CN109326700B - 一种GaN基LED电极结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种GaN基LED电极结构及其制作方法，是在ITO电流扩展层上设置有P电极，n型GaN层的台面上设置有N电极；P电极和N电极的结构是自下至上依次包括第一Cr层、第一Al层、Ti层、Au层、第二Cr层和第二Al层；其制作方法包括以下步骤：（1）制作ITO薄膜层，刻蚀n型GaN层台面；（2）制作光刻电极图形，以形成包覆式电极结构；（3）制作电极结构。本发明通过对适宜光刻胶图形倒角的控制，来实现包覆式电极结构，通过合理的电极结构设计在保证电极良好粘附性的同时，使管芯发光效率得到大幅度提升，并且整个电极结构设计简单，全部使用常规蒸镀材料，整个制作过程时间较短，耗用成本较低，适用于所有GaN基LED管芯的规模化制作。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高反射率电极结构的GaN基LED管芯及其具体制作方法，属于半导体加工技术领域。
背景技术
LED(Light Emitting Diode)是一种依靠半导体P-N节进行电致发光的器件，由氮、砷、镓、磷等的化合物制作而成，能够将电能转化为光能，通过电子与空穴的复合辐射发光。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，LED是置于一个有引线的架子上，然后在四周采用环氧树脂进行密封，有利于起到保护内部芯线的作用，因此LED的抗震性能非常好。同时，LED被广泛认可为***照明光源或者绿色光源，因为具有环保、节能、寿命长、体积小、稳定性好等各种特性，在各种背光源、普通照明、装饰、显示已经指示等领域应用尤为广泛，近年来，LED的研发及发展得到国家大力扶持，随着LED技术的发展，LED灯具在民用照明领域被普遍接受，得到空前规模的发展与进步。
LED电极结构作为整个LED管芯设计的核心结构，是决定整个LED技术的关键所在。通过适当的电极膜层和结构的设计，可以有效的解决电流扩展、芯片的散热、管芯外量子效率、电机稳定性等方面的技术难题。目前传统的电极结构使用Cr/Au结构或者Ni/Au结构或者Cr/Ti/Au结构，该种电极结构设计很大程度上考虑了电极结构的稳定性和欧姆接触层的形成上，但是发光效率较低。
中国专利文献CN104362239A公开了一种LED电极结构及其制作方法，包括五层膜层：第一Ni层、Al层、Cr层、第二Ni层以及Au层，并且在第一Ni层上设置有通孔，Al层作为电极反射层使用，Cr层作为过渡层，既提供了良好的粘附作用，也起到了Al、Au原子相互扩散的作用。其中，通孔的设计不仅减少了第一Ni层对光的吸收，同时有保证了反射层与GaN之间的良好接触，最大化的提高了出光效率。但是，该发明中电极膜层的制作是通过电子束蒸镀完成的，在高真空度条件下完成Ni层蒸镀后，必须将晶片取出，在腔室外完成通孔的制作过程，然后再次将晶片放置回高真空室继续进行蒸发作业。该操作过程极易造成电极表面第一Ni层的氧化，不论是通过干法刻蚀还是湿法腐蚀工艺，第一Ni层只要离开真空室与空气接触表面会较快的形成一层氧化物薄膜，继续蒸镀Al时，与之形成的接触层牢固度很难保证。
CN105552191A公开的《能增进横向电流扩散并拥有双反射表面的LED芯片电极结构》，主要是通过包覆式设置的Cr层、第一Al层、至少一对TiN/Pt层、Au层、第二Al层和TiN外层组成的梯形结构扩展条。通过该种电极结构可以有效增加电流的横向扩展，并且达到光的多面反射的效果。但是在该结构中没有提及具体的实现包覆式电极的具体形成方法，而且电极结构膜层多达9层在蒸发室内形成高真空的条件下进行成膜，耗时较久，生产效率较低，同时TiN/Pt作为电流阻挡层和导电层的设计，使整个电极结构的成本较高，TiN与Al层之间粘附性不是很理想，打电极时存在一定的难焊线比例。
