一种发光二极管芯片结构及其制作方法与流程

1.本发明属于半导体照明领域，特别是涉及一种发光二极管芯片结构及其制作方法。


背景技术：

2.半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、光灯之后的又一次飞跃，其应用领域正在迅速扩大，正带动传统照明、显示等行业的升级换代，其经济效益和社会效益巨大。正因如此，半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一，也是未来几年光电子领域最重要的制高点之一。发光二极管（英文简称led）通常是由如gan（氮化镓）、gaas（砷化镓）、gap（磷化镓）、gaasp（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是具有发光特性的pn结，在正向电压下，电子由n区注入p区，空穴由p区注入n区，进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。
3.当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，led被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。
4.现有的一种led芯片结构一般是在发光外延叠层上设置反射层，如采用具有高低折射率差较大的分布布拉格反射层（dbr）或者具有较高反射率的金属（如ag）作为反射层，但dbr具有一定的角度性，且导热效果不理想，而高反射金属的反射率上限一般约为95%，反射率难以进一步提升，不利于led芯片外部光萃取，从而导致芯片发光效率的提升得到制约。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于：提供一种发光二极管芯片结构及其制作方法，用于解决现有技术中发光二极管芯片外部光萃取较低而导致发光效率降低的问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种发光二极管芯片结构，其特征在于：包括：衬底；发光外延结构，位于所述衬底上，包括依次层叠的第一导电型半导体层、量子阱层以及第二导电型半导体层；电流扩展层，形成于所述发光外延结构的部分表面；绝缘层，包裹所述电流扩展层的侧壁，所述绝缘层具有一系列图案化通孔结构；金属层，形成于所述绝缘层表面，所述一部分金属层通过部分通孔结构与所述电流扩展层接触，另一部分金属层通过部分通孔结构与所述发光外延结构接触。
7.优选地，还包括局部缺陷区，位于部分所述第二导电型半导体层上，且向下延伸至所述第一导电型半导体层形成台面结构，所述台面结构露出有发光外延结构侧壁。
8.优选地，第一电极，形成于所述局部缺陷区；以及第二电极，形成于所述金属层上。
9.优选地，所述绝缘层的图案化通孔结构包括位于所述电流扩展层之上的第一通孔
结构和位于发光外延结构之上的第二通孔结构。
10.进一步地，所述第一通孔结构为阵列式，所述第二通孔结构为环状或带状。
11.优选地，所述第一、第二通孔结构的尺寸介于1~50μm，优选介于1~20μm。
12.优选地，所述第一通孔结构与第二通孔结构的数量之比介于5：1~50：1，更优选第一通孔结构与第二通孔结构的数量之比介于10：1~30：1。
13.优选地，第一通孔结构横截面面积总和占所述发光二极管芯片结构的横截面面积比值的3%~50%，更优选第一通孔结构横截面面积总和占所述发光二极管芯片结构的横截面面积比值的5%~20%。
14.优选地，所述绝缘层覆盖于所述发光外延结构的侧壁。
15.优选地，所述绝缘层包括低折射率的材料层。
16.优选地，所述绝缘层包括分布布拉格反射层。
17.优选地，所述金属层为多层结构。
18.优选地，所述金属层包括金属反射层和金属阻挡层。
