一种倒装发光二极管芯片及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体器件领域，特别涉及一种倒装发光二极管芯片及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，led产业迅速发展升级，以其节能、高效、可靠性高等诸多优势应用于普通照明、特种照明、植因照明、景观照明、户内显示、户外显示、背光显示、紫外消杀、紫外固化等场景，而led芯片在其中发挥着巨大的作用。
3.目前，led芯片结构主要分三种，最常见的是正装结构，其次是垂直结构和倒装结构。正装结构由于p，n电极在led同一侧，容易出现电流拥挤以及热阻较高的现象，而垂直结构则可以很好的解决这两个问题，同时达到很高的电流密度和均匀度。未来灯具成本的降低除了材料成本，功率增大的同时，减少led颗数显得尤为重要，垂直结构能够很好的满足这样的需求，这也导致垂直结构通常用于大功率led应用领域，而正装技术一般应用于中小功率led，另外，倒装技术也可以细分为两类，一类是在蓝宝石基础上倒装，蓝宝石衬底保留，利于散热，但是电流密度提升并不明显；另一类是采用倒装结构但剥离了衬底材料，可以实现电流密度的大幅度提升。
4.随着产业的发展，如何让倒装发光二极管芯片在不剥离衬底材料的情况下发光更亮，光效更高，成为我们无限追求的目标。


技术实现要素：

5.基于此，本发明提供了一种倒装发光二极管芯片及其制备方法，目的在于在倒装发光二极管芯片不剥离衬底材料的情况下，提升发光亮度。
6.根据本发明实施例当中的一种倒装发光二极管芯片，包括依次层叠的n型半导体层、有源发光层、p型半导体层、电流阻挡层、电流扩展层、布拉格反射层以及电流传输层，所述布拉格反射层包括p型布拉格反射部和n型布拉格反射部，电流传输层包括p型电流传输部和n型电流传输部，其中，所述p型布拉格反射部上开设有第一通孔，所述n型布拉格反射部上开设有第二通孔，所述第一通孔用于将所述p型电流传输部与所述电流扩展层电性连接，所述第二通孔用于所述n型电流传输部与所述n型半导体层电性连接。
7.优选地，所述倒装发光二极管芯片还包括衬底、缓冲层、绝缘保护层和键合金属层；
8.所述缓冲层、所述n型半导体层、所述有源发光层、所述p型半导体层、所述电流阻挡层、所述电流扩展层、所述布拉格反射层、所述电流传输层、所述绝缘保护层以及所述键合金属层依次层叠在所述衬底上。
9.优选地，所述电流扩展层为氧化铟锡层，所述电流扩展层的厚度为
10.优选地，所述布拉格反射层为低折射率层与高折射率层交替层叠的周期性结构，其中，所述低折射率层为sio2层，所述高折射率层为ti3o5层。
11.优选地，所述第一通孔和所述第二通孔的面积为20um2～1000um2。
12.优选地，所述第一通孔和所述第二通孔分别设置有多个，且相邻两个所述第一通孔之间的间隔为10μm～200μm，相邻两个所述第二通孔之间的间隔为10μm～200μm。
13.优选地，所述绝缘保护层包括p型绝缘保护部和n型绝缘保护部，所述键合金属层包括p型键合金属部和n型键合金属部，所述p型绝缘保护部上开设有第三通孔，所述n型绝缘保护部上开设有第四通孔，所述p型绝缘保护部与所述p型电流传输部通过所述第三通孔电性连接，所述n型绝缘保护部与所述n型电流传输部通过所述第四通孔电性连接。
14.优选地，所述倒装发光二极管芯片还开设有隔离槽，所述隔离槽的角度为30
°
～80
°
。
15.根据本发明实施例当中的一种倒装发光二极管芯片的制备方法，用于制备上述的倒装发光二极管芯片，所述制备方法包括：
16.提供一生长所需的衬底；
17.在所述衬底上依次外延生长缓冲层、n型半导体层、有源发光层、p型半导体层、电流阻挡层、电流扩展层、布拉格反射层、电流传输层、绝缘保护层以及键合金属层；
18.其中，在生长完所述布拉格反射层后，在所述布拉格反射层上刻蚀出第一通孔和第二通孔。
19.优选地，所述刻蚀出第一通孔和第二通孔的工艺为电感耦合等离子体刻蚀工艺。
20.与现有技术相比：本发明通过依次层叠的n型半导体层、有源发光层、p型半导体层、电流阻挡层、电流扩展层、布拉格反射层以及电流传输层，由于布拉格反射层包括p型布拉格反射部和n型布拉格反射部，且在p型布拉格反射部和n型布拉格反射部上分别开设有通孔，同时，将电流传输层置于布拉格反射层之上，使得电流传输层的p型电流传输部和n型电流传输部分别通过通孔与电流扩展层和n型半导体层电性连接，在不改变电流传输能力的情况下，减少电流传输层的吸光，从而提升了倒装发光二极管芯片亮度。
