一种高亮度半导体发光二极管芯片及其制作方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种高亮度半导体发光二极管芯片及其制作方法。

背景技术：

发光二极管(led)蓝光芯片是半导体照的“发动机”。氮化镓(gan)基led取得p-gan的成功突破以来，其技术进步非常明显，外延层生长质量明显得到提高，其位错密度已经可以控制到106/cm²以下，对多量子阱led的发光机理研究也取得很大成就，对半导体照明领域内的磊晶生长、芯片制造、发光效率、封装应用等各个领域都研究比较透彻。

目前，照明领域芯片正常工作时的光电转换效率已经突破75％，常规的高光效照明封装体灯珠发光效率也可达240lm/w。

gan基led使用最广泛的衬底是蓝宝石衬底。因为gan和蓝宝石之间有着较大的晶格常数失配和热导率失配，使得生长的gan发光层受到压应力，其晶体质量较差，存在大量位错等晶体缺陷，led芯片的亮度、发光效率、抗esd能力、抗反向电压性能等受到很大影响。

综上所述，开发一种能有效提高器件发光亮度、提高器件抗静电能力和提高抗反向电压的能力的led芯片及其制作方法意义重大。

技术实现要素：

本发明公开一种结构精简、能有效提高器件发光亮度、提高器件抗静电能力和提高抗反向电压的能力的高亮度半导体发光二极管芯片(即led芯片)，具体技术方案如下：

一种高亮度半导体发光二极管芯片，包括图形化蓝宝石衬底，所述图形化蓝宝石衬底包括上表面带有凸起图文的蓝宝石基底，所述凸起图文上设有dbr图层。本发明中：蓝宝石衬底上设置凸起图文，这样在磊晶生长时有利于成核，即生长时首先成核在蓝宝石上表面未覆盖dbr层的部位，有利于减少位错密度，提高晶体质量和抗esd能力；凸起图文上有dbr，可以提高衬底对有源区发出的光的反射率，从而提高发光强度。通过dbr来制作图形化衬底以及采用蓝宝石基底上的凸起图文和dbr图层的结合，与传统的单纯蓝宝石图形衬底或者蓝宝石衬底整个上表面设dbr图层(不利于后续磊晶生长)相比，具有独特的反射结构，既能确保后续缓冲层等外延层的生长需求，又能改善外延层晶体质量和改善反射有源区发出的光，从而达到提高器件发光亮度、提高器件抗静电能力和提高抗反向电压的能力的效果。

本发明中，dbr图层在380-800nm的可见光波段的反射率大于95％。发光亮度高。

本发明中，所述凸起图文和所述dbr图层所形成的结构的规格是：底端宽度(此处优选直径)为1-4um，高度为1-3um，相邻结构之间的间距为0.2-0.5um；同一结构中，所述dbr图层的高度为所述凸起图文的高度的0.5-2.0倍。采用此种规格参数设置，能进一步获得亮度高及eds性能好的led器件。

本发明中，所述dbr图层为由二氧化硅层和二氧化钛层相间层叠而成的结构，各层厚度用光学软件模拟形成分布布拉格反射镜。dbr层材质的选择，材料容易获得且成本低，既能起到很好的绝缘效果，又能起到防止漏电的效果，提高整体装置的安全性；各层的厚度设置形成分布布拉格反射镜，最优反射有源区发出的光，利于提高亮度。

本发明中，还包括基于所述图形化蓝宝石衬底依次设置的缓冲层、n型氮化物半导体层、电流扩展层、有源层、p型氮化物半导体层、电流阻挡层和透明导电层，n型电极设置在n型氮化物半导体层上，p型电极设置在电流阻挡层和透明导电层上。通过在图形化蓝宝石衬底上制作外延层，获得发光亮度高、抗静电能力和抗反向电压性能好的led芯片产品。

本发明中，所述透明导电层与所述p型氮化物半导体层同轴心设置，且所述透明导电层的侧边到轴心的垂直距离比所述p型氮化物半导体层的侧边到轴心的垂直距离小0.1-15um。能最大限度提高led的发光面积，从而提高led的亮度。

本发明还公开一种高亮度半导体发光二极管芯片的制作方法，包括制作图形化蓝宝石衬底，具体包括以下步骤：

步骤一、对蓝宝石衬底平面片进行清洗；

步骤二、在蓝宝石衬底平面片的上表面沉积dbr层；

步骤三、制作图形得到图形化蓝宝石衬底，具体是：先通过光刻方式制作多个圆柱状结构；再通过刻蚀方法制作多个图形结构；最后清洗、烘烤得到图形化蓝宝石衬底；其中：圆柱状结构的直径为2-4um，相邻圆柱状结构之间的间隔0.2-1um；图层结构上部为dbr图层且下部为蓝宝石材质层，图形结构的底宽直径为1-4um，图形结构的高度为1-3um，dbr图层的高度为蓝宝石材质层的高度的0.5-2.0倍，相邻图形结构之间的间隔0.2-0.5um。

