一种反极性AlGaInP红光LED管芯结构及其制作方法与流程

文档序号：21713154发布日期：2020-08-05 00:59阅读：393来源：国知局

本发明涉及一种反极性algainp红光led管芯结构及其制作方法，属于半导体加工技术领域。

背景技术：

发光二极管简称为led(lightemittingdiode)，是一种将电能转换为光能的固体电致发光(el)半导体器件。高亮度大功率型algainp红光led是近年来广泛发展的一种常见可见光led,algainp四元红光led具有电流承受能力强、发光效率高以及耐高温等诸多优点，在照明、显示、指示灯中的应用具有不可替代的地位，广泛应用于照明的各个领域。

目前，大功率algainp反极性红光led在大规模的生产中仍然存在两个较大的问题，一是发光亮度，二是焊线问题。提高发光二极管亮度的方法一般是从半导体材料和结构设计，其次是改进半导体器件的封装工艺。发光二极管的结构设计主要集中在两个方面：一个是获得比较好的质量的晶体，减少注入载流子而产生非辐射复合；其二是减少已经产生辐射的光子的二次吸收损耗。

传统方法中，提高发光亮度其中途径之一是加大对光提取效率的方式来实现，一般通过如下方法。一种方法是，将芯片切割成截角倒金字塔形，从而改变射向侧壁的光线与侧壁法相之间的夹角，减少界面全反射，来提高出光效率，该方法需要专门的切割机台来实现且成本较高。一种方法是，采用光刻制备掩膜图形，再采用icp干法刻蚀在led侧壁形成半圆形的周期性图案，提高出光效率，该方法制程较为繁琐，使用的刻蚀设备成本较高，增加一次光刻制程。对于焊线问题，在反极性红光led中通常采用表面粗化或者选择合适金属进行合金的手段来保证焊线的顺利进行，但是现有技术中的粗化全部使用粗化液进行腐蚀，腐蚀程度的控制上较为困难，存在一定过腐蚀和欠腐蚀比率；金属合金较为常用，但是需要在表面使用稳定性较好能够耐高温金属进行制作，这样会使成本较高。

中国专利文献cn104916752a(201410102782.x)提出了一种窗口层覆盖有氧化铟锡的反极性algainp发光二极管结构，其结构由底部至顶部的结构依次为p电极、衬底、键合层、反射镜层、绝缘层、电流扩展层、p型半导体层、有源区、n型半导体层、n型半导体接触层、窗口层、氧化铟锡层、n电极，其氧化铟锡层覆盖于窗口层之上并以圆柱体的形式贯穿开孔的窗口层与n型半导体接触层直接接触。该种结构设计对于提升led芯片的光提取效率与电流扩展效率均有帮助，但是，本发明中要求氧化铟锡以圆柱体形式贯穿开孔的窗口层与n型半导体接触层直接接触，要求窗口层的开孔深度等于窗口层的厚度，这种精度的作业在规模化制作中很难实现，如果孔径太深，外延层中的量子阱有源区会造成较大的损伤，降低其发光效率和容易漏电，如果孔径太浅，窗口层会对氧化铟锡与n型半导体层之间的接触造成较大影响。

中国专利文献cn105702820a(201610216232.x)提出了一种表面覆盖ito的反极性algainp基led及其制造方法，采用ito扩展电流扩展层代替n型algainp电流扩展层，既可改善led芯片的电流扩展均匀性，又消除了n型algainp电流扩展吸光的问题，提高出光效率。但是，本发明中使用ito取代n型algainp作为电流扩展层，ito直接与n型algainp限制层接触，且ito一般通过蒸镀或者溅射方式进行沉积，而实际制作中温度通常不会超过350℃，这样ito层与n型algainp限制层的接触强度必然小于n型algainp与其限制层的接触，且n型algainp需要进行粗化，表面极度不平整，在两者的接触面的电流传导会产生区域性阻滞，会集聚大量热难散发，出现烧坏管芯的情况，而且表面粗化通常是通过腐蚀液进行腐蚀出来，通过ito会比较容易产生钻蚀现象。

