CN103579447B - 一种倒装结构发光二极管及其制备方法 - Google Patents

一种倒装结构发光二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种倒装结构发光二极管及其制备方法，涉及光电技术领域。本发明发光二极管包括从下至上依次叠加的金属支撑衬底、P型半导体层、量子井发光层、N型半导体层和非掺杂层。其结构特点是，所述金属支撑衬底和P型半导体层之间还置有N型欧姆接触金属层、绝缘膜和反射金属层。反射金属层上方及周围置有多层金属并延伸至旁边作为P型电极，金属支撑衬底经由N型欧姆接触金属层与N型半导体层连接为N型电极。同现有技术相比，本发明能有效避免发光二极管芯片侧壁漏电，提高芯片的可靠性能，并保留原垂直式LED结构的优点，使其发挥最大的效能。

Description

一种倒装结构发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，特别是倒装结构发光二级管及其制备方法。
背景技术
目前，在以Ga(Al, In)N为半导体材料所制作的发光二级管(LED)中，如美国专利7,763,477B2等文献中，倒装型的LED结构由于半导体接面接近高散热的衬底材料，比较传统的正装型LED以蓝宝石为衬底的芯片结构具有更高的可靠性及更大的操作功率，受到很大的关注与研究。
现有技术中，最新的倒装型LED芯片结构利用衬底置换的技术，把外延倒装在新的导电导热的金属支撑衬底220上，并将原本的蓝宝石衬底200移除，如图1所示。使较厚的N型半导体层204在上，可在N型表面做粗化，有效的把半导体内的光引出，进一步提升芯片的发光效率。此种倒装结构由于N电极就在N外延层上，而导电导热的金属支撑衬底220在下面为P电极，为上下电极结构，电流的方向上下垂直，与传统正装结构的P、N两个电极均在上面不同，又称为垂直结构。垂直结构芯片另一项优点是几乎没有侧光，主要是因为把透明的厚蓝宝石衬底200移除，新的金属支撑衬底220不透明，仅剩的外延侧壁很薄，逸出的光极少，特别适合萤光材料的涂布，所以在大功率的白光应用上极具优势与潜力。然而导电的P极衬底与N极的外延层仅隔着数百nm的P外延层与量子井发光层206，侧壁有短路或漏电的问题。外延工艺上，用大幅增加P层与量子井的厚度解决此问题，由于有光吸收及应力调整的考量，是几乎不可能的事。另一种垂直结构的工艺为在侧壁镀上绝缘膜212，绝缘膜212采用氧化硅、氮化硅或其他高分子材料来防止侧壁漏电，如图2所示。在实际的工艺制作上，采用激光剥离蓝宝石衬底200后，剥离介面附近的绝缘膜212容易被激光能量冲击遭受到破坏，再加上使用支撑衬底220，表面也可能受激光瞬间加热产生液态融熔的现象，使得剥离介面上水平方向的绝缘膜212的隔离存在风险，势必要使用非常厚的侧壁绝缘膜212来防治漏电，在现实的镀膜工艺中，镀上数um厚度的氧化硅或氮化硅膜十分不易且成本高，高分子层太宽又存在二次吸光且热膨胀系数不匹配的问题，使得垂直式的LED结构一直存在侧壁漏电、可靠度不佳的问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的是提出一种倒装结构发光二极管及其制备方法。它能有效避免发光二极管芯片侧壁漏电，提高芯片的可靠性能，并保留原垂直式LED结构的优点，使其发挥最大的效能。
为了达到上述发明目的，本发明的技术方案以如下方式实现：
一种倒装结构发光二极管，它包括从下至上依次叠加的导电导热的支撑衬底、P型半导体层、量子井发光层、N型半导体层和非掺杂层。其结构特点是，所述导电导热的支撑衬底和P型半导体层之间还置有N型欧姆接触金属层、绝缘膜和反射金属层。反射金属层连接多层金属并延伸至旁边作为P型电极，导电导热的支撑衬底与N型欧姆接触金属层连接为N型电极。导电导热的支撑衬底采用金属、半导体、非金属材料或者复合金属材料构成。多层金属置于反射金属层的周围、上方与下方的部份区域，或者多层金属包围或覆盖反射金属层。
在上述发光二极管中，所述N型欧姆接触金属层与N型半导体层有部份区域接触。
一种倒装结构发光二极管的制备方法，它的步骤为：
选择有图案或全平无图案的蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上成长外延层，外延层依序为非掺杂层、N型半导体层、量子井发光层和P型半导体层；
从器件顶部刻蚀至N型半导体层，形成图案，再由间隔的深刻蚀刻蚀至蓝宝石衬底定义出芯片尺寸与切割道区域；
在剩余P型半导体层表面镀单层或者多层银与银合金，再经过热处理、光刻、化学刻蚀的步骤在P型半导体层表面形成反射金属层；
在刻蚀出的量子井发光层、P型半导体层和反射金属层的***置有两层及以上的绝缘膜；在反射金属层上方及周围镀上多层金属并延伸至周边用来埋设P型电极；