由此，针对现有GaN基LED电极结构生产效率、制作成本以及发光效率不能得到统一解决的前提下，有必要研究一种制作成本适中、效率高，电极反射率能够得到明显提升且结构稳定的的LED电极结构及其具体制作方法。
发明内容
针对现有的GaN基LED电极结构在生产效率、制作成本以及发光效率等方面存在的不足，本发明提供一种效率高，电极反射率能够得到明显提升且结构稳定的GaN基LED电极结构，同时提供一种该结构的制作方法。
本发明的GaN基LED电极结构，采用以下技术方案：
该GaN基LED电极结构，自下至上依次包括衬底、n型GaN层、量子阱层和p型GaN层，p型GaN层上设置有ITO电流扩展层，n型GaN层上设置有台面，ITO电流扩展层上设置有P电极，n型GaN层的台面上设置有N电极；P电极和N电极的结构是自下至上依次包括第一Cr层、第一Al层、Ti层、Au层、第二Cr层和第二Al层。
所述第一Cr层、第一Al层、Ti层、Au层、第二Cr层和第二Al层中上层包覆下层。
所述第一Cr层和第二Cr层的厚度为5-30埃。
所述第一Al层和第二Al层的厚度为500-1000埃。
所述Ti层的厚度为200-500埃。
所述Au层的厚度为3000-5000埃。
上述GaN基LED电极结构的制作方法，包括以下具体步骤：
(1)在GaN基LED晶片的p型GaN层上制作ITO(氧化铟锡)薄膜层，作为ITO电流扩展层，自ITO(氧化铟锡)薄膜层刻蚀到GaN基LED晶片的n型GaN层，在n型GaN层上形成台面；
所述ITO薄膜层的方块电阻低于30欧姆/口，透过率大于85％。
(2)制作光刻电极图形，以形成包覆式电极结构；包括以下步骤：
①涂胶：使用负向光刻胶在晶片表面涂胶，涂胶厚度为10000埃-35000埃，涂胶转速为1600rpm-3000rpm；将涂胶后的晶片进行初步烘干(前烘)，温度控制在70℃-120℃，时间为60-120秒；
②曝光：将完成步骤①的晶片进行曝光操作，曝光时间为5-25秒，曝光功率为200-500w，曝光完成后将晶片进行第二次烘烤(中烘)，温度为70℃-120℃，时间为60-120秒；
③显影：将完成步骤②的晶片进行显影操作，显影时间为50-90秒，显影液温度为50-70℃，并保持恒温，显影完成后将晶片进行第三次烘烤(后烘)，温度为70℃-120℃，时间为60-120秒。
步骤(2)中制作的光刻电极图形中光刻胶倒角α为60°-75°。
步骤(2)中的②进一步优选的曝光时间为10-15秒。
(3)在ITO(氧化铟锡)薄膜层和n型GaN层台面上制作P电极和N电极结构；包括以下步骤：
①将完成步骤(2)的晶片放置在真空度至少为9.0E-6Torr的电子束蒸发台腔室内；
②蒸镀第一Cr层：蒸镀速率为0.5-3埃/秒，厚度为5-30埃，冷却1-3分钟；
③蒸镀第一Al层：蒸镀速率为5-10埃/秒，厚度达到500-1000埃，冷却3-5分钟；
④蒸镀Ti层：蒸镀速率为3-5埃/秒，厚度为200-500埃；
⑤蒸镀Au层：蒸镀速率为5-10埃/秒，厚度为3000-5000埃，冷却10分钟；
⑥蒸镀第二Cr层：蒸镀速率为0.5-3埃/秒，厚度为5-30埃，冷却1-3分钟；
⑦蒸镀第二Al层：蒸镀速率为5-10埃/秒，厚度达到500-1000埃，冷却至室温。
本发明具有以下有益效果：
