在所述阻挡层上形成p电极；以及对所述未掺杂层表面的所述钝化层进行刻蚀，暴露出所述未掺杂层。

进一步的，还包括以下过程：对所述发光区表面的所述钝化层进行刻蚀，暴露出所述未掺杂层。

进一步的，还包括以下过程：对所述未掺杂层进行粗化处理形成粗糙面。

进一步的，所述透明导电层的平行于所述生长衬底表面的截面面积小于所述p-gan层的平行于所述生长衬底表面的截面面积；所述反射层的平行于所述生长衬底表面的截面面积与所述透明导电层的平行于所述生长衬底表面的截面面积相同。

进一步的，所述预设范围为：2μm～50μm。

本发明具有以下技术效果：

本发明通过使得透明导电层暴露出n-gan层和靠近凹槽的侧壁顶部的部分p-gan层，使得所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘到所述凹槽的侧壁的距离处于预设范围内，实现提高gan基led垂直结构芯片的出光率，提高芯片的亮度。进一步地，对所述未掺杂层进行粗化处理形成粗糙面能够提高出光率。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的gan基led垂直结构芯片制备方法的流程示意图；

图2a～图12a为本发明实施例提供的gan基led垂直结构芯片的制造过程中的gan基led垂直结构芯片剖面结构示意图；

图2b～图12b分别对应为图2a～图12a所示的gan基led垂直结构芯片的俯视示意图。

具体实施方式

下面将结合流程图和示意图对本发明的一种gan基led垂直结构芯片制备方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选一实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际一实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际一实施例的开发中，必须作出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个一实施例改变为另一个一实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

研究发现，gan基led垂直结构芯片中的p-gan层表面覆盖有的透明导电层的会影响所述gan基led垂直结构芯片的出光率。具体的，上述所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘到所述凹槽的侧壁的距离若是过小会导致芯片电压升高，所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘到所述凹槽的侧壁的距离若是过大会导致芯片亮度降低，即导致芯片出光率降低。

基于上述发现，本发明通过在p-gan层表面形成具有设定尺寸的透明导电层以解决上述问题。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明一实施例的目的。

如图1所示，本实施例提供一种gan基led白光垂直结构芯片的制备方法，包括如下过程：

步骤s1、提供一生长衬底，在所述生长衬底上依次形成有未掺杂层、n-gan层、量子阱层和p-gan层。

步骤s2、对所述p-gan层和量子阱层进行刻蚀以得到凹槽，所述凹槽暴露出所述n-gan层。

步骤s3、在所述p-gan层上形成透明导电层，所述透明导电层暴露所述n-gan层和靠近所述凹槽的侧壁顶部的部分p-gan层，所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘和所述凹槽的侧壁之间的间距处于预设范围内。

步骤s4、在所述透明导电层上形成所述反射层，在所述反射层上形成第一绝缘层，所述第一绝缘层覆盖所述凹槽的侧壁。

步骤s5、在所述反射层上形成阻挡层；

步骤s6、在所述阻挡层和第一绝缘层的表面上形成第二绝缘层，对所述凹槽底部的所述第一绝缘层和第二绝缘层进行刻蚀，暴露出所述n-gan层。

步骤s7、在所述第二绝缘层上形成键合层，所述键合层填充所述凹槽，并与暴露的n-gan层电连接；在所述键合层上键合一键合衬底。

步骤s8、去除所述生长衬底。

步骤s9、对所述未掺杂层、n-gan层、量子阱层和p-gan层进行刻蚀，以得到暴露出所述第一绝缘层的n-mesa台面。

步骤s10、在所述键合衬底的全局表面上形成钝化层，所述钝化层覆盖所述第一绝缘层、未掺杂层、n-gan层、量子阱层和p-gan层；定义p电极形成区，所述p电极形成区位于所述p-gan层、量子阱层、n-gan层和未掺杂层的一侧，对所述p电极形成区的钝化层和第一绝缘层进行刻蚀，暴露出所述阻挡层，在所述阻挡层上形成p电极。

步骤s11、对所述未掺杂层表面的所述钝化层进行刻蚀，暴露出所述未掺杂层。

本实施例中，在p-gan层表面形成的透明导电层，使得所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘和所述凹槽的侧壁之间的间距处于预设范围内，实现提高芯片出光率的目的。