中国专利文献cn104882523a(201410079733.9)提出了一种钝化层折射率渐变的gan基发光二极管芯片及其制作方法，包括由下而上设置的n型gan层、量子阱层、p型gan层和透明导电层；在所述透明导电层和n型gan层上分别设置有金属电极；在所述透明导电层裸露的上表面和n型gan层裸露的上表面及金属电极边缘区域均设置有折射率渐变的钝化层，所述的钝化层为氮化硅/氮氧化硅/氧化硅薄膜。通过采取折射率渐变的钝化层结构，使ganled芯片有源区产生的光能够更多的被提取出来，提高了ganled芯片的外量子效率，也就提高了ganled芯片的亮度。但是，氮化硅和氮氧化硅的膜层的生长在实际制作中会大大增加生产成本，且生长工艺相比较氧化硅而言太过复杂，且难以控制，界面膜层均匀性较差。

中国专利文献cn106129205b(201610709368.4)提出了一种具有ito薄膜结构的led芯片及其制备方法，ito薄膜接触层为图案化的ito薄膜接触层，在图案化的ito薄膜接触层上设有金属电极层，主要特征为主电极连接在图案化的algainp粗化层上，扩展电极连接在ito薄膜接触层上；其发明提高了整个金属电极层的附着性和完整性，确保了发光二极管的工作电压的稳定，提高了产品的焊线可靠性和发光效率，极大地提升了产品质量和良率。根据传统封装工艺，是在主电极上进行的焊线，从本发明的设计方法上，很难在主电极上实现ito的制作，而仅仅在扩展电极上制作ito薄膜，对于焊线良率的提升较为有限。

综上所述，需要研究一种既能够增加反极性红光发光二极管的发光亮度，又能够实现主电极上焊线可靠性明显提升，又不会对其制作工艺产生较大影响的管芯制作方法。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种反极性algainp红光led管芯结构及其制作方法；

本发明的技术方案如下：

一种反极性algainp红光led管芯结构，由下自上依次包括n面电极、永久性硅衬底、第二反射镜层、金属粘附层、第一反射镜层、sio2阻挡层和欧姆接触层、p-gaas层、p-algainp层、mqw量子阱层、n-algainp层、n-gaas层和ito膜层和sio2保护层、扩展电极、主电极；

所述p-algainp层表面进行了粗化处理；

所述主电极设置在部分所述ito膜层上；

所述sio2保护层填充部分所述ito膜层与剩余部分所述ito膜层之间的间隙，并覆盖剩余部分所述ito膜层；

所述扩展电极设置在所述n-gaas层上。

使用ito膜层取代algainp层直接与主电极进行接触，利用金属电极与ito直接的接触粘附性远远大于与金属与algainp层直接接触粘附性的特点，使主电极的粘附性能增强，大幅度提升主电极焊线良率，且将主电极覆盖下的部分ito膜层与剩余部分ito膜层隔断开来，这样主电极覆盖下的部分ito膜层与剩余部分ito膜层中间存在间隙，不能形成有效的电流扩展，仍然使用原有的algainp层进行电流传导，从而避免了直接使用ito膜层作为电流传导层产生的区域型阻滞问题，而且实现了ito膜层在主电极下方作为更好的粘附层材料，这样虽然使用了ito膜层，但对整个电极结构的性能不产生影响，而且大大提高整体产品焊线良率。

根据本发明优选的，所述ito膜层的厚度为20-50埃；

进一步优选的，所述ito膜层的厚度为30埃。

该厚度的ito膜层已经能够初步形成完整的膜层，且对于红光透过率能够稳定在90％以上，能够最大限度的提高发光效率。

根据本发明优选的，所述sio2阻挡层和所述欧姆接触层间隔分布在所述第一反射镜层上，所述欧姆接触层的材质为aube，所述第一反射镜层的材质为cr、ti、pt、au、ag、ni、al金属中的一种或几种。

根据本发明优选的，所述永久性硅衬底由下自上依次包括硅衬底、第二反射镜层、金属粘附层；

所述第二反射镜为cr、ti、pt、au、ag、ni、al金属中的一种或几种；所述金属粘附层的材质为in、sn、ag金属中的一种或几种。

根据本发明优选的，部分所述ito膜层与剩余部分所述ito膜层之间的间隙的宽度在2-4μm。该尺寸已经能够完全隔断主电极区域的ito膜层(部分所述ito膜层)与粗化区域的ito膜层(剩余部分所述ito膜层)之间的电流传导，且该尺寸大小合适不会对光的出射造成较大的影响。

