半导体发光二极管芯片的制作方法

1.本实用新型涉及一种半导体发光二极管芯片，属于半导体器件技术领域。


背景技术：

2.发光二极管，简称为led，是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，它在照明领域应用广泛。
3.氮化镓(gan)作为第三代半导体材料，具有高禁带宽度、高临界击穿电场、高载流子饱和迁移速度以及高热导率和直接带隙等特点，在高温、高频、大功率微电子器件以及高性能光电子器件领域具有很大的应用前景。
4.gan基发光二极管(led)是一种半导体发光器件，具有寿命长、能耗低、体积小、可靠性高等优点，在大屏幕彩色显示、交通信号灯和照明领域发挥了越来越重要的作用。蓝宝石材料生产技术成熟、稳定性好、性价比高而广泛应用于光电领域，成为gan基光电器件的主要衬底材料，但是光线在蓝宝石衬底和gan之间的全反射，降低了led的光提取效率，针对该难题，业界常采用光子晶体、表面粗化以及图形化衬底技术，然而随着半导体照明显示等应用领域需求不断扩大，如何进一步提高芯片的出光效率是亟需克服的技术难题。
5.同时，目前micro-led应用于显示技术仍有一些问题需要解决，随着器件尺寸减小micro-led的外量子效率急剧下降，因为器件尺寸减小，表面积体积比增加，由切割造成器件侧壁表面损伤严重，导致电流泄露和外量子效率衰减，尤其当器件尺寸减小到100μm以下时，侧壁缺陷占比急剧增加，产生的表面态复合更加严重，影响器件的光电特性。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种半导体发光二极管芯片。
7.为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：
8.本实用新型提供一种半导体发光二极管芯片，包括衬底以及设置于所述衬底上的依次层叠的第一半导体层、发光层以及第二半导体层，且所述第一半导体层和第二半导体层的导电类型相反；所述第一半导体层具有第一部分和第二部分，第一部分设置在第二部分与衬底之间，并且所述第一部分的径向尺寸小于所述第二部分的径向尺寸；所述发光层及第二半导体层覆盖所述第一半导体层表面的局部区域，并与第一半导体层配合形成台阶结构。
9.进一步地，所述第一半导体层于厚度方向上的截面为t形
10.进一步地，所述发光二极管芯片还包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置于所述第二部分暴露于所述台阶结构的表面，所述第二电极设置于所述第二半导体层背向所述衬底的表面。
11.进一步地，所述第一部分的周向形成第一间隔区域，所述第一间隔区域的宽度为1-3μm，高度为1-2μm；所述台阶结构形成第二间隔区域，所述第二间隔区域不超过第一半导体层第二部分的径向尺寸。
12.进一步地，所述第一间隔区域的宽度大于所述第二间隔区域。
13.进一步地，所述第一半导体层的厚度为1-5μm，宽度为10-1000μm。
14.进一步地，所述发光层包括周期性层叠设置的量子阱层和量子垒层。
15.进一步地，所述量子阱层的厚度为1-6nm，所述量子垒层的厚度为6-12nm；。
16.进一步地，所述量子阱层和量子垒层的循环周期数为2-12。
17.进一步地，所述第二半导体层的厚度为50-500nm。
18.进一步地，所述衬底上第一半导体层、发光层以及第二半导体层设置有多组，相邻各组之间宽度为1-30μm。
19.与现有技术相比，本实用新型的优点至少包括：本实用新型提供的发光二极管芯片通过第一间隔区域和第二间隔区域的配合设置使得芯片的出光效率得以提升，极大地提高led芯片封装亮度，扩大了led芯片应用领域。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本实用新型一典型实施案例提供的发光二极芯片件制备过程中的器件结构示意图；
22.图2是本实用新型一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
23.图3是本实用新型一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
24.图4是本实用新型一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