附图说明
21.图1为本发明实施例一当中的倒装发光二极管芯片的结构示意图；
22.图2为本发明实施例一当中的倒装发光二极管芯片的俯视示意图；
23.图3为本发明实施例二当中的倒装发光二极管芯片的制备方法的流程图；
24.图4为本发明实施例四当中的倒装发光二极管芯片的俯视示意图；
25.图5为本发明实施例五当中的倒装发光二极管芯片的俯视示意图；
26.图6为本发明实施例五当中的倒装发光二极管芯片的结构示意图。
具体实施方式
27.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
28.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
30.实施例一
31.请参阅图1和图2，图1为本发明实施例一中的倒装发光二极管芯片的结构示意图，图2为本发明实施例一当中的倒装发光二极管芯片的俯视示意图，其中，倒装发光二极管芯片包括衬底21、以及在衬底21上依次外延生长的缓冲层221、n型半导体层222、有源发光层223、p型半导体层224、电流阻挡层23、电流扩展层24、布拉格反射层25、电流传输层、绝缘保护层27以及键合金属层。
32.在本实施例当中，衬底21可以为蓝宝石衬底21，电流阻挡层23的材料可以为sio2、sin、ti3o5中的一种或者多种，电流扩展层24为氧化铟锡层，该电流扩展层24的厚度为示例而非限定，在一些实施例当中，电流扩展层24的厚度可以为，例如等，其中，氧化铟锡是一种混合物，由90％浓度的in2o3和10％浓度的sno2混合而成。另外，布拉格反射层25为低折射率层与高折射率层交替层叠的周期性结构，其中，所述低折射率层为sio2层，所述高折射率层为ti3o5层，需要说明的是，布拉格反射层25中低折射率层与高折射率层交替层叠的周期性为10个～30个，例如为15个，即布拉格反射层25中的低折射率层和高折射率层分别有15层，可以理解的，布拉格反射层25中低折射率层首先沉积于电流扩展层24上，其次再在低折射率层上沉积高折射率层。
33.进一步的，电流传输层的材料为cr、al、ti、ni、pt、au中的一种或多种，绝缘保护层27的材料为sio2、sin、ti3o5中的一种或者多种，键合金属层的材料为cr、al、ti、ni、pt、au中的一种或多种。
34.需要说的是，布拉格反射层25包括p型布拉格反射部和n型布拉格反射部，p型布拉格反射部上开设有第一通孔131，n型布拉格反射部上开设有第二通孔132，其中，p型布拉格反射部沉积于电流扩展层24上，由于在生长完p型半导体层224后，通过刻蚀做出mesa台阶12，将部分n型半导体层222裸露，所以使得n型布拉格反射部沉积于n型半导体层222上，在刻蚀出mesa台阶12后，需要再在此mesa台阶12的基础上刻蚀部分n型半导体层222和缓冲层221，直至暴露出衬底21，刻蚀结束后，衬底21与刻蚀倾斜的缓冲层221之间将形成隔离槽11，隔离槽11用于将各个芯片之间隔开，隔离槽11的角度为30
°
～80
°
，示例而非限定，在一些实施例当中，隔离槽11的角度可以为，例如40
°
、50
°
、60
°
等。
35.另外，沉积于布拉格反射层25电流传输层包括p型电流传输部261和n型电流传输部262，可以理解的，p型电流传输部261通过第一通孔131与电流扩展层24电性连接，n型电流传输部262通过第二通孔132与n型半导体层222电性连接。
36.具体的，第一通孔131和第二通孔132分别设置有多个，且相邻两个第一通孔131之间的间隔为10μm～200μm，相邻两个第二通孔132之间的间隔为10μm～200μm，其中，多个第一通孔131并排设置所连成的直线与多个第二通孔132并排设置所连成的直线平行，示例而非限定，在本实施例一些较佳实施例当中，相邻两个第一通孔131之间的间隔为，例如20μm、
30μm、40μm等，相邻两个第二通孔132之间的间隔为，例如20μm、30μm、40μm等，在本实施例当中，第一通孔131开设有7个，第一通孔131间隔20μm，若设一端的第一通孔131的位置为零点，则从一端的第一通孔131到另一端的第一通孔131的位置分别为0μm、20μm、40μm、60μm、80μm、100μm、120μm。
