一种垂直结构LED芯片的制作方法

本实用新型涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种垂直结构LED芯片。

背景技术：

发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)由于具有节能环保、安全耐用、光电转化率高、可控性强等特点，被广泛应用于显示器、汽车照明、通用照明等相关领域。

目前LED芯片结构主要分为正装、垂直与倒装三种。正装结构是LED历史上最先采用的结构，其结构简单，工艺流程快捷，但是由于正面的电极挡住出光，影响了出光效率。倒装结构的电极设置在发光底面，顶面为蓝宝石面亦是出光面，解决了电极挡光的技术难题，但由于电流水平传输存在电流拥挤问题，加上倒装电极与底面接触面积小，在大功率下难以解决散热问题，因此，需要进一步寻找新的LED结构。于是，垂直结构LED芯片应运而生，垂直结构LED芯片由于正面电极和底面电极分别在发光层的两侧，电流传输得以实现纵向传输，很好地改善了电流拥挤的问题，利用导热率高的衬底，如硅衬底等作为垂直芯片的衬底，实现了大面积散热，从而大功率的散热问题也能迎刃而解。垂直结构LED芯片凭借其结构的优势，近年来在LED市场上所占的份额越发重要，成为了研究热点。

现有的垂直结构LED芯片，原生长衬底如蓝宝石衬底为非导电衬底，要替换为导电衬底如硅衬底，需要利用衬底转移技术。衬底转移技术通常为键合技术与衬底剥离技术相结合。键合过程是将原生长衬底的外延片与转移衬底在一定温度和压力下结合在一起，但由于高温热膨胀系数失配和应力积累的问题，键合过程中容易发生极大的翘曲形变，并且外延片尺寸越大，形变程度越厉害。翘曲会导致下一步的衬底剥离容易产生裂纹，甚至破裂，严重影响了生产的良率和工艺稳定性。降低键合技术形成的翘曲度一直是垂直结构LED芯片的重要难题。另外，键合层的欧姆接触过高会影响垂直结构LED芯片的整体电压，如何降低键合层的欧姆电阻也是键合工艺研究的难点之一。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种垂直结构LED芯片，翘曲度低，欧姆电阻小，良率高。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种垂直结构LED芯片，包括背面金属层、设于背面金属层上的第二衬底、键合层、刻蚀阻挡层、反射层、电流扩散层、外延层、绝缘层和电极层，所述第二衬底设有凹部和凸部，凸部的表面高于凹部的表面，所述键合层包括中心键合层和边缘键合层，所述中心键合层设置在第二衬底的凹部，所述边缘键合层设置在第二衬底的凸部，刻蚀阻挡层和绝缘层依次设置在边缘键合层上，刻蚀阻挡层、反射层、电流扩散层、外延层、绝缘层和电极层依次设置在中心键合层上，所述电极层贯穿所述绝缘层与外延层连接。

作为上述方案的改进，所述中心键合层的厚度等于边缘键合层的厚度。

作为上述方案的改进，所述中心键合层和边缘键合层的结构为Cr/Ti/Pt/Au、Cr/Ti/Pt/Sn或Au/Sn/Pt/Sn。

作为上述方案的改进，所述中心键合层和边缘键合层的厚度为0.4-4μm。

作为上述方案的改进，所述凸部的宽度为5-50μm。

作为上述方案的改进，背面金属层的结构为Cr/Pt/Au、Au/Pt/Au或Ni/Cr/Ti。

作为上述方案的改进，刻蚀阻挡层的结构为Cr/TiW或Cr/Pt/Au。

作为上述方案的改进，反射层由Ag或Al制成，厚度为100-700nm，反射率为80-98％。实施本实用新型，具有如下有益效果：

1、本实用新型提供的一种垂直结构LED芯片，第二衬底设有凹部和凸起，且凸部对应设有中心键合层、凹部对应设有边缘键合层，且中心键合层和边缘键合层的表面不在同一平面，因此本实用新型键合层的接触面积大大增加，键合层的接触间隙大大减少，在形成键合层的时候，键合层受力更加均匀，受热也更加均匀，从而减少翘曲度，进而提高芯片良率和稳定性。

2、由于本实用新型键合层的接触面积大大增加，键合层的接触间隙大大减少，因此键合层结合得更加紧密，不容易出现孔洞等缺陷影响欧姆接触，因此键合层的欧姆电阻也大大减少。