1.在光刻电极图形制作过程，研究发现，通过恰当的涂胶(前烘)-曝光(中烘)-显影(后烘)步骤中参数的搭配，可以制作出倒角在60°-75°之间的光刻胶图形，而在此角度范围内的电极图形，可以制作出角度适宜的包覆式电极结构，此电极结构可以最大限度的进行侧面反光，减少光的吸收，保证了出光效率。经过本发明研究发现，在倒角偏离60°较多时，电极边缘会出现较为严重的金属残留，形成电极黑边现象，顶层膜层难以形成包覆，只能形成堆叠结构，而大于75°较多时，电极侧面反射角太小，大多数光再次被反射回量子阱层，形成不了有效的出光面，出光效率较低。通过本发明中步骤(2)提供的参数搭配可以制作出边缘较好的包覆式电极结构图形。
2.本发明经过研究发现，在保证Al层反射镜足够的情况下，随着Cr层厚度的增加Cr/Al膜层组成的反射层相对反射率逐渐降低，使用紫外双光束分光光度计进行测量发现，在Cr层厚度超过30埃后，相对反射率大幅度快速降低，已经不能保证足够光的反射，反射膜层会失去效用，出光效率较低。
本发明中的相对反射率指，在Al层表面生长有Cr层，组成的Cr/Al组合膜层与完全反射的纯Al层反射率的比值，进行分光光度计测量时，两束光分别通过Al层和Cr/Al层，而得到相对反射率数值。
3.本发明中，第一Cr层作为粘附层使用，不仅能够保证电极的稳定，并能够实现Al层与GaN之间良好的欧姆接触；第二Cr层，不仅起到增加上下膜层的粘附的作用，并且能够杜绝Au和Al金属原子的相互扩散。第一、二Al层均作为反射层使用，第一Al层主要将量子阱层向电极底部发出的光反射回去再次形成出射光，第二铝层主要将量子阱曾向电极侧面发出的光反射出去，通过该结构的设计，能够较大幅度提高管芯的发光亮度。第一Ti层能够有效防止Au和Al金属原子的相互扩散。Au层作为电极结构的主体，本身良好的延展和稳定性保证了整个电极结构的稳定。
4.本发明中电极结构简单，全部使用常规金属设计，整个过程制作易操作、实现简便、制程时间较短，大大提升了蒸镀效率，整个膜层设计合理，使用Au原料较少，大大降低了生产成本，能够得到较高亮度的管芯，适用于大规模量化生产，通用于所有镀膜设备的制作。
附图说明
图1是本发明GaN基LED电极结构的纵剖图。
图2是本发明中电极结构的膜层示意图。
图3为本发明中光刻电极图形制作完成后光刻胶倒角形貌，α角度在60°-75°之间。
图4为相对折射率随Cr层厚度的变化趋势图。
其中：1.蓝宝石衬底，2.n型GaN层，3.量子阱层，4.p型GaN层，5.ITO电流扩展层，6.P电极，7.N电极，8.蓝宝石晶片，9.负向光刻胶。
具体实施方式
本发明是在蓝宝石晶片8(参见图3)上制备GaN基LED电极结构。如图1所示，蓝宝石晶片8自下至上依次包括蓝宝石衬底1、n型GaN层2、量子阱层3和p型GaN层4，p型GaN层4上设置有ITO电流扩展层5，n型GaN层2上设置有台面，ITO电流扩展层5上设置有P电极6，n型GaN层2的台面上设置有N电极7。P电极6和N电极7的结构如图2所示，自下至上依次包括第一Cr层、第一Al层、Ti层、Au层、第二Cr层和第二Al层，第一Cr层、第一Al层、Ti层、Au层、第二Cr层和第二Al层中上层包覆下层。第一Cr层和第二Cr层的厚度为5-30埃。第一Al层和第二Al层的厚度为500-1000埃。Ti层的厚度为200-500埃。Au层的厚度为3000-5000埃。
以下根据本发明内容，以制作7*8mil2尺寸电极为例，以具体实施例对本发明进一步说明，并通过对比说明有益效果。
实施例1
(1)使用电子束蒸发台在蓝宝石晶片8(GaN基LED晶片)的p型GaN层4上蒸镀ITO薄膜，ITO薄膜厚度为600埃，并进行退火处理，得到方块电阻低于30欧姆/口，透过率大于85％的ITO薄膜层(即ITO电流扩展层5)。通过光刻胶制作掩模图形得到ITO图形，将N区刻蚀到n型GaN层2，在n型GaN层2上形成台面。
(2)制作光刻电极图形，以形成包覆式电极结构