25.图5是本实用新型一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
26.图6是本实用新型一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
27.图7是本实用新型一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
28.图8是本实用新型一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
29.图9是本实用新型一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
30.图10是本实用新型一典型实施案例提供的发光二极管芯片的成品器件结构示意图；
31.图11是本实用新型另一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
32.图12是本实用新型另一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
33.图13是本实用新型另一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
34.图14是本实用新型另一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
35.图15是本实用新型另一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
36.图16是本实用新型另一典型实施案例提供的发光二极管芯片制备过程中的器件结构示意图；
37.图17是本实用新型另一典型实施案例提供的发光二极管器件制备过程中的器件结构示意图；
38.图18是本实用新型另一典型实施案例提供的发光二极管芯片的成品器件结构示意图；
39.图19是本实用新型另一典型实施案例提供的发光二极管芯片的成品器件的独立结构示意图。
40.附图标记说明：
41.10、衬底；20、第一半导体层；30、发光层；40、第二半导体层；50、第一间隔区域；60、第二间隔区域；70、第一电极；80、第二电极；
42.101、间隔层；102、第一间隔单元；103、第一间隙区域层；104、间隙单元；105、第二间隔区域层；106、第二间隔单元；
43.201、第三间隔区域层；202、间隔层区域单元；203、mesa单元结构；204、切割槽。
具体实施方式
44.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
45.本实用新型实施例提供一种发光二极管芯片，包括衬底10以及设置于所述衬底10上的依次层叠的第一半导体层20、发光层30以及第二半导体层40，且所述第一半导体层20和第二半导体层40的导电类型相反；所述第一半导体层20的边缘设置有镂空的第一间隔区域50，所述第一间隔区域50与所述衬底10接触，且所述第一间隔区域50的高度小于第一半导体层20的厚度；所述第二半导体层40和发光层30的一侧设置有镂空的第二间隔区域60，所述第一半导体层20背向所述衬底10的一面从所述第二间隔区域60中暴露出。
46.同时，还提供基于阵列排布的上述发光二极管芯片。
47.具体的，作为本实用新型的一些典型的实施案例，如图1-图10所示，本实用新型的第一实施例中的发光二极管芯片的具体结构及其制作的流程如下所示：
48.如图10所示，一种发光二极管芯片，至少包括衬底10、外延层和电极，其中外延层至少包括位于衬底10上n型氮化物层作为所述第一半导体层20、氮化物发光层30和p型氮化物层作为所述第二半导体层40，电极包括位于n型氮化物层上的n型电极、位于p型氮化物层的p型电极，其特征在于所述衬底10和n型氮化物层之间设置第一间隔区域，第一间隔区域
宽度0-5μm，高度1-2μm，其构成的led芯片的制备流程至少包括以下步骤：
49.提供衬底10，可以为蓝宝石、sic、gan、gan、zno、ga2o3中的一种。
50.如图1所示的，在衬底10上设置厚度可以为2-10μm的间隔层101，可以为sio2、sin
x
、tio2、ta2o5、nbo2、hfo2中的一种。
51.如图2所示，采用光刻及刻蚀技术对间隔层101进行处理形成第一间隔单元102，宽度可以为1-30μm，两个间隔单元之间的宽度为10-200μm。