附图说明

图1是本实用新型垂直结构LED芯片的结构示意图；

图2a是本实用新型在第一衬底上形成外延层后的示意图；

图2b是本实用新型形成第一凸部和第一凹部后的示意图；

图2c是本实用新型形成第一键合层后的示意图；

图2d是本实用新型第二衬底的结构示意图；

图2e是本实用新型在第二衬底上形成第二键合层的示意图；

图2f是本实用新型形成键合层后的示意图；

图2g是本实用新型除去第一衬底和第一凹部后的示意图；

图2h是本实用新型形成绝缘层和电极层后的示意图；

图2i是本实用新型形成背面金属层后的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

参见图1，本实用新型提供的一种垂直结构LED芯片，包括背面金属层11、设于背面金属层11上的第二衬底12、键合层13、刻蚀阻挡层14、反射层15、电流扩散层16、外延层17、绝缘层18和电极层19。

背面金属层11为叠层结构，背面金属层11由Cr、Ti、Ni、Sn、Au和Pt中的两种或多种组成，厚度为0.2-1μm。优选的，背面金属层11的结构为Cr/Pt/Au、Au/Pt/Au或Ni/Cr/Ti。

第二衬底12为转移衬底，用于支撑发光结构。本实用新型的第二衬底12为铜衬底或导电硅衬底。需要说明的是，第二衬底12的尺寸为2-8寸。由于本实用新型通过键合层13将外延层转移到第二衬底12上，因此第二衬底12的尺寸可以达到8寸。

具体的，第二衬底12设有凹部121和凸部122，凸部122的表面高于凹部121的表面。优选的，凹部121的面积大于凸部122的面积，凸部122的宽度为5-50μm。

本实用新型的键合层13用于连接外延层17和第二衬底12。具体的，键合层13包括中心键合层131和边缘键合层132，所述中心键合131层设置在第二衬底12的凹部121，所述边缘键合层132设置在第二衬底12的凸部122。所述中心键合层131和边缘键合层132的结构相同，均由Cr、Ti、Ni、Sn、Au和Pt中的两种或多种组成。优选的，中心键合层131和边缘键合层132的结构为Cr/Ti/Pt/Au、Cr/Ti/Pt/Sn或Au/Sn/Pt/Sn。

为了保证键合时，键合层13能够受力均匀和受热均匀，因此中心键合层131的厚度等于边缘键合层132的厚度。优选的，中心键合层131和边缘键合层132的厚度为0.4-4μm。若键合层13的厚度低于0.4μm，则翘曲度增大，难以将外延层转移到第二衬底上；若键合层13的厚度大于4μm，则键合时间过长，增加成本。

需要说明的是，本实用新型的凸部122相当于芯片的切割道，后续需要沿着凸部122进行切割，以形成单颗芯片。优选的，凸部122的宽度为5-50μm。

具体的，刻蚀阻挡层14和绝缘层18依次设置在边缘键合层132上，刻蚀阻挡层14、反射层15、电流扩散层16、外延层17、绝缘层18和电极层19依次设置在中心键合层131上，其中，所述电极层19贯穿所述绝缘层18与外延层17连接。

本实用新型的刻蚀阻挡层14用于隔绝反射层15和键合层13，由于反射层13由铝或银等容易迁移的金属制成，因此反射层13容易发生金属离子迁移扩散，本实用新型通过加入刻蚀阻挡层14可以防止反射层13发生金属离子迁移扩散。具体的，刻蚀阻挡层14为叠层结构，刻蚀阻挡层14由Cr、Pt、Ti、Au、Ni和TiW中的两种或多种组成，厚度为0.2-0.8μm。优选的，刻蚀阻挡层14的结构为Cr/TiW或Cr/Pt/Au。

具体的，本实用新型的反射层15由Ag和/或Al制成，厚度为100-700nm，反射率为80-98％。电流扩散层16由氧化铟锡(ITO)、氧化氟锡(FTO)和氧化铝锌(AZO)中的一种或几种制成，厚度为25-500nm。外延层17包括N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层。绝缘层18由二氧化硅制成，厚度为150-300nm。所述电极层19由金属制成。

现有垂直结构芯片的外延层与平面的衬底键合时，会形成接触间隙，受力不均匀，在加热过程中同时也会造成受热不均匀问题，外延层与转移衬底的热膨胀系数的失配所造成的应力会积累于键合层，最终表现为翘曲过大。