根据本发明优选的，扩展电极为cr/au电极。

上述反极性algainp红光led管芯结构的制作方法，包括以下步骤：

(1)晶片键合：将生长有外延层的gaas基晶片作为临时衬底，临时衬底倒置后与永久性硅衬底通过高温键合在一起；进行衬底置换，硅片作为永久衬底；

所述临时衬底由下自上依次包括gaas层、缓冲层、n-gaas层、n-algainp层、mqw量子阱层、p-algainp层、p-gaas层、sio2阻挡层和欧姆接触层、第一反射镜层；

所述永久性硅衬底由下自上依次包括硅衬底、第二反射镜层、金属粘附层；

(2)衬底去除：使用腐蚀液依次去除临时衬底的gaas层、缓冲层；

(3)扩展电极制作：在步骤(2)完成的晶片表面制作扩展电极；

(4)粗化层制作：将扩展电极作为保护区域，将非保护区域的n-gaas层腐蚀掉，对n-algainp层进行粗化；

(5)ito粘附层制作：在步骤(4)完成的晶片表面制作一层ito膜层，将扩展电极和主电极外周一圈区域的ito膜层腐蚀掉；

(6)主电极制作：制作主电极；

(7)保护层制作：在步骤(6)完成的晶片表面生长一层sio2保护层，并使用腐蚀的方法将扩展电极和主电极上的sio2保护层腐蚀掉；

(8)管芯制作：对所述永久性硅衬底的背面进行减薄，并在减薄面制作n面电极，将晶片裂成单个的管芯。

根据本发明优选的，步骤(1)中，将临时衬底反转后与永久性衬底通过金属粘附层在温度为150-300℃温度条件下粘合30-60min。

根据本发明优选的，步骤(2)中，使用腐蚀液依次去除临时衬底的gaas层、缓冲层，去除gaas层的腐蚀液为氨水与双氧水的混合溶液；去除缓冲层的腐蚀液为盐酸、磷酸、硫酸中的一种或几种。

根据本发明优选的，步骤(4)中，粗化层制作，包括：使用光刻胶制作掩膜图形，将扩展电极作为保护区域，且保护区域图案尺寸大于扩展电极尺寸(防止侧蚀)，对非保护区域的n-gaas层使用腐蚀液腐蚀掉，使用粗化液对algainp层进行粗化，粗化完成后去胶。

进一步优选的，保护区域图案尺寸大于扩展电极尺寸，为2-4μm。比如，说扩展电极为圆形，那么保护区域的直径比扩展电极的直径大2-4μm；如果扩展电极为长方向，那么保护区域的边长均比扩展电极大2-4μm。该尺寸的选择既能够完成保护不产生侧蚀，又不会对发光区影响较大。

根据本发明优选的，步骤(5)中，ito粘附层制作，包括：使用蒸镀或者溅射的方式在步骤(4)完成的晶片表面制作一层ito膜层，使用光刻胶制作掩膜图形将扩展电极和主电极外周一圈区域的ito膜层腐蚀掉。

进一步优选的，ito膜层的生长速率为0.1-0.2埃/秒。

根据本发明优选的，步骤(6)中，主电极制作，包括：使用光刻胶制作掩模图形，使用蒸镀或者溅射的方式制作主电极，并使用剥离方法将主电极图形制作出来。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明中，通过使用ito膜层取代algainp层直接与主电极金属进行接触，利用金属电极与ito直接的接触粘附性远远大于与金属与algainp层直接接触粘附性的特点，使主电极的粘附性能增强，大幅度提升主电极焊线良率，且在粗化区域通过增加一次光刻掩模图形的制作，将主电极区域的ito粘附层与粗化区域之间的ito膜层隔断开来，这样ito膜层与主电极间ito膜层中间存在间隙，不能形成有效的电流扩展，仍然使用原有的algainp层进行电流传导，而避免了直接使用ito层作为电流传导层产生的区域型阻滞问题，而且实现了ito薄膜在主电极下方作为更好的粘附层材料，这样虽然使用了ito膜层，但对整个电极结构的性能不产生影响，而且大大提高整体产品焊线良率。