19.本发明还提供一种发光二极管芯片结构的制作方法，包括：以下工艺步骤：（1）提供一衬底，于所述衬底上形成发光外延结构，所述发光外延结构包括依次层叠的第一导电型半导体层、量子阱层以及第二导电型半导体层；（2）于所述发光外延结构形成台面结构，所述台面结构露出有发光外延结构侧壁；（3）于所述发光外延结构的部分表面形成电流扩展层；（4）形成绝缘层，包裹所述电流扩展层的侧壁，所述绝缘层具有一系列图案化通孔结构；（5）于所述具有图案化通孔结构的绝缘层表面形成金属层，所述一部分金属层通过部分通孔结构与所述电流扩展层接触，另一部分金属层通过部分通孔结构与所述发光外延结构接触。
20.优选地，所述步骤（2）包括：于所述发光外延结构中刻蚀出局部缺陷区，形成台面结构。
21.优选地，所述步骤（4）的绝缘层的图案化通孔结构包括：位于所述电流扩展层之上的第一通孔结构和位于发光外延结构之上的第二通孔结构。
22.进一步地，所述第一通孔结构为阵列式，所述第二通孔结构为环状或带状。
23.优选地，所述第一、第二通孔结构的尺寸介于1~50μm，优选介于1~20μm。
24.优选地，所述第一通孔结构与第二通孔结构的数量之比介于5：1~50：1，更优选第一通孔结构与第二通孔结构的数量之比介于10：1~30：1。
25.优选地，第一通孔结构横截面面积总和占所述发光二极管芯片结构的横截面面积比值的3%~50%，更优选第一通孔结构横截面面积总和占所述发光二极管芯片结构的横截面面积比值的5%~20%。
26.优选地，所述步骤（4）的绝缘层还覆盖于所述发光外延结构的侧壁。
27.优选地，所述绝缘层包括低折射率的材料层。
28.优选地，所述绝缘层包括分布布拉格反射层。
29.优选地，所述金属层为多层结构。
30.优选地，所述金属层包括金属反射层和金属阻挡层。
31.优选地，还包括步骤（6）：于所述局部缺陷区制作第一电极；以及于所述金属层上制作第二电极。
32.如上所述，本发明的发光二极管芯片结构及其制作方法，包括以下有益效果：（1）通过电流扩展层、绝缘层（如低折射率）、金属反射层形成全方位反射层（odr）结构，其反射效果优于常规的金属反射层或分布布拉格反射层结构，增强发光二极管芯片外部光萃取几率，提高led器件的亮度；（2）通过对绝缘层形成具有图案化的第一通孔结构，使金属层与电流扩展层连通，从而维持led器件的电压（vf）不上升；（3）通过对绝缘层形成具有图案化的第二通孔结构，使得金属层与发光外延结构（如p-gan层）直接接触，从而改善金属层（如金属反射层）与绝缘层粘附性不佳问题，增强led器件的可靠性。
附图说明
33.图1~图10显示为本发明的发光二极管芯片结构的制作方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图4显示为图5（led芯片单元俯视图）沿a-a方向的剖视图，图8显示为图7的虚线框局部放大结构示意图，图10显示为本发明的发光二极管芯片结构示意图。
34.元件标号说明：101衬底；1021局部缺陷区；102第一导电型半导体层；103量子阱层；104第二导电型半导体层；105电流扩展层；106绝缘层；1061第一通孔结构；1062第二通孔结构；107金属层；1071金属反射层；1072金属保护层；108第二绝缘层；1081第二绝缘层的第一通孔结构；1082第二绝缘层的第二通孔结构；109第一电极；110第二电极。
具体实施方式
35.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
36.请参阅图1~图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
37.如图1~图10所示，本实施例提供一种发光二极管芯片结构的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：如图1所示，首先进行工艺步骤（1），提供一衬底101，于所述衬底101上形成发光外延结构，所述外延结构包括依次层叠的第一导电型半导体层102、量子阱层103以及第二导电型半导体层104。
38.所述衬底101包括平面型蓝宝石衬底、图形蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底等。在本实施例中，所述衬底选用为图形蓝宝石衬底。
39.作为示例，采用mocvd工艺于所述衬底101上形成外延结构，所述外延结构可以包含缓冲层（图中未示出）、第一导电型半导体层102、量子阱层103以及第二导电型半导体层104、电子阻挡层（ebl）等，其中，所述第一导电型半导体层102可以为n型gan层，所述量子阱