在绝缘膜上方镀上N型欧姆接触金属层，与N型半导体层有部分区域形成欧姆接触；
在器件上表面加上导电导热的支撑衬底；
将器件倒置后，移除蓝宝石衬底，用化学腐蚀的方式使非掺杂层表面粗化，用光刻及化学腐刻在器件上表面开槽，露出埋设在器件中的P型电极。
在上述制备方法中，所述在蓝宝石衬底上成长外延层是用金属有机化学气相沉积的设备在蓝宝石衬底上成长3~10 um厚度的外延层。
在上述制备方法中，所述移除蓝宝石衬底采用激光剥离或者化学机械研磨、化学腐蚀的方式。
在上述制备方法中，所述反射金属层采用镍、铝、银或者银合金组成。
在上述制备方法中，生成绝缘膜采用电浆增益化学气相蒸镀氧化硅、氮化硅的方法或者旋涂式玻璃法，绝缘膜材料可为单层材料氧化硅、氮化硅或者高分子材料，绝缘膜材料也可为复数层材料氧化硅/氮化硅/氧化硅或氮化硅/氧化硅/氮化硅构成。
在上述制备方法中，所述在反射金属层上方及周围镀的金属采用TiW、镍、金、铬、钽、或者氮化钽。
在上述制备方法中，所述N型欧姆接触金属层与导电导热的支撑衬底镀上额外的金属层作为后续导电导热的支撑衬底的键合层或电镀种子层。
在上述制备方法中，所述导电导热的支撑衬底的材料采用铜、铬、铝、镍、钼、钨、硅、碳化硅中的一种或者几种元素的合金及复合金属材料，通过电镀、无电镀、喷涂或者键合的方式制备而成。
本发明由于采用了上述结构和制备方法，将原本与倒装芯片的上外延层(N极)相反的金属支撑衬底(P极)改为相同的N极，用刻蚀与绝缘膜把P极与下面的衬底做电器隔离，另外在外延层正面开个槽，把P型电极引到上面。实际使用芯片变成了N极的金属支撑衬底在下，P极打线在上。由于金属支撑衬底与上端外延层同级且直接接触在一块，不存在短路、漏电的问题，新的P型电极只要在水平方向上预留打线的误差距离，这可经由P型电极与外延开口的大小做适当的设计调整，十分容易杜绝短路的可能性。由于此开口区域仅限于打线的位置，并不占用到芯片多少面积，且其周长远小于整个芯片侧壁周长，漏电的机率大幅地降低。现有技术中P极与N极的隔绝是仰赖芯片侧壁裸露在外的绝缘层，本发明的设计把它埋藏到芯片内部，可靠度进一步提升。同现有技术相比，本发明避免了芯片的侧壁漏电，提升了芯片可靠度，并保留了垂直型芯片的优点与效能。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为现有技术结构示意图；
图2为现有技术中增加绝缘膜的结构示意图；
图3至图9为制备本发明发光二极管的方法步骤示意图；
图9为本发明发光二极管结构示意图。
具体实施方式
参看图9，本发明结构包括从下至上依次叠加的金属支撑衬底220、N型欧姆接触金属层218、绝缘膜212、反射金属层210、P型半导体层208、量子井发光层206、N型半导体层204和非掺杂层202。反射金属层210上方及周围置有多层金属并延伸至旁边作为P型电极214，金属支撑衬底220与N型半导体层204及非掺杂层202连接为N型电极。
参看图3至图9，本发明倒装结构发光二极管的制备方法步骤为：
选择有图案的蓝宝石衬底200，用金属有机化学气象沈积的设备在蓝宝石衬底200上成长3~10 um厚度的外延层，外延层依序为非掺杂层202、N型半导体层204、量子井发光层206和P型半导体层208；
从器件顶部刻蚀至N型半导体层204，形成图案，再由间隔的深刻蚀刻蚀至蓝宝石衬底200定义出芯片尺寸与切割道区域；
在剩余P型半导体层208表面镀单层或者多层銀与银合金，再经过热处理、光刻、化学刻蚀的步骤在P型半导体层208表面形成反射金属层210；
在刻蚀出的量子井发光层206、P型半导体层208和反射金属层210的***置有两层及以上的绝缘膜212；在反射金属层210上方及周围镀上多层金属并延伸至周边用来埋设P型电极214；
在绝缘膜(212)上方镀上N型欧姆接触金属层(218)，与N型半导体层(204)有部分区域形成欧姆接触。
在器件上表面电镀一层金属支撑衬底220；
将器件倒置后，采用激光剥璃或者化学机械研磨、化学腐蚀的方式移除蓝宝石衬底200，用化学腐蚀的方式使钝化层202表面粗化，用光刻及化学腐刻在器件上表面开槽，露出埋设在器件中的P型电极214。
上述本发明制备方法中的反射金属层210采用镍、银或者银合金组成。生成绝缘膜212采用电浆增益化学气相蒸镀氧化硅、氮化硅的方法或者旋涂式玻璃法，绝缘膜212材料可为单层材料如氧化硅、氮化硅或者高分子材料，绝缘膜212材料也可为复数层材料如氧化硅/氮化硅/氧化硅或氮化硅/氧化硅/氮化硅构成。在反射金属层210上方及周围镀的金属采用TiW、镍、金、铬、钽、或者氮化钽。金属支撑衬底220的材料采用铜、铬、铝、镍、钼、钨、硅、碳化硅中的一种或者几种元素的合金及复合金属材料，通过电镀、无电镀、复合电镀、喷涂或者键合的方式制备而成。

