CN105355742B - 发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发光二极管芯片及其制作方法，其在发光外延叠层的出光面上设置电连接层，可由介电层间隔从而不相连，表面经CMP处理后在极平坦的面上镀上透明电流扩展层，从而降低透明电流扩展层的横向传导阻值并代替金属扩展条进行横向传导。
Description
技术领域
本发明涉及半导体照明领域，具体的说是一种出光面无金属扩展电极的发光二极管芯片及其制作方法。
背景技术
近几年，发光二极管（light emitting diode, 简称LED）得到了广泛的应用，在各种显示***、照明***、汽车尾灯等领域起着越来越重要的作用。
图1显示了现有的一种AlGaInP 系LED芯片结构，其采用键合技术将吸光的砷化镓基板转换成具有镜面***的硅基板以达到增加亮度的方法。但是，电极需与外延半导体形成欧姆接触，并通过扩展条进行电流扩散，但电极拓展条有遮蔽出光减少光电效率之影响，后续有提出采用ITO传导取代金属扩展条之结构，但是能和ITO形成欧姆接触之半导体材料有限，导致结构设计面临诸多限制。
图2显示了现有的另一种LED芯片种结构，其以内崁式金属搭配沟槽结构取代表面扩展条，电流从顶部电极7流向n型半导体层3，借由半导体材料之电子飘移横向传导，连通有源层1与p型半导体层2，接着通过金属材料5与底部电极6导通完成回路，其中介电层4用于隔绝有源层1与金属材料5。但因电流选择最低阻值最短路径导通，导致电流横向拓展效果不理想，电流路径R1示意外圈电流横向传导最远范围，电流路径R2之导通效果已消失，实际尺寸发光面积不及整面发光区，因此光电原件之特性转换相较于传统结构更差。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种LED芯片及制作方法，其在发光外延叠层的出光面上设置电连接层，可由介电材料间隔从而不相连，表面经化学机械研磨抛光(CMP)处理后在极平坦的面上镀上透明电流扩展层，从而降低透明电流扩展层的横向传导阻值并代替金属扩展条进行横向传导。
本发明解决问题的具体方案为：发光二极管芯片，包括：发光外延叠层，包含第一类型半导体、第二类型半导体及夹在两者之间的有源层，具有相对的两个表面，其中第二表面为出光面；第一电连接层，位于所述发光外延叠层的第一表面上，由第一几何图形阵列排列构成；第二电连接层，位于所述发光外延叠层的第二表面上，由第二几何图形阵列排列构成；透明电流扩展层，位于所述二电连接层的表面上；当接通外部电源时，电流流经所述透明电流扩展层之横面电阻值小于其流经所述第二电连接层的电阻值。
进一步地，所述LED芯片还包括设于所述第二电连接层上的顶部电极，当向该顶部电极注入电流时，传导至所述透明电流扩展层时优先进行横向传导后注入第二电连接层。
在上述LED芯片中，透明电流扩展层主要负责横向传导，与第二电连接层相接，不直接与外延层结构导通，克服大部分外延四元材料无法直接与透明电流扩展层欧姆接触导通的问题。
优选地，所述第二电连接层表面的粗糙度均值Ra 小于或等于1nm。
优选地，所述第一几何图形阵列和所述第二几何图形阵列交错排列。
优选地，所述第一几何图形阵列由第一介电材料间隔从而不相连，所述第二几何图形阵列由第二介电材料间隔从而不相连。
优选地，所述第一、第二几何图形阵列的尺寸为5~10微米。
优选地，所述第二几何图形阵列的面积小于或等于所述发光外延叠层的出光面积的1/10。
优选地，所述第一介电材料由单层或多层材料构成，具有反射有源层辐射之光源并且减少光学损耗。
优选地，所述第二介电材料由单层或多层材料构成，具有抗反射作用，增加有源层辐射之光源穿透量并且减少光学损耗。
优选地，所述第二电连接层为AuGe、AuGeNi或TiAu合金。
优选地，所述发光外延叠层选用AlGaInP系材料。
优选地，所述透明电流扩展层包含氧化铟锡、氧化锌等透明导电氧化物。
本发明还提供了一种发光二极管芯片的制作方法，包括步骤：1）外延生长发光外延叠层，其包含第一类型半导体、第二类型半导体及夹在两者之间的有源层，具有相对的两个表面，其中第一表面为出光面；2）在所述发光外延叠层的第一表面上制作第一电连接层，其由第一几何图形阵列构成；3）在所述发光外延叠层的第二表面上制作第二电连接层，其由第二几何图形阵列构成；4）在所述第二电连接层上制作透明电流扩展层，当接通外部电源时，电流流经所述透明电流扩展层之横面电阻值小于其流经所述第一电连接层的电阻值。
进一步地，还包括步骤6）：在所述透明电流扩展层上制作电极，当向该第一电极注入电流时，传导至所述透明电流扩展层时优先进行横向传导后注入第一电连接层。
优选地，所述步骤3）为：在所述发光外延叠层的第二表面上蒸镀第二电连接层；继续在所述表面上蒸镀第二介电材料层，蚀刻第二电连接层区域使其裸露出第二电连接层，采用CMP工艺对所述第二连接层的表面进行平坦化处理。优选地，经过CMP平坦化处理后的表面采用原子力显微镜扫测，其粗糙度均值Ra可降低至1nm以下，在极平坦的接口上蒸镀透明电流扩展层可有效增加导电率，实现进行横向传导导通的功效。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为现有一种LED芯片的侧面剖视图。