层103可以为gan基量子阱层，所述第二导电型半导体层104可以为p型gan层。当然，也可以依据实际需求选择其它种类的外延结构，并不限于此处所列举的示例。
40.如图2所示，然后进行工艺步骤（2），于所述外延结构中从上至下，刻蚀出若干个数量的局部缺陷区1021，形成台面结构，所述台面结构露出有所述外延结构侧壁，具体地，所述台面结构显露有第一导电型半导体层102台面以及第一导电型半导体层102、量子阱层103及第二导电型半导体层104的侧壁。
41.例如，可以采用icp刻蚀或rie刻蚀工艺，于所述外延结构中刻蚀出台面结构，使得所述台面结构显露有第一导电型半导体层102台面以及第一导电型半导体层102、量子阱层103及第二导电型半导体层104的侧壁，所述第一导电型半导体层台面用以于后续第一电极的电连接。局部缺陷区1021的数量至少一个，也可以根据led芯片的结构、用途、面积大小等进行增加，从而使得局部缺陷区的数量与后续制作的第二通孔结构的数量相当。需要特别说明的是，当led结构为垂直结构时，也可以不需要制作局部缺陷区，而将第一电极制作于第一导电型半导体层102或是衬底101的背面。
42.如图3所示，接着进行工艺步骤（3），于所述发光外延结构的部分表面上形成电流扩展层105。
43.例如，所述电流扩展层105可以为采用蒸镀或溅镀工艺以形成的ito透明导电层，也可以选用其它材料，如zno、石墨烯等，并通过熔合使电流扩展层其与发光外延结构的p-gan层形成欧姆接触。工艺步骤（4）制作的电流扩展层还包括通过黄光、蚀刻工艺蚀刻部分电流扩展层，使得位于所述发光外延层表面上的电流扩展层“内缩”，便于后续的绝缘层披覆于该电流扩展层的侧壁。
44.如图4和5所示，接着进行工艺步骤（4），于上述结构上制作绝缘层106，包裹所述电流扩展层105的侧壁以及覆盖于所述相邻的发光外延结构的侧壁，其中包裹所述电流扩展层105的侧壁的绝缘层106主要用于与电流扩展层、后续制作的金属层构成全方位反射层（odr）结构，覆盖于所述相邻的发光外延结构的侧壁的绝缘层106主要作为电绝缘的作用；进一步地，所述绝缘层具有一系列图案化通孔结构。
45.例如，可以采用化学气相沉积工艺，于所述外延结构的部分表面形成绝缘层106，所述绝缘层106可以为低折射率材料，如二氧化硅层、氟化镁等，也可以为高折射率材料，如二氧化钛等，或绝缘层也可以是包括高、低折射率材料的分布布拉格反射层（dbr），且并不限于此处所列举的示例。所述图案化通孔结构，优选采用刻蚀工艺形成。如绝缘层选用sio2低折射率材料，藉由低折射率材料绝缘层与ito透明导电层的折射率差，可以增强光的出射。
46.作为示例，所述图案化通孔结构包括：位于所述电流扩展层之上的第一通孔结构1061以及位于发光外延结构之上的第二通孔结构1062。进一步地，所述第一通孔结构为阵列式，所述第二通孔结构为环状或带状，本实施例优选为闭合环状。所述第一、第二通孔结构的尺寸介于1~50μm，优选介于1~20μm。所述第一通孔结构与第二通孔结构的数量之比介于5：1~50：1，优选第一通孔结构与第二通孔结构的数量之比介于10：1~30：1。一般来说，第二通孔的数量与局部缺陷区的数量相当，形状相似。所述第一通孔结构横截面面积总和占所述发光二极管芯片结构（led芯片单元）的横截面面积比值k的3%~50%，优选5%~20%，更优选10%，如果k值太低，则金属层与电流扩展层通过第一通孔接触的面积太小，不利于控制电
压（vf），而如果k值太高，则会影响电流扩展层、绝缘层（如低折射率）、金属反射层形成全方位反射层（odr）结构的反射效果。
47.如图6~图8所示，然后进行工艺步骤（5），于所述具有图案化通孔结构的绝缘层表面形成金属层，所述一部分金属层通过第一通孔结构1061与所述电流扩展层105接触，另一部分金属层通过第二通孔结构1061与所述发光外延结构接触，从而改善金属层107与绝缘层粘附性不佳问题，增强led器件的可靠性。