2、本发明中，通过发明人研究发现，ito膜层厚度的选择尤为重要，常规ito膜层厚度一般为600-3000埃之间，该常规工艺厚度的ito膜层作为取代algainp层进行电流传导时，因为界面接触问题电流在两层界面间会有较大概率形成区域性阻滞，且该厚度的ito膜层想要实现小孔径隔断非常困难，侧蚀问题无法解决，而本发明中恰当厚度的ito膜层厚度刚好形成膜层，在两种材料间能够很好的接触，实际测试时不会产生该阻滞现象，而又能够起到粘附作用，而且因为ito膜层厚度较薄，腐蚀时仅需要极短的时间就能够实现，不会对主电极和粗化区域的其它ito膜层产生侧蚀现象，该方法是其它专利方法中未曾使用过的，通过恰当ito膜层厚度的控制，实现了隔断型ito膜层的制作工艺方法。

3、本发明中，通过使用ito膜层+sio2膜层的组合，由于algainp的折射率在3.0--3.5之间，ito膜层的折射率在1.8—1.9之间，sio2的折射率为1.4—1.5之间，这样使用不同折射率逐渐过渡的膜层，缩短了直接使用algainp层与空气的接触，使出射光的界面全反射大幅度降低，能够有更多的光出射，增加了光提取效率，增加出光强度，且只使用ito和sio2两种常见膜层和常规工艺的组合，使制作整个工艺简单易操作。

4、本发明设计的工艺方法简单易操作，不需要引入特殊设备，利用较低的成本，解决了焊线难问题和大幅度增强了管芯亮度，该工艺方法适用于所有反极性algainp基红光led芯片的制作工艺。

附图说明

图1为临时衬底的外延结构示意图；

图2为在临时衬底的外延层上制作好欧姆接触层和二氧化硅阻挡层以及反射镜后的示意图；

图3为永久性硅衬底的结构示意图；

图4为临时衬底反转后与永久性硅衬底通过高温键合在一起后的结构示意图；

图5为腐蚀掉临时衬底和缓冲层后的结构示意图；

图6为扩展电极制作完金属层后的结构示意图；

图7为扩展电极图形制作完成后的结构示意图；

图8为n-gaas层腐蚀后的结构示意图；

图9为n-algainp层粗化后的结构示意图；

图10为制作完成ito膜层后的结构示意图；

图11为ito膜层图形完成后的结构示意图；

图12为主电极图形制作完成后的结构示意图；

图13为sio2保护层制作完成后的结构示意图；

图14为硅衬底进行减薄并制作完成n面电极的结构示意图。

1.gaas层，2.缓冲层，3.n-gaas层，4.n-algainp层，5.mqw量子阱层，6.p-algainp层，7.p-gaas层，8.sio2阻挡层，9.欧姆接触层,10.第一反射镜层，11.硅衬底，12.第二反射镜层，13.金属粘附层，14.扩展电极，15.ito膜层，16.主电极，17，sio2保护层，18.n面电极。

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

一种反极性algainp红光led管芯结构，如图14所示，由下自上依次包括n面电极18、永久性硅衬底11、第二反射镜层12、金属粘附层13、第一反射镜层10、sio2阻挡层8和欧姆接触层9、p-gaas层7、p-algainp层6、mqw量子阱层5、n-algainp层4、n-gaas层3和ito膜层15和sio2保护层17、扩展电极14、主电极16；

p-algainp层6表面进行了粗化处理；主电极16设置在部分ito膜层15上；sio2保护层17填充部分ito膜层15与剩余部分ito膜层15之间的间隙，并覆盖剩余部分ito膜层15；扩展电极14设置在n-gaas层3上。

使用ito膜层15取代algainp层直接与主电极16进行接触，利用金属电极与ito直接的接触粘附性远远大于与金属与algainp层直接接触粘附性的特点，使主电极16的粘附性能增强，大幅度提升主电极16焊线良率，且将主电极16覆盖下的部分ito膜层15与剩余部分ito膜层15隔断开来，这样主电极16覆盖下的部分ito膜层15与剩余部分ito膜层15中间存在间隙，不能形成有效的电流扩展，仍然使用原有的algainp层进行电流传导，从而避免了直接使用ito膜层15作为电流传导层产生的区域型阻滞问题，而且实现了ito膜层15在主电极16下方作为更好的粘附层材料，这样虽然使用了ito膜层15，但对整个电极结构的性能不产生影响，而且大大提高整体产品焊线良率。

sio2阻挡层8和欧姆接触层9间隔分布在第一反射镜层10上，欧姆接触层9的材质为aube，第一反射镜层10的材质为cr、ti、pt、au、ag、ni、al金属中的一种或几种。