图2为现有的另一种LED芯片的侧面剖视图。
图3为根据本发明实施的一种LED芯片的侧面剖视图。
图4为图3所示LED芯片之第一电连接层和第二电连接层的分布示意图。
图5为根据本发明实施的另一种LED芯片的侧面剖视图。
图6为根据本发明实施的另一种LED芯芯片的侧面剖视图。
图7~14为制作图5所示LED芯片过程中的部分侧面剖视图。
具体实施方式
下面各实施例公开了一种LED芯片，分别在发光外延叠层的两侧表面形成第一电连接层与第二电连接层，该第一、第二电连接层尺寸极小并以阵列排列布满整面，两阵列以正面俯视皆不重迭，呈现交错堆积之布局，出光面上无金属扩展电极连接。进一步地，发光外延叠层的发光面除第二电连接层外，采用介电材料光学膜布满其间，表面经过CMP工艺平坦化处理达到极低的粗糙度值，平坦化处理后制作透明电流扩展层，电流传导至该透明电流扩展层的横面电阻值小于其传导至发光外延叠层的阻值，因此通过透明电流扩展层传导，可以实现导通第二电连接层各个区域；发光外延叠层的下方采用具高反射率之介电层光学膜结构布满其间。因此，该LED芯片表面电极遮蔽率极小，电流导引流通范围增大从而增加芯片尺寸发光面积，达到提升组件光电转换效率之效果。
请参看附图3，根据本发明实施的一种发光二极管芯片，从上到下依次包括：顶部电极10、透明电流扩展层11、第二电连接层12、第二类型半导体层14、有源层15、第一类型半导体层16、第一电连接层18、金属材料层19，导电基板20。
具体的，第一半导体层16、有源层15和第二半导体层14构成发光外延叠层，其中第二类型半导体层14的一侧表面为出光面。在本实施例中，采用AlGaInP系材料，其中第一类型半导体层16为p型材料，第二类型半导体层14为n型材料。较佳的，发光外延叠层的出光面可以作粗化处理，如图5所示。
第一电连接层18为与第一类型半导体层16形成欧姆接触的金属材料，具体可以为AuBe、AuZn、CrAu等合金；第二电连接层12为和第二类型半导体层14形成欧姆接触的金属材料，具体可为AuGe、AuGeNi、TiAu等合金由。
参看图4，第一电连接层18和第二电连接层12的形状为圆形或其他几何图形各自以阵列排列方式布满整面，以正面俯视皆不重迭。较佳的，第一、第二电连接层各自为5~10微米直径之圆形阵列，交错排列呈现最密堆积，其中第二几何图形阵列的面积小于或等于发光外延叠层的出光面积的1/10，即整体发光区域电极遮蔽率<10% ，较金属电极拓展条之遮蔽率更低。
在本实施例中，第一电连接层18与金属材料层19（底层电极）相通，阵列中区域可沉积如SiO2等介电材料17，介电材料可以是单层或者多层、相同或不同之介电材料，其作用为镜面反射有源层15辐射之光源并且减少光学损耗，增加正向出光。第二电连接层12与第二类型半导体层14通电导通，阵列中区域可沉积如SiNx等介电材料13，介电材料13可以是单层或者多层、相同或不同之介电材料，其作用为抗反射效果，增加有源层15辐射之光源穿透量并且减少光学损耗。较佳的，在第二电连接层中，针对表面之介电材料13进行CMP平坦化处理，处理后表面经原子力显微镜(AFM)扫测，其粗糙度均值Ra可降低至1nm以下， 在极平坦的接口上制作透明电流扩展层可有效增加导电率。
透明电流扩展层11包含氧化铟锡、氧化锌等透明导电氧化物，在本芯片结构中的主要功用是进行横向传导导通，经由CMP后降低粗糙度可以降低横截面阻值，达成横向导通的目的。电流由顶部电极10传导至所述透明电流扩展层11后，因透明电流扩展层11之电流横向传导阻值极低，若小于直接传导至发光外延叠层的阻值，此时电流会选择以横向传导为优先，如此可顺利传导至芯片发光区外圈之电连接层，充分均匀扩散至整面发光区与有源层耦合发光。
图5显示了采用上述结构的电流路径示意图。当顶部电极10通电后，部分电流经过R1路径导通至第一电连接层，当R1路径电流密度增加，传导阻值开始高于R2传导路径后，电流便会选择低阻值之R2路径进行横向传导，扩展至整面发光区之第二电连接层12，克服了原有技术横向扩展不佳之困难。由于第二电连接层12与第一电连接层18交错分布，电流进入第二连接层14后继续进行横向传导，流经有源层15和第一电连接层18，与底部电极19导通，如此有源层15发光区域向上出光可避免电极遮蔽，并且电流分布扩散均匀，可达到较佳之出光效果与光电特性。
图6显示了根据本发明实施的另一种LED芯片，其与图3所示LED芯片的区别在于：第一电连接层18采用内嵌式电极，其部分贯穿第一类型半导体层16、有源层15至第二类型半导体层14，并通过介电材料17与有源层15至第二类型半导体层14绝缘。在该结构中，第一电连接层18与第一类型半导体层16接触的区域同样呈几何图形阵列排列，与第二电连接层12交错分布。
