CN115000275A - 一种深紫外led倒装芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深紫外LED倒装芯片及其制备方法，所述深紫外LED倒装芯片包括LED外延片及设置在所述LED外延片上的n欧姆接触电极(8)和p欧姆接触电极(9)，所述p欧姆接触电极(9)呈现多支平行且均匀分布的波浪形状，所述n欧姆接触电极(8)相应包围在所述p欧姆接触电极(9)的周围，并且所述p欧姆接触电极(9)的面积与所述n欧姆接触电极(8)的面积相差在10％以内。其一方面大大增强了电流的横向扩展能力，减小了倒装结构电流密集集中拥堵的现象，极大地降低了芯片的工作电压；另一方面使光功率获得了增强；再一方面，其属于低电压、高光功率的芯片，热稳定性高，寿命也相应得到了提升。
Description
技术领域
本发明属于半导体芯片制备技术领域，涉及一种LED(发光二极管)芯片及其制备方法，尤其涉及一种深紫外LED倒装芯片及其制备方法。
背景技术
近年来，随着全球LED行业技术的进步，LED发光波段已由可见光波段拓展到紫外、深紫外波段。深紫外LED具有光催化、医疗光线疗法、保健与空气净化、杀菌等作用。深紫外LED因具有快速杀菌、消毒的作用，迎来了广阔的市场前景。
目前，经过10多年的研究和发展，280nm以下的深紫外LED外量子效率已超过10％，对应发光功率大于5mW，寿命达5000h。然而与InGaN材料的蓝光LED接近60％的外量子效率相比，还是相差甚远。
目前深紫外LED芯片的电极制作通常使用倒装结构。倒装芯片结构由于P型GaN对深紫外光具有很强的吸收，同时在光从背面透出的过程中，由于深紫外LED外延片中内部接触层材料以及外延层结构相互之间的光吸收现象而导致发光效率低、亮度较低，并且n电极和 p电极位于外延片同侧，电流拥堵现象仍然存在，这会导致芯片散热性差、寿命低，外量子效率低，致使大部分电能转化为热能。
对于深紫外LED倒装芯片，为了提高芯片器件的光功率，通常做法是在芯片结构设计上采用减小n电极的面积，增加p电极的面积，使有源区的面积最大化，最终实现提高芯片器件的光功率的目的。但是，这样的结构使得n电极的面积为了配合增大的p电极的面积，不断降低或者说极限降低，从而使得p/n电极面积相差较大，往往导致电流密集集中拥堵，电流扩展能力较差，芯片的电压相对比较高；同时为了降低电压，通常又在n电极下方镀一层氧化硅绝缘介质当作电流阻挡层，这样虽然能够减小n电极下方的电流比例，在一定程度上增加电流的扩散性，但增加电流阻挡层也局限了制备工艺的形成，使芯片制作工艺增加，增加了生产成本。
因此，需要提供一种改进的深紫外LED芯片结构及其制备方法，以克服上述问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种深紫外LED倒装芯片及其制备方法，其能够提高光功率并降低电压。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种深紫外LED倒装芯片，其包括LED外延片及设置在所述LED外延片上的n欧姆接触电极和p欧姆接触电极，其特征在于，所述p欧姆接触电极呈现多支平行且均匀分布的波浪形状，所述n欧姆接触电极相应包围在所述p欧姆接触电极的周围，并且所述p欧姆接触电极的面积与所述n欧姆接触电极的面积相差在10％以内。
优选地，每支波浪形状的所述p欧姆接触电极都包括多个圆盘以及连接所述圆盘的长方体。
优选地，所述n型欧姆接触电极由Ti/Al/Ti/Au膜系制成且所述 Ti/Al/Ti/Au膜系的厚度为20/60/50/20nm。
优选地，所述p型欧姆接触电极由Ni/Au/Ti膜系制成且所述 Ni/Au/Ti膜系的厚度为10/200/20nm。
优选地，所述n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极上制作有电流扩展电极，所述电流扩展电极由Cr/Al/Ti/Au/Ti膜系制成且所述 Cr/Al/Ti/Au/Ti膜系的厚度为20/200/10/500/5nm。
优选地，所述电流扩展电极上制作有焊盘电极。