所述预设范围为2μm～50μm。在本实施例中，所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘和所述凹槽的侧壁之间的间距可以根据实际芯片上的凹槽设计要求，根据芯片上的相邻的两个凹槽的中轴线的之间的间距的一半来确定。

具体请参阅图2a～图12a以及对应参阅图2b～图12b，其中图2a～图12a示出了本发明实施例中gan基led白光垂直结构芯片的制备方法各步骤对应的器件剖面结构示意图；图2b～图12b示出了本发明实施例中gan基led白光垂直结构芯片的制备方法各步骤对应的器件俯视示意图。

结合图2a和图2b所示，提供一生长衬底100，在所述生长衬底100上由下至上依次形成有未掺杂层200、n-gan层201、量子阱层(mqws)202和p-gan层203。生长衬底100可以为蓝宝石衬底、硅衬底、sic衬底及图形化衬底等等。所述生长衬底100为蓝宝石衬底。

所述未掺杂层200、n-gan层201、量子阱层202和p-gan层203均可以采用外延层可以采用mocvd(金属有机气相沉积，metalorganicchemicalvapordeposition)和/或mbe(分子束外延，molecularbeamepitaxy)等生长方法形成。所述未掺杂层200材料为未掺杂gan材料。

如图2b所示，所述未掺杂层200、n-gan层201、量子阱层(mqws)202和p-gan层203均与生长衬底100对齐，在本实施例中，其俯视图呈对称的正方形。

结合图3a和图3b所示，对所述p-gan层203和量子阱层202进行光刻，刻蚀出凹槽300，所述凹槽300暴露出所述n-gan层201。所述凹槽300可以为多种性质，例如圆形或方形等规则图形，并均匀分布，以保证最终gan基led白光垂直结构芯片的电流分布能够均匀。在本实施例中，所述凹槽300为单个圆形通孔，且该单个圆形通孔中心分布，即位于所述未掺杂层200、n-gan层201、量子阱层202和p-gan层203和生长衬底100的中心位置上。具体地，如图3b所示，在本实施例中，所述圆形通孔中心与所述未掺杂层200、n-gan层201、量子阱层202和p-gan层203和生长衬底100共用一个中心。

结合图4a和图4b所示，在所述p-gan层203上形成透明导电层400，所述透明导电层400的平行于所述生长衬底表面的截面面积小于所述p-gan层203的平行于所述生长衬底表面的截面面积。所述透明导电层400为欧姆接触层，其材质为ito、zno或azo等低阻高透光率薄膜。

如图4b所示，所述透明导电层400的的平行于所述生长衬底表面的截面面积小于所述gan基led白光垂直结构芯片的的平行于所述生长衬底表面的截面面积，即，使所述透明导电层400暴露出所述gan基led白光垂直结构芯片的边缘，便于后续形成阻挡层全面对形成于所述透明导电层400上的所述反射层501进行保护。

具体的，对所述透明导电层400进行回刻，将靠近所述凹槽300的侧壁顶部的以及靠近所述透明导电层400的边缘区域的所述p-gan层203暴露出来，使得所述透明导电层400靠近所述凹槽300的侧壁的边缘和所述凹槽300的侧壁之间的间距处于预设范围内，所述预设范围为2μm～50μm。

所述透明导电层400设有p电极形成区402，所述p电极形成区402位于透明导电层400的右下角处(以图4b为基准)，且暴露出所述p-gan层203。

所述透明导电层400使得后续形成的所述反射层501与所述p-gan层203具有良好的电连接。

结合图5a和图5b所示，在所述透明导电层400上形成反射层501，且在所述凹槽300、p-gan层203和n-gan层201的表面上形成第一绝缘层500。

具体地，可以通过在所述生长衬底100全局表面形成第一绝缘薄膜，即所述第一绝缘薄膜覆盖所述透明导电层400，所述p-gan层203的表面以及所述凹槽300。利用光刻工艺定义出形成所述反射层501的区域，再利用干法刻蚀或者湿法腐蚀将需要形成反射层501的区域的第一绝缘薄膜去除，具体的，在本实施例中，形成所述反射层501的区域为所述透明导电层400表面，利用干法刻蚀或者湿法腐蚀将所述透明导电层400上的所述第一绝缘薄膜去除，形成所述第一绝缘层500。所述第一绝缘层500例如为sio2、sin、sion、al2o3、tio2中的一种所形成的单层结构，或者，所述第一绝缘层500例如为sio2、sin、sion、al2o3、tio2中的任意组合所形成的叠层结构。