37.另外，示例而非限定，在本实施例一些较佳实施例当中，第一通孔131的面积为20μm2～1000μm2，例如为100μm2、200μm2、300μm2等，第二通孔132的面积为20μm2～1000μm2，例如为100μm2、200μm2、300μm2等。
38.需要说明的是，在电流传输层上还依次沉积有绝缘保护层27以及键合金属层，其中，绝缘保护层27包括p型绝缘保护部和n型绝缘保护部，键合金属层包括p型键合金属部281和n型键合金属部282，p型绝缘保护部上开设有第三通孔141，n型绝缘保护部上开设有第四通孔142，p型键合金属部281与p型电流传输部261通过第三通孔141电性连接，n型键合金属部282与n型电流传输部262通过第四通孔142电性连接，可以理解的，p型键合金属部281通过第三通孔141与p型电流传输部261电性连接，p型电流传输部261再通过第一通孔131与电流扩展层24电性连接，而n型键合金属部282通过第四通孔142与n型电流传输部262电性连接，n型电流传输部262再通过第二通孔132与n型半导体层222电性连接。另外，在本实施例当中，第三通孔141和第四通孔142的数量分别为1个。
39.综上，本发明通过依次层叠的n型半导体层222、有源发光层223、p型半导体层224、电流阻挡层23、电流扩展层24、布拉格反射层25以及电流传输层，由于布拉格反射层25包括p型布拉格反射部和n型布拉格反射部，且在p型布拉格反射部和n型布拉格反射部上分别开设有通孔，同时，将电流传输层置于布拉格反射层25之上，使得电流传输层的p型电流传输部261和n型电流传输部262分别通过通孔与电流扩展层24和n型半导体层222电性连接，在不改变电流传输能力的情况下，减少电流传输层的吸光，从而提升了倒装发光二极管芯片亮度。
40.实施例二
41.请参阅图3，所示为本发明实施例二提出的倒装发光二极管芯片的制备方法，用于制备上述实施例一当中的倒装发光二极管芯片，所述方法具体包括步骤s201至步骤s207，其中：
42.步骤s201，提供一生长所需的衬底。
43.其中，衬底可以为蓝宝石衬底。
44.步骤s202，在衬底上依次外延生长缓冲层、n型半导体层、有源发光层以及p型半导体层。
45.步骤s203，形成mesa台阶。
46.在本实施例当中，首先在p型半导体层表面利用光刻技术形成图形，然后采用电感耦合等离子体刻蚀工艺从p型半导体层向衬底方向进行刻蚀，去除掉部分n型半导体层、有源发光层以及p型半导体层，然后去除光刻胶残胶，将n型半导体层部分裸露，形成mesa台阶。
47.步骤s204，沉积电流阻挡层，并形成隔离槽。
48.具体的，采用pecvd(plasma enhanced chemical vapor deposition，等离子体增强化学气相沉积)工艺在p型半导体层表面和mesa台阶表面沉积sio2，后采用光刻工艺形成
图形，并通过boe溶液腐蚀掉部分sio2，形成电流阻挡层。
49.接着采用光刻技术在mesa台阶表面形成图形，再采用电感耦合等离子体刻蚀工艺刻从mesa台阶向衬底方向进行刻蚀，去除部分n型半导体层和缓冲层，直至暴露出衬底，随后去除光刻胶，形成隔离槽，在本实施例当中，隔离槽的开设角度为50
°
。
50.步骤s205，沉积电流扩展层和布拉格反射层，并在布拉格反射层上开孔。
51.需要说明的是，采用磁控溅射技术沉积电流扩展层，其中，电流扩展层为氧化铟锡层，再利用光刻技术在电流扩展层上形成图形，进一步的，利用氧化铟锡腐蚀液腐蚀掉部分电流扩展层，可以理解的，电流扩展层只沉积在p型半导体层和电流阻挡层上，而在mesa台阶上未沉积电流扩展层，最后将多余光刻胶去除，形成电流扩展层。
52.沉积完电流扩展层后，采用电子束蒸镀工艺沉积布拉格反射层，具体的，在衬底、mesa台阶以及电流扩展层上沉积有布拉格反射层，再在布拉格反射层表面形成图形，随后采用电感耦合等离子体刻蚀工艺去除掉部分布拉格反射层，并去除光刻胶，形成布拉格反射层通孔，其中，布拉格反射层包括p型布拉格反射部和n型布拉格反射部，p型布拉格反射部沉积于电流扩展层上，n型布拉格反射部沉积于mesa台阶上，进一步的，p型布拉格反射部上开设有第一通孔，n型布拉格反射部上开设有第二通孔。