本实用新型的第二衬底设有凹部和凸起，且凸部对应设有中心键合层、凹部对应设有边缘键合层，且中心键合层和边缘键合层的表面不在同一平面，因此本实用新型键合层的接触面积大大增加，键合层的接触间隙大大减少，在形成键合层的时候，键合层受力更加均匀，受热也更加均匀，从而减少翘曲度，进而提高芯片良率和稳定性。

此外，由于本实用新型键合层的接触面积大大增加，键合层的接触间隙大大减少，因此键合层结合得更加紧密，不容易出现孔洞等缺陷影响欧姆接触，因此键合层的欧姆电阻也大大减少。

其次，电流扩散层和反射层在垂直结构LED芯片中起到电流扩散和反射光线的作用，若刻蚀区沉积这两层结构，则影响芯片后续的切割工艺，因此本实用新型除去了凸部上这两层结构。

相应地，本实用新型还提供了一种垂直结构LED芯片的制作方法，包括以下步骤：

S101、在第一衬底上形成外延层，所述外延层包括依次设于衬底上的N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层；

参见图2a，采用MOCVD设备在衬底21表面形成外延层22。

本实用新型衬底21的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料。优选的，本实用新型的衬底21为蓝宝石衬底。

所述外延层22包括依次设于衬底上的N型氮化镓层、有源层和P型氮化镓层。

S102、对P型氮化镓层进行刻蚀，形成多个第一凸部和多个第一凹部；

参见图2b，采用干法刻蚀对P型氮化镓层进行刻蚀，形成多个第一凸部221和多个第一凹部222。

本实用新型只能对外延层的P型氮化镓层进行刻蚀，不能刻蚀至有源层，否则在后面步骤中，当沉积刻蚀阻挡层和第一键合层在第一凹部222上，会导致芯片短路。

需要说明的是，本实用新型的第一凹部222相当于芯片的切割道，后续需要沿着第一凹部222进行切割，以形成单颗芯片。优选的，第一凹部222的宽度为5-50μm。

S103、在第一凸部上依次形成电流扩散层、反射层、刻蚀阻挡层和第一键合层，在第一凹部上依次形成刻蚀阻挡层和第一键合层；

参见图2c，在第一凸部221上依次形成电流扩散层23、反射层24、刻蚀阻挡层25和第一键合层26；在第一凹部222上依次形成刻蚀阻挡层25和第一键合层26。

本实用新型的刻蚀阻挡层25用于隔绝反射层24和第一键合层26，由于反射层24由铝或银等容易迁移的金属制成，因此反射层24容易发生金属离子迁移扩散，本实用新型通过加入刻蚀阻挡层25可以防止反射层24发生金属离子迁移扩散。具体的，刻蚀阻挡层25为叠层结构，刻蚀阻挡层25由Cr、Pt、Ti、Au、Ni和TiW中的两种或多种组成，厚度为0.2-0.8μm。优选的，刻蚀阻挡层25的结构为Cr/TiW或Cr/Pt/Au。

具体的，本实用新型的反射层24由Ag和/或Al制成，厚度为100-700nm，反射率为80-98％。电流扩散层23由氧化铟锡(ITO)、氧化氟锡(FTO)和氧化铝锌(AZO)中的一种或几种制成，厚度为25-500nm。

S104、提供第二衬底，所述第二衬底设有与第一凸部和第一凹部相配的第二凹部和第二凸部；

参见图2d，本实用新型提供的第二衬底31包括第二凹部311和第二凸部312，其中，第二凹部311与第一凸部221相配，第二凸部312与第一凹部222相配。

需要说明的是，本实用新型的第二衬底12为转移衬底，用于支撑发光结构。本实用新型的第二衬底12为铜衬底或导电硅衬底。需要说明的是，第二衬底12的尺寸为2-8寸。由于本实用新型通过键合层13将外延层转移到第二衬底12上，因此第二衬底12的尺寸可以达到8寸。

S105、在第二凸部和第二凹部上形成第二键合层；

参见图2e，分别在第二凸部312和第二凹部311上形成第二键合层32。

需要说明的是，第一键合层26的顶层与第二键合层32的顶层组合为Au-Au，Au-In、Au-Sn、Ni-Sn、Cu-Sn、Pb-In和Cu-Cu中的一种。

S106、将第一键合层和第二键合层进行键合，形成键合层；

参见图2f，采用键合工艺将第一键合层26和第二键合层32进行键合，形成一整体的键合层33。具体的，第一凹部222上的第一键合层26与第二凸部312的第二键合层32进行键合，第一凸部221的第一键合层26与第二凹部311的第二键合层32进行键合。