之后，采用负胶剥离(lift-off)技术在所述透明导电层400表面上蒸镀形成反射层501，所述反射层501的材质为ag、al或rh。

结合图6a和图6b所示，在所述反射层501上形成阻挡层600。所述阻挡层600还覆盖了第一绝缘层的部分表面，使得所述阻挡层600包覆所述反射层501。即所述阻挡层600的平行于所述生长衬底表面的截面面积大于所述反射层501的的平行于所述生长衬底表面的截面面积，但小于所述gan基led白光垂直结构芯片的的平行于所述生长衬底表面的截面面积。所述阻挡层600的材质为ti、tiw、pt、ni、au、cr中的一种或多种。所述阻挡层600一方面通过包覆所述反射层501，用以保护所述反射层501防止被氧化，同时阻挡反射层501中的金属扩散，另一方面，所述阻挡层600可以缓解gan基led白光垂直结构芯片各膜层之间的应力，增强gan基led白光垂直结构芯片可靠性。

结合图7a和图7b所示，在所述阻挡层600和第一绝缘层500的表面上形成第二绝缘层502，刻蚀去除所述凹槽300底部的所述第一绝缘层500和第二绝缘层502，以暴露出所述n-gan层201。暴露的所述n-gan层201用于与后续键合层形成欧姆接触面。所述第二绝缘层502可以利用pecvd方法沉积或电子束蒸镀形成。所述第二绝缘层502例如为sio2、sin、sion、al2o3、tio2中的一种所形成的单层结构，或者，所述第二绝缘层502例如为sio2、sin、sion、al2o3、tio2中的任意组合所形成的叠层结构。

具体的，在所述gan基led白光垂直结构芯片全局表面上形成第二绝缘薄膜(图7a和图7b中未示出)，即所述第二绝缘薄膜覆盖所述第一绝缘层500表面和所述阻挡层600，刻蚀去除所述凹槽300底部的所述n-gan层201上的第一绝缘层500和第二绝缘薄膜，所述刻蚀后的第二绝缘薄膜即为所述第二绝缘层502。

结合图8a和图8b所示，在所述第二绝缘层502上形成键合层701，所述键合层701将所述凹槽300完全填充，即将圆形通孔内部完全填充，并与所述暴露的n-gan层的表面形成欧姆接触；在所述键合层701上键合键合衬底702。

具体的，所述键合层701依次包括能够与所述暴露的n-gan层201表面形成欧姆接触的首层键合层(图8a和图8b中未示出)、阻挡金属层(图8a和图8b中未示出)和用于与后续形成的键合衬底702进行键合的键合层(图8a和图8b中未示出)，其中所述首层键合层的材质为cr或al等；所述阻挡金属层的材质为ti、pt和tiw中的一种或多种；所述键合层材质例如为au、sn、ausn合金或nisn合金等。

在所述键合层701上键合键合衬底702；其中，所述键合衬底702包括与所述键合层相接触的第一键合衬底层(图8a和图8b中未示出)和位于所述第一键合衬底层上的第二键合衬底层(图8a和图8b中未示出)。所述第一键合衬底层与所述键合层具有良好的粘附性，使得两者键合为一体。所述第一键合衬底层材质例如为cr或ti等。所述第二键合衬底层的材质为si、cu、wcu、或mocu等导热且导电性能良好的衬底。

结合图9a和9b所示，去除所述生长衬底100。通常可以采用激光剥离或化学剥离去除所述生长衬底100。通常，采用激光剥离会使未掺杂层200在表面形成一层金属ga，因此，需要采用酸或者碱等去除金属ga，采用的溶液可以为hcl或koh。

结合图10a和10b所示，对所述未掺杂层200、n-gan层201、量子阱层202和p-gan层203进行刻蚀，以得到暴露出所述第一绝缘层500的mesa台面；具体的，可以采用光刻工艺定义形成发光区的区域，采用台面刻蚀去除位于除了所述发光区的其余区域处的所述未掺杂层200、n-gan层201、量子阱层202和p-gan层201直至暴露出所述第一绝缘层500，其刻蚀工艺可以为采用湿法或者干法(icp)刻蚀。所述发光区的区域的的平行于所述生长衬底表面的截面面积小于所述所述gan基led白光垂直结构芯片的的平行于所述生长衬底表面的截面面积，即，使所述发光区暴露出所述gan基led白光垂直结构芯片的边缘，便于后续形成钝化层以保护整个gan基led白光垂直结构芯片，具体地，主要保护gan侧壁量子阱，以提高gan基led白光垂直结构芯片可靠性。