53.在本实施例当中，第一通孔和第二通孔均为圆形，在一些其他实施例当中，第一通孔和第二通孔的形状还可以为其他图形，例如为方形等，其中，第一通孔和第二通孔的面积均为314.15μm2，第一通孔之间的间隔为50μm，第二通孔之间的间隔为50μm。
54.步骤s206，沉积电流传输层。
55.具体的，在布拉格反射层涂布负性光刻胶，通过曝光、显影形成图形，然后采用电子束蒸镀工艺蒸镀金属cr、al、ti、pt、au、pt、ti后，采用lift-off工艺(金属剥离工艺)剥离部分金属，形成电流传输层，需要说明的是，电流传输层包括p型电流传输部和n型电流传输部，其中，p型电流传输部沉积在p型布拉格反射部上，n型电流传输部沉积在n型布拉格反射部上，可以理解的，p型电流传输部将第一通孔填充，n型电流传输部将第二通孔填充，那么，第一通孔实现了将p型电流传输部与电流扩展层电性连接，第二通孔实现了将n型电流传输部与n型半导体层电性连接，即与mesa台阶接触。
56.步骤s207，沉积绝缘保护层和键合金属层。
57.需要说明的是，沉积完电流传输层后，采用pecvd工艺沉积sio2，形成绝缘保护层，其中，绝缘保护层包括p型绝缘保护部和n型绝缘保护部，再采用光刻工艺，在绝缘保护层上形成图形，随后使用boe溶液腐蚀掉部分绝缘保护层，即分别在p型绝缘保护部和n型绝缘保护部上开孔，形成第三通孔和第四通孔，可以理解的，第三通孔设于p型电流传输部的上方，第四通孔设于n型电流传输部的上方。
58.具体的，沉积完绝缘保护层并开孔后，涂布负性光刻胶，并曝光、显影形成图形，然后采用电子束蒸镀工艺，蒸镀金属cr、al、ti、pt、au、pt、ti，再采用lift-off工艺剥离掉部分金属，将多余的光刻胶去除后，得到键合金属层，该键合金属层包括p型键合金属部和n型键合金属部，可以理解的，p型键合金属部将第三通孔进行填充，n型键合金属部将第四通孔进行填充，那么，p型键合金属部与p型电流传输部通过第三通孔电性连接，n型键合金属部与n型电流传输部通过第四通孔电性连接。
59.实施例三
60.请参阅图1和图2，本发明实施例三提供一种倒装发光二极管芯片，在本实施例当中，在提供的蓝宝石衬底21上依次外延生长缓冲层221、n型半导体层222、有源发光层223、p型半导体层224，并形成mesa台阶12，随后沉积电流阻挡层23，并形成隔离槽11，再沉积电流扩展层24和布拉格反射层25，并在布拉格反射层25上开孔，然后沉积电流传输层，最后沉积绝缘保护层27和键合金属层，其中，沉积于布拉格反射层通孔之上的电流传输层的面积不大于布拉格反射层通孔的面积。
61.实施例四
62.请参阅图4，所示为本发明实施例四当中的倒装发光二极管芯片的俯视示意图，本发明实施例四提供一种倒装发光二极管芯片，在本实施例当中，在提供的蓝宝石衬底21上依次外延生长缓冲层221、n型半导体层222、有源发光层223、p型半导体层224，并形成mesa台阶12，随后沉积电流阻挡层23，并形成隔离槽11，再沉积电流扩展层24和布拉格反射层25，并在布拉格反射层25上开孔，然后沉积电流传输层，最后沉积绝缘保护层27和键合金属层，其中，沉积于布拉格反射层通孔之上的电流传输层的面积大于布拉格反射层通孔的面积，减小了电流传输层与电流扩展的接触电阻，降低了芯片工作电压。
63.实施例五
64.请参阅图5和图6，图5为本发明实施例五当中的倒装发光二极管芯片的俯视示意图，图6为本发明实施例五当中的倒装发光二极管芯片的结构示意图，本发明实施例五提供一种倒装发光二极管芯片，在本实施例当中，在提供的蓝宝石衬底21上依次外延生长缓冲层221、n型半导体层222、有源发光层223、p型半导体层224，并形成mesa台阶12，随后沉积电流阻挡层23，并形成隔离槽11，再沉积电流扩展层24和布拉格反射层25，并在布拉格反射层25上开孔，然后沉积电流传输层，最后沉积绝缘保护层27和键合金属层，其中，电流阻挡层23为非连续性的，且只在布拉格反射层25通孔下方设置，即起到了电流阻挡的作用，又减少了布拉格反射层25通孔之间sio2的吸光，有效提升发光亮度。
65.各实施例制备出的倒装发光二极管芯片的性能测试结果如表1所示：
66.表1
[0067][0068]
从表中可以看出，本发明制备的倒装发光二极管芯片较现有产品而言，在同样的测试电流下，发光亮度皆得到了不同程度的提升。
[0069]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。