永久性硅衬底由下自上依次包括硅衬底11、第二反射镜层12、金属粘附层13；

第二反射镜12为cr、ti、pt、au、ag、ni、al金属中的一种或几种；金属粘附层13的材质为in、sn、ag金属中的一种或几种。

扩展电极14为cr/au电极。

实施例2

根据实施例1所述的一种反极性algainp红光led管芯结构，其区别在于，ito膜层15的厚度为20埃；

实施例3

根据实施例1所述的一种反极性algainp红光led管芯结构，其区别在于，ito膜层15的厚度为50埃；

实施例4

根据实施例1所述的一种反极性algainp红光led管芯结构，其区别在于，ito膜层15的厚度为30埃；该厚度的ito膜层15已经能够初步形成完整的膜层，且对于红光透过率能够稳定在90％以上，能够最大限度的提高发光效率。

实施例5

根据实施例1所述的一种反极性algainp红光led管芯结构，其区别在于，部分ito膜层15与剩余部分ito膜层15之间的间隙的宽度在2-4μm。该尺寸已经能够完全隔断主电极16区域的ito膜层15(部分ito膜层15)与粗化区域的ito膜层15(剩余部分ito膜层15)之间的电流传导，且该尺寸大小合适不会对光的出射造成较大的影响。

实施例6

实施例1-5任一反极性algainp红光led管芯结构的制作方法，包括以下步骤：

(1)晶片键合：将生长有外延层的gaas基晶片作为临时衬底，临时衬底倒置后与永久性硅衬底通过高温键合在一起；进行衬底置换，硅片作为永久衬底；

(2)衬底去除：使用腐蚀液依次去除临时衬底的gaas层1、缓冲层2；腐蚀液使用氨水：双氧水＝1:1(体积比)的混合溶液腐蚀60min，除掉gaas层1，使用硫酸：水＝1:1(体积比)的溶液腐蚀5min，除掉缓冲层2。

(3)扩展电极14制作：在步骤(2)完成的晶片表面制作扩展电极14，电极结构采用cr/au电极，厚度分别为1000埃、20000埃；使用正向光刻胶制作掩模图形，使用碘：碘化钾：硫酸铈＝1:1:1(体积比)的溶液腐蚀3min，去除掉多余金属，将扩展电极14需要的图形制作出来。

(4)粗化层制作：使用光刻胶再次制作掩膜图形，将扩展电极14作为保护区域，且保护区域图案尺寸大于扩展电极14尺寸为2μm，对非保护区域的n-gaas层3使用腐蚀液腐蚀掉，使用粗化液对n-algainp层4进行粗化，粗化完成后去胶。

(5)ito粘附层制作：在步骤(4)完成的晶片表面制作一层ito膜层15，将扩展电极14和主电极16外周一圈区域的ito膜层15腐蚀掉；使用蒸镀的方式在步骤(4)完成的晶片表面制作一层ito膜层15，蒸镀温度为320℃，使用正向光刻胶制作掩膜图形，将扩展电极14和主电极16外周一圈区域的ito膜层15腐蚀掉，腐蚀掉的ito膜层15宽度为2μm。

(6)主电极16制作：使用负向光刻胶制作掩模图形，使用蒸镀的方式制作主电极16，主电极16的结构采用cr/ti/pt/au电极，厚度分别为50埃、1000埃、1000埃、30000埃，并使用剥离方法将主电极16图形制作出来。

(7)保护层制作：在步骤(6)完成的晶片表面生长一层sio2保护层17，其厚度为3000埃，并使用氢氟酸将扩展电极14和主电极16区域的sio2腐蚀掉；

(8)管芯制作：对永久衬底的背面进行减薄，并在减薄面制作n面电极18，电极结构为ni/au，厚度为50埃、3000埃，并将晶片裂成单个的管芯进行使用。

对比例1