结合图11a和11b所示，在所述键合衬底702的全局表面上形成钝化层800，所述钝化层800覆盖所述第一绝缘层500以及所述未掺杂层200、n-gan层201、量子阱层202和p-gan层203；所述钝化层800的材质为二氧化硅用于保护整个芯片。采用光刻工艺，定义出所述p电极形成区，所述p电极形成区位于所述p-gan层203、量子阱层202、n-gan层201和未掺杂层200的一侧，具体的，在所述mesa台面上的钝化层500上光刻形成p电极的区域，在本实施例中，该形成p电极的区域的位置与形成于所述透明导电层400上的p电极形成区402的位置重合。

去除所述形成p电极的区域处的所述钝化层800和第一绝缘层500露出所述阻挡层600，在本实施例中，可以采用干法刻蚀或湿法腐蚀的工艺去除所述钝化层800和第一绝缘层500。在所述阻挡层600上形成p电极的区域处形成p电极900。

结合图11a和11b所示，去除所述发光区表面的钝化层800露出所述未掺杂层200，并对所述未掺杂层200进行粗化处理形成粗糙面。

表面粗化处理例如为采用氢氧化钾(koh)溶液、硫酸(h2so4)溶液等进行湿法刻蚀，获得粗糙表面以提高出光率。

请继续参考图12a，在本发明的另一面，还提出了一种gan基led白光垂直结构芯片，采用如上文所述的gan基led白光垂直结构芯片的制备方法形成，所述芯片包括：依次堆叠的未掺杂层200、n-gan层201、量子阱层202和p-gan层203；凹槽300，所述凹槽300贯穿所述p-gan层203和量子阱层202且暴露所述n-gan层201；透明导电层400，其形成于所述p-gan层203上，所述透明导电层400暴露所述n-gan层201和靠近所述凹槽300的侧壁顶部的部分p-gan层203，所述透明导电层400靠近所述凹槽300的侧壁的边缘和所述凹槽300的侧壁之间的间距处于预设范围内。

所述预设范围为2μm～50μm。在本实施例中，所述透明导电层靠近所述凹槽的侧壁的边缘和所述凹槽的侧壁之间的间距可以根据实际芯片上的凹槽设计要求，根据芯片上的相邻的两个凹槽的中轴线的之间的间距的一半来确定。

继续参考图12a，所述gan基led白光垂直结构芯片还包括：反射层501，形成于所述透明导电层400上；第一绝缘层200，所述第一绝缘层500形成于所述反射层501上且覆盖所述凹槽300的侧壁；阻挡层600，形成于所述反射层501上；第二绝缘层502，形成于所述阻挡层600和第一绝缘层500上；键合衬底702以及位于所述键合衬底702上的键合层701，所述键合层701面向所述第二绝缘层502，且填充所述凹槽300以与所述n-gan层201电性连接；钝化层800，覆盖所述p-gan层203、量子阱层202、n-gan层201和未掺杂层200的侧壁以及所述第一绝缘层500上；以及p电极900，形成于所述p-gan层203、量子阱层202、n-gan层201和未掺杂层200的一侧，并通过所述阻挡层600与所述p-gan层203电性连接。所述第一绝缘层500的顶表面与所述透明导电层400顶表面位于同一水平面上。粗糙面，其形成于所述未掺杂层200表面上。

综上所述，通过在p-gan层表面上形成透明导电层，使得所述透明导电层的靠近所述凹槽的侧壁的边缘到所述凹槽的侧壁的距离处于预设范围内，以解决由于透明导电层的第二分布图形到所述第一分布图形的间距过大导致芯片电压升高，若是间距过小导致芯片亮度降低，以及透明导电层的边缘大于发光区的边缘降低芯片可靠性，但透明导电层的表面积若很小则会导致芯片电压升高的问题。进一步地，对所述未掺杂层进行粗化处理形成粗糙面能够提高出光率，提高芯片的亮度。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。