以上技术方案优选的，所述步骤一中的清洗包括以下步骤：

步骤1.1、先采用丙酮超声清洗，然后去离子水冲洗；其中：清洗时间为3-15min；

步骤1.2、先采用氨水双氧水清洗，再采用去离子水冲洗，其中：氨水和双氧水的体积比为4：1，清洗时间为3-15min；

步骤1.3、先采用硫酸双氧水清洗，再采用去离子水冲洗，其中：硫酸、双氧水和水的体积比为5：1：1，清洗时间为3-15min；

步骤1.4、旋干，同时氮气氛围烘烤。

以上技术方案优选的，所述步骤二中沉积dbr层的方法为蒸镀和/或溅射；dbr层为由二氧化硅层和二氧化钛层相间层叠而成的结构，其在380-800nm的可见光波段的反射率大于95％。

以上技术方案优选的，还包括在所述图形化蓝宝石衬底上沉积缓冲层、n型氮化物半导体层、电流扩展层、有源层、p型氮化物半导体层、电流阻挡层和透明导电层；在n型氮化物半导体层上设置n型电极，在电流阻挡层和透明导电层上设置p型电极；所述n型电极和所述p型电极均为电极结构，所述电极结构由厚度为0.1-20nm的ni层、厚度为1-60nm的cr层、厚度为20-300nm的al层、厚度为10-200nm的pt层以及厚度为400-3000nm的au层组成。

本发明采用独特的图形化蓝宝石衬底制作工艺，获得高质量的图形化蓝宝石衬底，再结合缓冲层、n型氮化物半导体层、电流扩展层、有源层、p型氮化物半导体层、电流阻挡层和透明导电层的沉积及n型电极和p型电极的制作，获得发光亮度高、抗静电能力和抗反向电压性能好的led产品。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例1中高亮度半导体发光二极管芯片的结构示意图；

图2是图1中图形化蓝宝石衬底的结构示意图；

图3是图1中凸型台面表面结构的放大示意图；

图4是实施例1中高亮度半导体发光二极管芯片的制作流程图；

图5是实施例1所得led和传统led的亮度对比图；

图6是实施例1所得led和传统led的抗静电能力对比图；

其中，1、图形化蓝宝石衬底，1.1、蓝宝石基底，1.2、凸起图文，1.3、dbr图层，2、缓冲层，3、n型氮化物半导体层，4、电流扩展层，5、有源层，6、p型氮化物半导体层，7、电流阻挡层，8、透明导电层，9、n型电极，10、p型电极，11、保护钝化层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例：

一种高亮度半导体发光二极管芯片，具体为一种具有dbr图形衬底的led芯片，其尺寸规格是550um×875um，详见图1，具体包括图形化蓝宝石衬底1、缓冲层2、n型氮化物半导体层3、电流扩展层4、有源层5、p型氮化物半导体层6、电流阻挡层7、透明导电层8、p型电极9、n型电极10和钝化保护层11。

所述图形化蓝宝石衬底1的具体结构如下：所述图形化蓝宝石衬底1包括上表面带有凸起图文1.2的蓝宝石基底1.1，所述凸起图文1.2上设有dbr图层1.3，详见图2；所述dbr图层1.3为由二氧化硅层和二氧化钛层相间层叠而成的结构，两种材料的折射率分别在1.45-1.52，2.45-2.55之间，各层厚度用光学软件模拟形成分布布拉格反射镜，所述dbr图层1.3在380-800nm的可见光波段的反射率大于95％；所述凸起图文1.2和所述dbr图层1.3所形成的结构的规格是：底端直径(即与蓝宝石基底1.1相接触部位的直径，图1中也就是结构最下端的直径)为1-4um(优选3um)，高度为1-3um(优选2um)，相邻结构之间的间距为0.2-0.5um(优选0.3um)；同一结构中，所述dbr图层1.3的高度为所述凸起图文1.2的高度的0.5-2.0倍(图2中为1.2倍)。除此之外，凸起图文1.2和dbr图层1.3所形成的结构的形貌可以是蒙古包、八角锥、六角锥、五角锥等，根据实际需求(如器件的发光效率)进行设定，也可以根据需求调整结构的底宽直径、高度以及间隔等。

在所述图形化蓝宝石衬底1上生长缓冲层2、n型氮化物半导体层3、电流扩展层4、有源层5以及p型氮化物半导体层6，形成具有凸形台面的氮化物半导体结构，详见图3；所述凸形台面的第一表面上设有电流阻挡层7；所述凸形台面的第一表面正上方的所述电流阻层7的上表面上均设有透明导电层8。

所述p型电极9包括p型焊盘以及p型线电极，所述p型焊盘的下端设置在所述凸形台面的第一上表面上，所述p型线电极的下端设置在所述透明导电层8上。

所述n型电极10的下端设置在所述凸形台面的第二上表面上。

所述钝化保护层11设置在透明导电层8表面上以及凸形台面的第二表面上除n电极的区域，或者所述凸形台面的第一上表面上还设有电流阻挡图案层，所述电流阻挡图案层、第一上表面以及位于所述第一上表面正上方的所述电流阻挡层7的上表面上均设有透明导电层8；所述p型线电极位于所述电流阻挡图案层的正上方。