①涂胶：使用负向光刻胶9(参见图3)在晶片表面进行涂胶步骤，涂胶厚度为10000埃，涂胶转速为1600rpm；将涂胶完成的晶片放置到热板(或其它接触性加热设备)上进行初步烘干(前烘)，温度恒温控制在70℃，时间为60秒。
②曝光：将完成步骤①的晶片进行曝光操作，曝光时间为10秒，曝光功率为200w，曝光完成后进行中烘操作，将晶片放置在热板(或其他接触性加热设备)上进行二次烘烤(中烘)，温度为70℃，时间为60秒。
③显影，将完成步骤②的晶片进行显影操作，显影时间为50秒，显影液温度为50℃，并保持恒温，显影完成后进行第三次烘烤操作，将晶片进行第三次烘烤，温度为70℃，时间为60秒。
图3给出了本实施例中光刻电极图形制作完成后的光刻胶倒角形貌，α角度在60°-75°之间。
(3)在ITO薄膜层和n型GaN层台面上制作P电极6和N电极7的结构，P电极和N电极结构一样。
本发明中使用电子束蒸发台进行电极结构的制作，各种金属纯度均不小于99.99％。
①高真空：将完成步骤(2)的晶片放置在电子束蒸发台腔室内，进行抽真空操作，使电子束蒸发台腔室内真空度至少为9.0E-6Torr(包含)；
电子束蒸发台腔室真空值必须达到9.0E-6Torr及以上方可进行蒸镀步骤。
②蒸镀第一Cr层：腔室达到真空值要求后,进行Cr层蒸镀，通过膜厚仪控制速率为0.5埃/秒,厚度达到5埃，电子枪扫描覆盖整个蒸发源；冷却1min。
③蒸镀第一Al层：通过膜厚仪控制速率为5埃/秒,厚度达到500埃，电子枪扫描不开，冷却3min。
④蒸镀金属Ti层：电子枪扫描不开，速率为3埃/秒，厚度为200埃；
⑤蒸镀金属Au层：通过膜厚仪控制速率为5埃/秒,厚度达到3000埃，冷却10min。
⑥蒸镀第二Cr层：通过膜厚仪控制速率为0.5埃/秒,厚度达到5埃，电子枪扫描覆盖整个蒸发源，冷却1min。
⑦蒸镀第二Al层：通过膜厚仪控制速率为5埃/秒,厚度达到500埃，电子枪扫描不开，冷却至室温。
实施例2
(1)同实施例1。
(2)制作光刻电极图形。
①涂胶：使用负向光刻胶在晶片表面进行涂胶步骤，涂胶厚度为35000埃，涂胶转速为3000rpm；将涂胶完成的晶片进行初步烘干，温度控制在120℃之间，时间为120秒之间。
②曝光：将完成步骤①的晶片进行曝光操作，曝光时间为25秒，曝光功率为500w，曝光完成后将晶片进行二次烘烤，温度为120℃，时间为120秒。
③显影，将完成步骤②的晶片进行显影操作，显影时间为90秒，显影液温度为70℃，并保持恒温，显影完成后将晶片进行第三次烘烤，温度为120℃，时间为120秒。
(3)制作电极结构
①同实施例1；
②蒸镀第一Cr层：腔室达到真空值要求后,进行Cr层蒸镀，通过膜厚仪控制速率为3埃/秒,厚度达到30埃，电子枪扫描覆盖整个蒸发源；冷却3min。
③蒸镀第一Al层：通过膜厚仪控制速率为10埃/秒,厚度达到1000埃，电子枪扫描不开，冷却5min。
④蒸镀金属Ti层：电子枪扫描不开，速率为5埃/秒，厚度为500埃；
⑤蒸镀金属Au层：通过膜厚仪控制速率为10埃/秒,厚度达到5000埃，冷却10min。
⑥蒸镀第二Cr层：通过膜厚仪控制速率为3埃/秒,厚度达到30埃，电子枪扫描覆盖整个蒸发源，冷却3min。
⑦蒸镀第二Al层：通过膜厚仪控制速率为10埃/秒,厚度达到1000埃，电子枪扫描不开，冷却至室温。
实施例3
将第一Cr层和二Cr层厚度增加到200埃。
(1)同实施例1。
(2)制作光刻电极图形
①涂胶：使用负向光刻胶在晶片表面进行涂胶步骤，涂胶厚度为20000埃，涂胶转速为2000rpm；将涂胶完成的晶片进行初步烘干，温度100℃，时间为100秒。
②曝光：将完成步骤①的晶片进行曝光操作，曝光时间为15秒，曝光功率为400w，曝光完成后将晶片进行二次烘烤，温度为100℃，时间为100秒。