本实用新型的键合层33用于连接外延层22和第二衬底31，是实现衬底转移的重要结构。具体的，键合层33包括中心键合层331和边缘键合层332，所述中心键合331层设置在第二衬底31的第二凹部311，所述边缘键合层332设置在第二衬底31的第二凸部312。所述中心键合层331和边缘键合层332的结构相同，均由Cr、Ti、Ni、Sn、Au和Pt中的两种或多种组成。优选的，中心键合层331和边缘键合层332的结构为Cr/Ti/Pt/Au、Cr/Ti/Pt/Sn或Au/Sn/Pt/Sn。

为了保证键合时，键合层33能够受力均匀和受热均匀，中心键合层331的厚度等于边缘键合层332的厚度。优选的，中心键合层331和边缘键合层332的厚度为0.4-4μm。若键合层33的厚度低于0.4μm，则翘曲度增大，难以将外延层转移到第二衬底上；若键合层33的厚度大于4μm，则键合时间过长，增加成本。

需要说明的是，金属键合层的翘曲主要是热膨胀系数失配所形成的。为了形成金属键合，通常键合在真空下恒温恒压下进行，并保持一段时间。

具体的，所述第一键合层和第二键合层的键合温度为150-350℃，压力为5-15KN，真空度低于8x10^-2Pa，键合时间为5-60min。若温度低于150℃，则温度低于金属键合共晶点，无法进行键合；若温度高于350℃，则高于翘曲度大。若压力低于5KN，则无法形成键合；若高于15KN，则压力过大，翘曲度大。

优选的，所述第一键合层和第二键合层的键合温度为200-300℃，压力为8-13KN，真空度低于8x10^-2Pa，键合时间为10-40min。

S107、除去第一衬底和第一凹部；

参见图2g，除去第一衬底21和第一凹部222。由于本实用新型的第一凹部222相当于切割道，后续需要沿着第一凹部222进行切割，且第一凹部222内的第一键合层已经与第二衬底的第二键合层键合形成一体，若继续保留第一凹部222，则影响芯片的后续切割工艺。

S108、在裸露出来的外延层和电流扩散层上形成绝缘层；

参见图2h，在裸露出来的外延层22和电流扩散层25上沉积绝缘材料，形成绝缘层27。所述绝缘层27用于保护芯片，优选的，所述绝缘层27由二氧化硅制成，厚度为150-300nm。

S109、形成电极层，所述电极层贯穿所述绝缘层与外延层连接。

对所述绝缘层27进行刻蚀，刻蚀至外延层22的表面，形成电极孔洞，在电极孔洞内沉积金属，形成电极层28。所述电极层28相当于芯片的N型电极。

S110、在第二衬底上形成背面金属层。

参见图2i，采用真空蒸镀工艺在第二衬底31上形成背面金属层28。其中，背面金属层29相当于与芯片的P型电极。

具体的，背面金属层29为叠层结构，背面金属层29由Cr、Ti、Ni、Sn、Au和Pt中的两种或多种组成，厚度为0.2-1μm。优选的，背面金属层29的结构为Cr/Pt/Au、Au/Pt/Au或Ni/Cr/Ti。

本实用新型对P型氮化镓层进行刻蚀，以形成多个第一凸部和多个第一凹部，并在第一凸部和第二凸部上形成第一键合层，此外，本实用新型通过在第二衬底的第二凸部和第二凹部上形成第二键合层，并将第一凹部上的第一键合层与第二凸部的第二键合层进行键合，将第一凸部的第一键合层与第二凹部的第二键合层进行键合，以形成键合层，最终实现衬底转移。

本实用新型通过第一键合层和第二键合层的凹凸结构，来增加第一键合层和第二键合层的接触面积，减少两者之间的接触间隙，在进行键合时，第一键合层和第二键合层的受力更加均匀，受热也更加均匀，从而减少翘曲度，进而提高芯片良率和稳定性。

此外，由于本实用新型键合层的接触面积大大增加，键合层的接触间隙大大减少，因此键合层结合得更加紧密，不容易出现孔洞等缺陷影响欧姆接触，因此键合层的欧姆电阻也大大减少。

以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。