所述电流阻挡层7以及所述电流阻挡图案层和钝化保护层9的材质均为绝缘材料，所述绝缘材料为二氧化硅(sio2)。

所述透明导电层8与所述p型氮化物半导体层6同轴心设置，且所述透明导电层8的侧边到轴心的垂直距离比所述p型氮化物半导体层6的侧边到轴心的垂直距离小0.1-15um。

所述p型电极9与所述n型电极10的结构相同，所述电极结构中包含ni、cr、al、pt、au等金属层，所述电极结构中ni层的厚度为0.1-20nm，cr层的厚度为1-60nm，al层的厚度为20-300nm，pt层的厚度为10-200nm，au层的厚度为400-3000nm，电极结构中各金属层的厚度可根据实际需求选定。

上述led芯片的制作的具体步骤参照图4，具体包括以下步骤：

第一步、制作图形化蓝宝石衬底1，具体包括：

步骤一、对蓝宝石衬底平面片进行清洗(即平面衬底清洗)：步骤1.1、先采用丙酮超声清洗，然后去离子水冲洗；其中：清洗时间为3-15min(优选12min)；步骤1.2、先采用氨水双氧水清洗，再采用去离子水冲洗，其中：氨水和双氧水的体积比为4：1，清洗时间为3-15min(优选10min)；步骤1.3、先采用硫酸双氧水清洗，再采用去离子水冲洗，其中：硫酸(质量分数98％)、双氧水(质量分数30％)和水的体积比为5：1：1，清洗时间为3-15min(优选15min)；步骤1.4、旋干，同时氮气氛围烘烤。

步骤二、在蓝宝石衬底平面片的上表面沉积dbr层(即沉积dbr)，具体是用光学镀膜机交替沉积二氧化硅层和二氧化钛层；

步骤三、制作图形得到图形化蓝宝石衬底，具体是：先通过光刻方式制作多个圆柱状结构(即图形衬底光刻)，光刻具体经过匀胶、软烤、曝光、显影、坚膜等步骤(参照现有技术)，光刻胶厚度2-2.8um；再通过刻蚀方法制作多个图形结构(即图形衬底刻蚀)，刻蚀气体cf4/bcl3/ar，或者chf3/bcl3/ar；最后清洗(丙酮去胶，分几次去胶，然后用去离子水清洗)、烘烤(100℃条件下，在n2氛围下烘烤)得到图形化蓝宝石衬底(即去胶清洗和旋干)；其中：圆柱状结构的直径为2-4um(优选4um)，相邻圆柱状结构之间的间隔0.2-1um(优选0.3um)；图层结构上部为dbr图层且下部为蓝宝石材质层，图形结构的底宽直径为1-4um(优选3um)，图形结构的高度为1-3um(优选3um)，dbr图层的高度为蓝宝石材质层的高度的0.5-2.0倍(优选1.2倍)，相邻图形结构之间的间隔0.2-0.5um(优选0.5)。

第二步、生长获得外延片(即磊晶生长)，在制备好的图形化蓝宝石衬底1上用金属有机化学沉积(mocvd)方法生长gan基半导体层，包含缓冲层u-gan、n型氮化物半导体层n-gan、有源层mqw、p型氮化物半导体层p-gan等完整的led磊晶结构(即外延片)。

第三步、芯片制造。经过第二步生长好的外延片，经过清洗(即外延片清洗)后先进行凸型台面制作(即制作凸型台面)，具体为用光刻+干法蚀刻的方式制作出凸型台面，使用的材料、设备、工艺等参见现有技术；然后沉积电流阻挡层(即制作电流阻挡层)，材质为氧化硅，经过光刻、湿法蚀刻方式做出电流阻挡层，其中焊盘下的电流阻挡层和焊盘为同轴设计，p-finger线下边也有电流阻挡层；再用溅射的方式沉积透明导电层氧化铟锡(ito)(即制作电流扩展层)，厚度为20-200nm(优选100nm)，同样经过光刻、湿法蚀刻的方法做出设计的图形，湿法蚀刻使用的溶液是直接购买的ito蚀刻液(三氯化铁和盐酸的混合溶液)；接着用负性光刻和金属蒸镀的方式制作p电极和n电极(即制作p、n电极)；接着用pecvd沉积氧化硅做钝化保护层(即制作钝化保护层)，厚度为50-300nm(优选280nm)，经过光刻和湿法蚀刻的方法使得p电极和n电极露出；最后经过减薄后背面镀dbr反射层，再用隐形切割得方式将wafer裂开成单独的led芯粒。

本实施例中未公开的加工步骤和工艺参数，均可根据现有技术获得。

与传统的图形衬底比较，本实施例的led芯片具有更高的发光亮度和抗esd能力，其余光电参数不受影响：图5是本实施例的led芯片与传统led芯片做的亮度对比。图6是本实施例的led芯片和传统led芯片抗静电能力对比图，图6中的抗esd能力测试方式是人体模式，使用的设备是zoyer公司的zy920esd能力测试设备，从1000v起测，200v为步进，每个esd等级都正反各测一次，一直到器件失效，记录失效前一个esd测试等级作为被测器件的抗esd能力值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。