48.例如，可以采用蒸镀或者溅镀工艺，于所述具有图案化通孔结构的绝缘层表面形成金属层107，所述金属层可以包括多层结构，如金属反射层1071、金属保护层1072等，并不限于此处所列举的示例。
49.作为示例，当金属反射层选用al或ag高反射金属，作为反射镜（mirror）时，金属保护层（barrier）选用tiw、cr、pt、ti等，金属保护层1071可以是完全包裹金属反射层1071，用于保护金属反射层。
50.如图9和10所示，接着进行工艺步骤（6），于所述局部缺陷区制作第一电极109；以及于所述金属层上制作第二电极110。在制作所述第一、第二电极之前，可选地，在步骤（4）制得的结构上形成第二绝缘层108。
51.作为示例，可以采用化学气相沉积工艺，形成第二绝缘层108，所述第二绝缘层108可以为低折射率材料，如二氧化硅层、氟化镁等，也可以为高折射率材料，如二氧化钛等，或绝缘层也可以是分布布拉格反射层（dbr），且并不限于此处所列举的示例。
52.采用光刻工艺及刻蚀工艺于所述第二绝缘层108中形成第二绝缘层的第一通孔结构1081和第二绝缘层的第二通孔结构1082。其中第一通孔结构1081作为第一电极的预留窗口，第二通孔结构1082作为第二电极的预留窗口。
53.如图10所示，接着于所述第一电极的预留窗口中形成第一电极109，所述第一电极选用n电极，以实现n电极与n型gan层电性连接；于所述第二电极的预留窗口中形成第二电极110，所述第二电极选用p电极，以实现p电极与金属层、电流扩展层、p型gan层电性连接。
54.最后，减薄所述衬底101并进行切割以获得独立的发光二极管芯片。
55.如图10所示，本实施例还提供一种发光二极管芯片结构，所述发光二极管芯片结构包括：衬底101、发光外延结构、局部缺陷区1021、电流扩展层105、具有通孔结构的绝缘层106、金属层107、第二绝缘层108、第一电极109以及第二电极110。
56.如图10所示，所述衬底101包括平面型蓝宝石衬底、图形蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底等。在本实施例中，所述衬底101选用为图形蓝宝石衬底。
57.如图10所示，所述发光外延结构位于所述衬底101上，包括依次层叠的第一导电型半导体层102、量子阱层103以及第二导电型半导体层104。
58.例如，所述第一导电型半导体层102可以为n型gan层，所述量子阱层103可以为gan基量子阱层103，所述第二导电型半导体层104可以为p型gan层。当然，也可以依据实际需求选择其它种类的外延结构，并不限于此处所列举的示例。
59.如图10所示，所述若干个局部缺陷区1021位于部分所述第二导电型半导体层104上，且向下延伸至所述第一导电型半导体层102形成台面结构，所述台面结构露出有所述外延结构侧壁，具体地，所述台面结构显露有第一导电型半导体层102台面以及第一导电型半导体层102、量子阱层103及第二导电型半导体层104的侧壁。
60.如图10所示，所述电流扩展层105形成于所述发光外延结构的部分表面上，并与部分的所述发光外延结构表面接合。
61.例如，所述电流扩展层105可以选用ito透明导电层，也可以选用其它材料，如zno、石墨烯等。结构上，优选位于所述发光外延层表面上的电流扩展层“内缩”，便于后续的绝缘层披覆于该电流扩展层的侧壁。
62.如图10所示，所述绝缘层106，包裹所述电流扩展层105的侧壁以及覆盖于所述相邻的发光外延结构的侧壁，其中包裹所述电流扩展层105的侧壁的绝缘层106主要用于与电流扩展层、金属层构成全方位反射层（odr）结构，覆盖于所述相邻的发光外延结构的侧壁的绝缘层106主要作为电绝缘的作用；进一步地，所述绝缘层具有一系列图案化通孔结构。