52.如图3所示，在衬底10上设置厚度可以为1-2μm的第一间隙区域层103，所述间隔区域层包括氮化物、氧化物、金属中的一种，具体可以为alinn、sio2、sinx、tio2、ta2o5、nbo2、hfo2、金属单质中的一种。
53.如图4所示，采用光刻及刻蚀技术对第一间隙区域层103进行处理形成间隙单元104，宽度0-5μm。
54.如图5所示，在具有第一间隔单元102和间隙单元104的衬底10上设置第一半导体层20，至少包括厚度为1-5μm的n型氮化物层。
55.如图6所示，在n型氮化物层上设置第二间隔区域层105，所述间隔区域层包括氮化物、氧化物、金属中的一种，具体可以为alinn、sio2、sinx、tio2、ta2o5、nbo2、hfo2、金属单质中的一种。
56.如图7所示，采用光刻及刻蚀技术对第二间隙区域层105进行处理形成第二间隔单元106，第二间隙单元104靠近第一间隔单元102的一个面，其中第二间隔单元106宽度小于相邻的第一间隔单元102之间的距离，并大于间隙单元104的宽度。
57.如图8所示，在第二间隔单元106与其不相连的第一间隔单元102之间设置外延层，至少包括氮化物发光层30包括周期性重复生长厚度为1-6nm的氮化物量子阱层和6-12nm的氮化物量子垒层、厚度为50-500nm的p型氮化物层作为第二半导体层40。
58.如图9所示，采用湿法腐蚀对第一间隔单元102和第二间隔单元106进行腐蚀，移除第一间隔单元102和第二间隔单元106，在衬底10上形成micro-led芯片结构单元；
59.如图10所示，在n型氮化物层和p型氮化物层上分别设置n型电极和p型电极，得到micro-led芯片。
60.作为上述示例性实施方案的一个典型示例，如下以具体的实施案例加以详细阐述。
61.实施例1
62.本实施例示例一半导体发光二极管芯片的制备流程，具体如下所示：
63.1)提供蓝宝石衬底10。
64.2)采用化学气相沉积(cvd)技术在衬底10上生长厚度6μm的第一sio2间隔层101，
65.3)采用光刻及刻蚀技术对第一sio2间隔层101进行处理形成第一sio2间隔单元102，宽度20μm。
66.4)在衬底10上设置厚度为1.2μm的第一sio2间隙区域层103。
67.5)采用光刻及刻蚀技术对第一sio2间隙区域层103进行处理形成sio2间隙单元104，宽度2μm。
68.6)在具有第一sio2间隔单元102和间隙单元104的衬底10上设置外延层，至少包括厚度为2.5μm的n型gan层。
69.7)在n型gan层上设置第二sio2间隔区域层105，厚度4μm。
70.8)采用光刻及刻蚀技术对第二sio2间隙区域层105进行处理形成第二sio2间隔单元106，第二sio2间隔单元106靠近第一sio2间隔单元的一个面，其中第二sio2间隔单元宽度小于相邻的第一sio2间隔单元之间的距离，并大于sio2间隙单元104的宽度。
71.9)在第二sio2间隔单元106与其不相连的第一sio2间隔单元103之间设置外延层，至少包括氮化物发光层30，包括周期性重复3个周期生长厚度为2nm的ingan量子阱层和8nm的gan量子垒层、厚度为120nm的p型gan层。
72.10)采用湿法腐蚀对第一sio2间隔单元103和第二sio2间隔单元106进行腐蚀，移除第一sio2间隔单元103和第二sio2间隔单元106，在衬底10上形成micro-led芯片结构单元；
73.在n型氮化物层和p型氮化物层上分别设置n型ti/al/ti/au电极和p型ni/au电极，得到led芯片。
74.本实施例1通过湿法腐蚀形成间隔区域提高芯片的出光效率，极大地提高芯片封装亮度，扩大led芯片应用领域，在相邻的间隔单元中间生长外延层，然后通过湿法腐蚀移除间隔单元形成均匀间隔的led芯片分布，通过间隙单元设置极大提高micro-led芯片的出光效率，此外，无需通过常规外延层切割，适用于芯片尺寸10～200μm的micro-led的制备，可以避免由切割造成严重的器件侧壁表面损伤导致的量子效率衰减，再者，本发明工艺降低了芯片工艺成本，极大地改善了常规芯片工艺切割工艺导致的良率低的问题，降低生产成本，适合大规模量产。