③显影，将完成步骤②的晶片进行显影操作，显影时间为70秒，显影液温度为60℃，并保持恒温，显影完成后将晶片进行第三次烘烤，温度为120℃，时间为120秒。
(3)制作电极结构
①同实施例1。
②蒸镀第一Cr层：腔室达到真空值要求后,进行Cr层蒸镀，通过膜厚仪控制速率为2埃/秒，厚度达到200埃，电子枪扫描覆盖整个蒸发源；冷却2min。
③蒸镀第一Al层：通过膜厚仪控制速率为8埃/秒,厚度达到800埃，电子枪扫描不开，冷却4min。
④蒸镀金属Ti层：电子枪扫描不开，速率为4埃/秒，厚度为300埃；
⑤蒸镀金属Au层：通过膜厚仪控制速率为8埃/秒,厚度达到4000埃，冷却10min。
⑥蒸镀第二Cr层：通过膜厚仪控制速率为2埃/秒,厚度达到200埃，电子枪扫描覆盖整个蒸发源，冷却2min。
⑦蒸镀第二Al层：通过膜厚仪控制速率为8埃/秒,厚度达到800埃，电子枪扫描不开，冷却至室温。
实施例4
改变烘烤的温度和时间，将α角度增大(即大于75°)。
(1)同实施例1。
(2)制作光刻电极图形
①涂胶：使用负向光刻胶在晶片表面进行涂胶步骤，涂胶厚度为15000埃，涂胶转速为2500rpm；将涂胶完成后的晶片进行初步烘干，温度130℃，时间为180秒。
②曝光：将完成步骤①的晶片进行曝光操作，曝光时间为5秒，曝光功率为300w，曝光完成后将晶片进行二次烘烤，温度为130℃，时间为180秒。
③显影，将完成步骤②的晶片进行显影操作，显影时间为60秒，显影液温度为55℃，并保持恒温，显影完成后将晶片进行第三次烘烤，温度为130℃，时间为180秒。
(3)制作电极结构
①同实施例1。
②蒸镀第一Cr层：腔室达到真空值要求后,进行Cr层蒸镀，通过膜厚仪控制速率为1.5埃/秒,厚度达到15埃，电子枪扫描覆盖整个蒸发源；冷却1.5min。
③蒸镀第一Al层：通过膜厚仪控制速率为6埃/秒,厚度达到700埃，电子枪扫描不开，冷却4min。
④蒸镀金属Ti层：电子枪扫描不开，速率为3.5埃/秒，厚度为380埃；
⑤蒸镀金属Au层：通过膜厚仪控制速率为7埃/秒,厚度达到3600埃，冷却10min。
⑥蒸镀第二Cr层：通过膜厚仪控制速率为1.5埃/秒,厚度达到15埃，电子枪扫描覆盖整个蒸发源，冷却1.5min。
⑦蒸镀第二Al层：通过膜厚仪控制速率为6埃/秒,厚度达到700埃，电子枪扫描不开，冷却至室温。
实施例5
本实施例采用传统Cr/Ti/Au电极结构。
(1)同实施例1。
(2)制作光刻电极图形
①涂胶：使用负向光刻胶在晶片表面进行涂胶步骤，涂胶厚度为25000埃，涂胶转速为2000rpm；将涂胶完成的晶片进行初步烘干，温度恒温控制在90℃，时间为90秒。
②曝光：将完成步骤①的晶片进行曝光操作，曝光时间为10秒，曝光功率为400w，曝光完成后将晶片进行二次烘烤，温度为90℃，时间为90秒。
③显影，将完成步骤②的晶片进行显影操作，显影时间为80秒，显影液温度为65℃，并保持恒温，显影完成后将晶片进行第三次烘烤，温度为90℃，时间为90秒。
(3)制作电极结构
①同实施例1。
②蒸镀金属Cr：腔室达到真空值要求后,进行Cr层蒸镀，通过膜厚仪控制速率为5埃/秒,厚度达到200埃，电子枪扫描覆盖整个蒸发源；冷却1min。
③蒸镀金属Ti：电子枪扫描不开，速率为3埃/秒，厚度为200埃；
④蒸镀金属Au：通过膜厚仪控制速率为5埃/秒,厚度达到15000埃，冷却至常温。
将上述各个实施例得到的电极进行焊线和推拉力测试验证，并进行封装测试亮度，得到结果如下面表1所示：
通过上述表1参数比，可知Cr层厚度过厚、电极图形倒角不合适、电极结构都对电极的焊线和亮度影响较大，通过本发明的制作方法，能够得到焊线良率较高且亮度较大的管芯。
Claims (10)