63.例如，于所述外延结构的部分表面形成具有图案化通孔结构的绝缘层106，所述绝缘层106可以为低折射率材料，如二氧化硅层、氟化镁等，也可以为高折射率材料，如二氧化钛等，或绝缘层也可以是包括高、低折射率材料的分布布拉格反射层（dbr），且并不限于此处所列举的示例。作为示例，所述图案化通孔结构包括：位于所述电流扩展层之上的第一通孔结构1061以及位于发光外延结构之上的第二通孔结构1062。进一步地，所述第一通孔结构为阵列式，所述第二通孔结构为环状或带状，本实施例优选为闭合环状。所述第一、第二通孔结构的尺寸介于1~50μm，优选介于1~20μm。所述第一通孔结构与第二通孔结构的数量之比介于5：1~50：1，优选第一通孔结构与第二通孔结构的数量之比介于10：1~30：1。一般来说，第二通孔的数量与局部缺陷区的数量相当，形状相似。所述第一通孔结构横截面面积总和占所述发光二极管芯片结构（led芯片单元）的横截面面积比值k的3%~50%，优选5%~20%，更优选10%，如果k值太低，则金属层与电流扩展层通过第一通孔接触的面积太小，不利于控制电压（vf），而如果k值太高，则会影响电流扩展层、绝缘层（如低折射率）、金属反射层形成全方位反射层（odr）结构的反射效果。
64.如图10所示，所述金属层107，形成于所述绝缘层106表面，所述一部分金属层第一通孔结构1061与所述电流扩展层105接触，另一部分金属层通过第二通孔结构1061与所述发光外延结构接触，从而改善金属层107与绝缘层粘附性不佳问题，增强led器件的可靠性。
65.例如，所述金属层107可以包括多层结构，如金属反射层1071、金属保护层1072等，并不限于此处所列举的示例。作为示例，当金属反射层选用al或ag高反射金属，作为反射镜（mirror）时，金属保护层（barrier）选用tiw合金等，金属保护层1071可以是完全包裹金属反射层1071，用于保护金属反射层。
66.如图10所示，第二绝缘层108，形成于金属层107、局部缺陷区1021上，并于第二绝缘层108中形成第二绝缘层的第一通孔结构1081和第二绝缘层的第二通孔结构1082。其中第一通孔结构1081作为第一电极的预留窗口，第二通孔结构1082作为第二电极的预留窗口。第一电极109形成于所述第一电极的预留窗口中，所述第一电极选用n电极，以实现n电极与n型gan层电性连接；第二电极110形成于所述第二电极的预留窗口中，所述第二电极选用p电极，以实现p电极与金属层、电流扩展层、p型gan层电性连接。
67.作为示例，所述第二绝缘层108可以为低折射率材料，如二氧化硅层、氟化镁等，也可以为高折射率材料，如二氧化钛等，或绝缘层也可以是分布布拉格反射层（dbr），且并不限于此处所列举的示例。
68.需要说明的是，根据需要，也可以在制作完第一、第二电极之后，再于第一、第二电
极之上形成第三绝缘层（图中未示出），并形成通孔结构，作为电极窗口，最后于电极窗口中形成第三、第四电极。
69.本实施例通过电流扩展层、低折射率绝缘层、金属反射层形成全方位反射层（odr）结构，其反射效果优于常规的金属反射层或分布布拉格反射层结构，增强发光二极管芯片外部光萃取几率，提高led器件的亮度；通过对绝缘层形成具有图案化的第一通孔结构，使金属层与电流扩展层连通，从而维持led器件的电压（vf）不上升；通过对绝缘层形成具有图案化的第二通孔结构，使得金属层与发光外延结构（如p-gan层）直接接触，从而改善金属层（如金属反射层）与绝缘层粘附性不佳问题，增强led器件的可靠性。
70.如上所述，本发明的发光二极管芯片结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明通过电流扩展层、低折射率绝缘层、金属反射层形成全方位反射层（odr）结构，其反射效果优于常规的金属反射层或分布布拉格反射层结构，增强发光二极管芯片外部光萃取几率，提高led器件的亮度；通过对绝缘层形成具有图案化的第一通孔结构，使金属层与电流扩展层连通，从而维持led器件的电压（vf）不上升；通过对绝缘层形成具有图案化的第二通孔结构，使得金属层与发光外延结构（如p-gan层）直接接触，从而改善金属层（如金属反射层）与绝缘层粘附性不佳问题，增强led器件的可靠性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
71.本发明提供的发光二极管芯片结构及其制作方法，适用于制作倒装结构led器件，亦适用于制作垂直结构或者薄膜结构或者高压结构led器件。本发明不仅适用于制作可见光led，也适用于制作uv-led等。
72.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。