图7~14显示了一种用于制作图5所示LED芯片的，下面结合附图进行简单描述。
首先，在砷化镓或者适合生长四元材料之基板衬底22上外延生长第二类型半导体层14、有源层15和第一类型半导体层16，如图7所示。
下一步：在第一类型半导体层16表面上形成第一电连接层18，并且定义其图形，如图8所示。
下一步：沉积介电材料17，并去除第一电连接层18表面的介电材料，使其结构如9所示。
下一步：在第一电连接层18表面上形成键合金属19，并与导电基板20键合，键合完成后去除衬底22，结构如图10所示。
下一步：在第二类型半导体层14表面上蒸镀第二电连接层12，并对第二类型半导体层14的发光区域作粗化处理，结构如图11所示。
下一步：在第二电连接层12表面制作介电材料12，并蚀刻第二电连接层12区域使其裸露出第二电连接层12，采用CMP对粗糙表面进行平坦化处理，过程如图12和13所示。
下一步：经CMP处理后，在第二电连接层12表面形成透明电流扩展层11，并制作顶部电极10，如图14所示。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的所有可能的实施方式。
Claims (12)
1.发光二极管芯片，包括：
发光外延叠层，包含第一类型半导体层、第二类型半导体层及夹在两者之间的有源层，具有相对的两个表面，其中第二表面为出光面；
第一电连接层，位于所述发光外延叠层的第一表面上，由第一几何图形阵列排列构成；
第二电连接层，位于所述发光外延叠层的第二表面上，由第二几何图形阵列排列构成；
透明电流扩展层，位于所述第二电连接层的表面上；
当接通外部电源时，电流流经所述透明电流扩展层之横面电阻值小于其流经所述第二电连接层的电阻值。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：还包括设于所述第二电连接层上的电极，当向该电极注入电流时，传导至所述透明电流扩展层时优先进行横向传导后注入第二电连接层。
3.根据权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述第二电连接层表面的粗糙度均值Ra 小于或等于1nm。
4.根根据权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述第一几何图形阵列和所述第二几何图形阵列交错排列。
5.据权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述第一几何图形阵列由第一介电材料间隔从而不相连，所述第二几何图形阵列由第二介电材料间隔从而不相连。
6.根据权利要求5所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述第二几何图形阵列的面积小于或等于所述发光外延叠层的出光面积的1/10。
7.根据权利要求5所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述第二介电材料由单层或多层材料构成，具有抗反射作用，增加有源层辐射之光源穿透量并且减少光学损耗。
8.根据权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述第二电连接层为AuGe、AuGeNi或TiAu合金。
9.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述发光外延叠层选用AlGaInP系材料。
10.一种发光二极管芯片的制作方法，包括步骤：
1）外延生长发光外延叠层，其包含第一类型半导体层、第二类型半导体层及夹在两者之间的有源层，具有相对的两个表面，其中第一表面为出光面；
2）在所述发光外延叠层的第一表面上制作第一电连接层，其由第一几何图形阵列构成；
3）在所述发光外延叠层的第二表面上制作第二电连接层，其由第二几何图形阵列构成；
4）在所述第二电连接层上制作透明电流扩展层，当接通外部电源时，电流流经所述透明电流扩展层之横面电阻值小于其流经所述第一电连接层的电阻值。
11.根据权利要求10所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：还包括步骤6）：在所述透明电流扩展层上制作电极，当向该第一电极注入电流时，传导至所述透明电流扩展层时优先进行横向传导后注入第一电连接层。
12.根据权利要求10所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述步骤3）为：在所述发光外延叠层的第二表面上蒸镀第二电连接层；继续在所述表面上蒸镀第二介电材料层，蚀刻第二电连接层区域使其裸露出第二电连接层，采用化学机械研磨抛光工艺对所述第二电连接层的表面进行平坦化处理。
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