Claims (10)

1.一种倒装结构发光二极管，它包括从下至上依次叠加的导电导热的支撑衬底（220）、P型半导体层（208）、量子井发光层（206）、N型半导体层（204）和非掺杂层（202），其特征在于，所述导电导热的支撑衬底（220）和P型半导体层（208）之间还置有N型欧姆接触金属层（218）、绝缘膜（212）和反射金属层（210），反射金属层（210）连接多层金属（214）并延伸至旁边作为P型电极，导电导热的支撑衬底（220）与N型欧姆接触金属层(218)连接为N型电极，所述导电导热的支撑衬底（220）采用金属、半导体、非金属材料或者复合金属材料构成，所述多层金属（214）置于反射金属层（210）的周围、上方与下方的部份区域，或者多层金属（214）包围或覆盖反射金属层（210）。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述N型欧姆接触金属层(218)与N型半导体层（204）有部份区域接触。
3.一种倒装结构发光二极管的制备方法，它的步骤为：
选择有图案或全平无图案的蓝宝石衬底（200），在蓝宝石衬底（200）上成长外延层，外延层依序为非掺杂层（202）、N型半导体层（204）、量子井发光层（206）和P型半导体层（208）；
从器件顶部刻蚀至N型半导体层（204），形成图案，再由间隔的深刻蚀刻蚀至蓝宝石衬底（200）定义出芯片尺寸与切割道区域；
在剩余P型半导体层（208）表面镀单层或者多层银与银合金，再经过热处理、光刻、化学刻蚀的步骤在P型半导体层（208）表面形成反射金属层（210）；
在刻蚀出的量子井发光层（206）、P型半导体层（208）和反射金属层（210）的***置有两层及以上的绝缘膜（212）；在反射金属层（210）上方及周围镀上多层金属并延伸至周边用来埋设P型电极（214）；
在绝缘膜(212)上方镀上N型欧姆接触金属层(218)，与N型半导体层(204)有部分区域形成欧姆接触；
在器件上表面加上导电导热的支撑衬底（220）；
将器件倒置后，移除蓝宝石衬底（200），用化学腐蚀的方式使非掺杂层（202）表面粗化，用光刻及化学腐刻在器件上表面开槽，露出埋设在器件中的P型电极（214）。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述在蓝宝石衬底（200）上成长外延层是用金属有机化学气相沉积的设备在蓝宝石衬底（200）上成长3~10 um厚度的外延层。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述移除蓝宝石衬底（200）采用激光剥离或者化学机械研磨、化学腐蚀的方式。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述反射金属层（210）采用镍、铝、银或者银合金组成。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，生成绝缘膜（212）采用电浆增益化学气相蒸镀氧化硅、氮化硅的方法或者旋涂式玻璃法，绝缘膜（212）材料是单层材料氧化硅、氮化硅或者高分子材料，绝缘膜（212）材料或者是复数层材料氧化硅/氮化硅/氧化硅或氮化硅/氧化硅/氮化硅构成。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述在反射金属层（210）上方及周围镀的金属采用TiW、镍、金、铬、钽、或者氮化钽。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述N型欧姆接触金属层(218)与导电导热的支撑衬底（220）镀上额外的金属层作为后续导电导热的支撑衬底（220）的键合层或电镀种子层。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述导电导热的支撑衬底（220）的材料采用铜、铬、铝、镍、钼、钨、硅、碳化硅中的一种或者几种元素的合金及复合金属材料，通过电镀、无电镀、喷涂或者键合的方式制备而成。
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