优选地，所述LED外延片包括衬底以及在所述衬底上依次形成的氮化铝模板层、超晶格应力缓冲层、n型AlGaN层、多量子肼结构层、电子阻挡层和P型GaN空穴传导层，且所述n欧姆接触电极设置在所述 n型AlGaN层上，所述p欧姆接触电极设置在所述P型GaN空穴传导层上。
此外，本发明还提供一种深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、在衬底上依次生长氮化铝模板层、超晶格应力缓冲层、n型 AlGaN层、多量子肼结构层、电子阻挡层和P型GaN空穴传导层，得到LED外延片；
2)、对部分所述LED外延片进行向下刻蚀，刻蚀至所述n型AlGaN 层，形成n电极台面，未刻蚀部分形成P电极台面；
3)、在所述n电极台面的表面上通过光刻与蒸镀的方法，制作n 欧姆接触电极；
4)、在所述P电极台面的表面上通过光刻与蒸镀的方法，制作p 欧姆接触电极；其中，所述p欧姆接触电极呈现多支平行且均匀分布的波浪形状，所述n欧姆接触电极相应包围在所述p欧姆接触电极的周围，并且所述p欧姆接触电极的面积与所述n欧姆接触电极的面积相差在10％以内；
5)、通过光刻与蒸镀工艺在所述n欧姆接触电极和p欧姆接触电极上制作电流扩展电极；
6)、通过沉积、光刻、刻蚀工艺制作钝化层；
7)、在所述钝化层上形成与所述电流扩展电极相对的通孔并在所述通孔中蒸镀与所述电流扩展电极相连的焊盘电极。
优选地，在得到所述n欧姆接触电极之后，使所述n欧姆接触电极在N2氛围下进行高温退火，其中，退火温度为900℃，退火时间为30s。
优选地，在得到所述p欧姆接触电极之后，使所述p欧姆接触电极在N2或者空气氛围下进行退火，其中，退火温度为550℃，退火时间为180s。
与现有技术相比，本发明的深紫外LED倒装芯片及其制备方法具有如下有益技术效果中的一者或多者：
1、其p欧姆接触电极采用多支平行且均匀分布的波浪形状，此特殊结构的P欧姆接触电极由于深紫外光的横向传播，独立多支路均匀的电流疏导，使得电流注入效率提高，进而使得光功率增强，同时P 欧姆接触电极的多支路的波浪式均匀排布，使得其侧壁周长增加，从而使芯片侧壁光功率增强；
2、其n欧姆接触电极相应包围在p欧姆接触电极的周围，并且n 欧姆接触电极的面积与p欧姆接触电极的面积相差在10％以内，此特殊结构的n欧姆接触电极，由于n/p欧姆接触电极的欧姆接触面积相当，大大增强了电流的横向扩展能力，减小了倒装结构电流密集集中拥堵的现象，极大地降低了芯片的工作电压；
3、其属于低电压、高光功率的芯片器件，从而使得热稳定性获得了提高，寿命也相应得到了提升；
4、本发明涉及到的工艺均为常规工艺，易于实现。
附图说明
图1是本发明的深紫外LED倒装芯片的LED外延片的结构示意图。
图2是本发明的深紫外LED倒装芯片的n欧姆接触电极的平面结构示意图。
图3是本发明的深紫外LED倒装芯片的p欧姆接触电极的平面结构示意图。
图4是本发明的深紫外LED倒装芯片的n欧姆接触电极和p欧姆接触电极配合后的平面结构示意图。
图5是现有技术的深紫外LED倒装芯片的n欧姆接触电极和p 欧姆接触电极配合后的平面结构示意图。
图6是本发明的深紫外LED倒装芯片的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。
针对目前深紫外LED倒装芯片存在的工作电压高、外量子效率低的问题，本发明采用新的芯片结构设计。其中，p欧姆接触电极采用多支平行且均匀分布的波浪形状，同时n欧姆接触电极相应包围在p 欧姆接触电极的周围，并且p欧姆接触电极的面积与n欧姆接触电极的面积相差在10％以内。这样的结构设计，一方面由于n/p欧姆接触电极的欧姆接触面积相当，大大增强了电流的横向扩展能力，减小了倒装结构电流密集集中拥堵的现象，极大地降低了芯片的工作电压；另一方面由于深紫外光的横向传播，多支路均匀的电流疏导，电流注入效率得到了提高，进而光功率得到了增强，同时P欧姆接触电极多支路的波浪式的均匀排布，使侧壁周长获得了增加，从而使芯片侧壁光功率得到了增强；再一方面其属于低电压、高光功率的芯片器件，热稳定性获得了提高，寿命也相应得到了提升。
与现有技术类似，本发明的深紫外LED倒装芯片也包括LED外延片及设置在所述LED外延片上的n欧姆接触电极8和p欧姆接触电极9。
其中，如图1所示，所述LED外延片与现有的LED外延片类似，包括衬底1以及在所述衬底1上依次形成的氮化铝模板层2、超晶格应力缓冲层3、n型AlGaN层4、多量子肼结构层5、电子阻挡层6和P型GaN 空穴传导层7。