1.一种GaN基LED电极结构，自下至上依次包括衬底、n型GaN层、量子阱层和p型GaN层，p型GaN层上设置有ITO电流扩展层，n型GaN层上设置有台面，ITO电流扩展层上设置有P电极，n型GaN层的台面上设置有N电极；其特征是：P电极和N电极的结构是自下至上依次包括第一Cr层、第一Al层、Ti层、Au层、第二Cr层和第二Al层。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED电极结构，其特征是：所述第一Cr层、第一Al层、Ti层、Au层、第二Cr层和第二Al层中上层包覆下层。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED电极结构，其特征是：所述第一Cr层和第二Cr层的厚度为5-30埃。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED电极结构，其特征是：所述第一Al层和第二Al层的厚度为500-1000埃。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED电极结构，其特征是：所述Ti层的厚度为200-500埃。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED电极结构，其特征是：所述Au层的厚度为3000-5000埃。
7.一种权利要求1所述GaN基LED电极结构制作方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)在GaN基LED晶片的p型GaN层4上制作ITO薄膜层，作为ITO电流扩展层，自ITO薄膜层刻蚀到GaN基LED晶片的n型GaN层，在n型GaN层上形成台面；
(2)制作光刻电极图形，包括以下步骤：
①涂胶：使用负向光刻胶在晶片表面涂胶，涂胶厚度为10000埃-35000埃，涂胶转速为1600rpm-3000rpm；将涂胶后的晶片进行初步烘干，温度控制在70℃-120℃，时间为60-120秒；
②曝光：将完成步骤①的晶片进行曝光操作，曝光时间为5-25秒，曝光功率为200-500w，曝光完成后将晶片进行第二次烘烤，温度为70℃-120℃，时间为60-120秒；
③显影：将完成步骤②的晶片进行显影操作，显影时间为50-90秒，显影液温度为50-70℃，并保持恒温，显影完成后将晶片进行第三次烘烤(后烘)，温度为70℃-120℃，时间为60-120秒；
(3)制作电极结构，包括以下步骤：
①将完成步骤(2)的晶片放置在真空度至少为9.0E-6Torr的电子束蒸发台腔室内；
②蒸镀第一Cr层：蒸镀速率为0.5-3埃/秒，厚度为5-30埃，冷却1-3分钟；
③蒸镀第一Al层：蒸镀速率为5-10埃/秒，厚度达到500-1000埃，冷却3-5分钟；
④蒸镀Ti层：蒸镀速率为3-5埃/秒，厚度为200-500埃；
⑤蒸镀Au层：蒸镀速率为5-10埃/秒，厚度为3000-5000埃，冷却10分钟；
⑥蒸镀第二Cr层：蒸镀速率为0.5-3埃/秒，厚度为5-30埃，冷却1-3分钟；
⑦蒸镀第二Al层：蒸镀速率为5-10埃/秒，厚度达到500-1000埃，冷却至室温。
8.根据权利要求7所述的GaN基LED电极结构制作方法，其特征是，所述步骤(1)中ITO薄膜层的方块电阻低于30欧姆/口，透过率大于85％。
9.根据权利要求7所述的GaN基LED电极结构制作方法，其特征是，所述步骤(2)中制作的光刻电极图形中光刻胶倒角α为60°-75°。
10.根据权利要求7所述的GaN基LED电极结构制作方法，其特征是，所述步骤(2)的②中曝光时间为10-15秒。
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