75.本实用新型的第二实施例也提供一种半导体发光二极管芯片，其结构参见图18所示，与第一实施例大体相似，但区别在于器件之间的间隔，适用于芯片尺寸200～1000μm的常规led芯片的制备，芯片之间仅由切割槽204形成间隔，因为随着芯片尺寸增大由切割造成严重的器件侧壁表面损伤导致的量子效率衰减影响降低，芯片之间由切割道间隔，同时可以避免了实施例1两次掩膜工艺，降低制程复杂程度，其制作方法如下流程所示：
76.如图11-12所示，在衬底10上设置厚度为1-2μm的间隔区域层，所述第三间隔区域层201包括氮化物、氧化物、金属中的一种。
77.如图13所示，采用刻蚀技术将mask图形转移到间隔区域层上，形成间隔层区域单元202。
78.如图14所示，在具有间隔区域层的衬底10上设置外延层，至少包括厚度为1-5μm的氮化物第一半导体层20、氮化物发光层30包括周期性重复生长厚度为1-6nm的氮化物量子阱层和6-12nm的氮化物量子垒层作为发光层30、厚度为50-500nm的氮化物第二半导体层40，
79.如图15所示，对外延层进行刻蚀形成mesa台面，所述刻蚀深度为第二氮化物半导体层上表面到第一氮化物半导体层下边面之间的外延层，外延层形成规则排列的mesa单元结构203分布，该mesa单元结构203即构成了所述第二间隔区域60。
80.如图16所示，对外mesa单元结构203切割，形成切割槽204，切割深度为n型氮化物上表面至衬底10上表面往下5μm以内的区域，在各mesa单元结构203之间形成切割壁间隙，其中切割中心线与间隔层101区域单元的中心线重合。
81.如图17所示，采用湿法腐蚀对切割壁间隙进行湿法腐蚀，间隔层区域单元202被腐蚀掉形成第一间隔区域50。
82.如图18所示，在第一半导体层20和第二半导体层40上分别形成第一电极70和第二电极80，且如图19所示，经过继续切割可以获得单独的发光芯片。
83.作为上述示例性实施方案的一个典型示例，如下以具体的实施案例加以详细阐述。
84.实施例2
85.本实施例示例二半导体发光芯片的制备流程，具体如下所示：
86.1)提供蓝宝石平片衬底10。
87.2)采用mocvd外延技术在衬底10上生长厚度2μm的alinn间隔区域层。
88.3)在alinn间隔层101区域上设置光刻胶掩膜层，采用光刻及刻蚀技术将在掩膜层上形成mask图形并将图形转移到alinn间隔区域层，在衬底10上形成alinn间隔区域单元；并且，掩膜层还可以为sio2、sin
x
及ni等中的一种或多种，可采用常规技术包括化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)、溅射(sputtering)、电子束蒸发(ebv)、氢化物气相外延(hvpe)、旋涂等形成。
89.4)采用mocvd外延技术在具有alinn间隔区域单元的衬底10上生长厚度为3μm的n型gan半导体层、周期性重复生长10次厚度为4nm的氮化物量子阱层和10nm的氮化物量子垒层构成氮化物发光层30、厚度为200nm的p型gan半导体层。
90.5)对外延层进行刻蚀形成mesa台面，所述刻蚀深度为p型gan半导体层层上表面到n型gan半导体层下边面之间的外延层，外延层形成规则排列的mesa单元结构203分布。
91.(6)对外mesa单元结构203切割，切割深度为n型氮化物上表面至衬底10上表面往下5μm以内的区域，在各mesa单元结构203之间形成切割壁间隙，其中切割中心线与间隔层101区域单元的中心线重合。
92.(7)采用湿法腐蚀对切割壁间隙进行湿法腐蚀，间隙层区域单元被腐蚀掉形成间隔曾区域。
93.(8)在第一氮化物半导体层和第二氮化物半导体层上分别之第一电极70和第二电极80，电极材料可以为ni、au、ti、al、cr中的一种或多种组合，即可获得一种led芯片。
94.实施例2通过湿法腐蚀形成间隔区域，提高芯片的出光效率，极大地提高芯片封装亮度，扩大led芯片应用领域，另外，切割壁间隙的设置还可以释放后续衬底研磨减薄过程中的应力，适用于200-1000μm大尺寸led芯片的制备，可以降低裂片的几率，提高芯片生产良率，降低芯片报废率。
95.可以明确，本实用新型实施例所提供的发光二极管led芯片通过第一间隔区域50和第二间隔区域60的配合设置，相比常规芯片，在相同尺寸条件下使得芯片的出光效率提升15～35％，极大地提高led芯片封装亮度，扩大了led芯片应用领域。
96.应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。