所述超晶格应力缓冲层3可以由AlN或AlGaN制成。所述电子阻挡层6可以是p-AlGaN层。
所述n欧姆接触电极8设置在所述n型AlGaN层4上。并且，所述p 欧姆接触电极9设置在所述P型GaN空穴传导层7上。
与现有技术不同的是，在本发明中，如图3所示，所述p欧姆接触电极9呈现多支平行且均匀分布的波浪形状。也就是，所述p欧姆接触电极9分成了多支，每支的结构相同且都呈波浪形状，同时，多支之间彼此平行且均匀间隔开。
优选地，每支波浪形状的所述p欧姆接触电极9都包括多个圆盘以及连接所述圆盘的长方体。
此特殊结构的所述P欧姆接触电极9由于深紫外光的横向传播，独立多支路均匀的电流疏导，使得电流注入效率获得了提高，进而使光功率获得了增强。同时，所述P欧姆接触电极9的多支路的波浪形状的均匀排布，使其侧壁周长获得了增加，从而使芯片侧壁光功率获得了增强。
同时，如图2所示，所述n欧姆接触电极8具有与所述p欧姆接触电极9相应的形状。也就是，所述n欧姆接触电极8中具有多支平行且均匀分布的波浪形状的缺口，以便于容纳所述p欧姆接触电极9。
具体地，如图4所示，所述n欧姆接触电极8相应包围在所述p欧姆接触电极9的周围。也就是，所述n欧姆接触电极8也分成了多支，且分别包围在每支所述p欧姆接触电极的周围。
并且，在本发明中，所述p欧姆接触电极9的面积与所述n欧姆接触电极8的面积相差在10％以内。
此特殊结构的所述n欧姆接触电极8，由于n/p欧姆接触电极的欧姆接触面积相当，大大增强了电流的横向扩展能力，减小了倒装结构电流密集集中拥堵的现象，极大地降低了芯片的工作电压。并且，此特殊结构的欧姆接触电极是形成低电压、高光功率的芯片的基础，使芯片热稳定性获得了提高，寿命也相应得到了提升。
优选地，所述n型欧姆接触电极8由Ti/Al/Ti/Au膜系制成且所述Ti/Al/Ti/Au膜系的厚度为20/60/50/20nm。也就是，底层Ti膜的厚度为20nm，Al膜的厚度为60nm，中间Ti膜的厚度为50nm，Au 膜的厚度为20nm。
更优选地，所述p型欧姆接触电极9由Ni/Au/Ti膜系制成且所述Ni/Au/Ti膜系的厚度为10/200/20nm。也就是，Ni膜的厚度为10nm， Au膜的厚度为200nm，Ti膜的厚度为20nm。
此外，与现有技术类似，所述n型欧姆接触电极8和p型欧姆接触电极9上都制作有一个电流扩展电极。
而且，所述电流扩展电极由高反射金属体系蒸镀而成。例如，所述电流扩展电极由Cr/Al/Ti/Au/Ti膜系制成，也就是，由Cr膜、Al膜、中间Ti膜、Au膜和顶层Ti膜叠加而成。
优选地，所述Cr/Al/Ti/Au/Ti膜系的厚度为20/200/10/500/5nm。
其中，Cr金属的粘附性好，电导率较好，利于电流输送，并且蒸发Cr对真空度要求较低，高纯度Cr源容易找到。在本发明中，使得Cr膜的厚度为20nm。
Al金属在深紫外波段的反射率在60％-70％，比较高，同时Al的成本很低，Al起到反射电极的作用。在本发明中，Al膜的厚度为200nm。
Ti金属的电阻率较高，所以Ti膜不宜过厚。在本发明中，中间 Ti膜的厚度为10nm。
Au金属作为保护层，在空气中的稳定性良好。在本发明中，Au 膜的厚度为500nm。
由于Au与SiO2的亲润性较差，深紫外LED倒装芯片工艺一般需要在电极上进行SiO2钝化保护，SiO2保护层超过500nm时，往往沉积在Au层上时会出现裂纹，失去钝化意义，使深紫外LED倒装芯片漏电良率降低。因此，在Au层上需要一种在空气中稳定又与SiO2的亲润性很好的金属Ti。在本发明中，顶层Ti膜的厚度5nm即可。
并且，每个所述电流扩展电极上都制作有一个焊盘电极。通过所述焊盘电极便于连接外部电源，从而便于给其进行供电，以便于其进行发光。
最后，两个所述焊盘电极之间、两个所述电流扩展电极之间以及所述n欧姆接触电极8和p欧姆接触电极9之间都设有钝化层。所述钝化层能够避免两个所述焊盘电极之间、两个所述电流扩展电极之间以及所述n欧姆接触电极8和p欧姆接触电极9之间接触而造成漏电，从而能够起到保护作用。
优选地，所述钝化层为SiO2钝化层。
图4所示的本发明的上述结构的深紫外LED倒装芯片，其p欧姆接触电极9和n欧姆接触电极8的面积相差仅为7.22％。与图5所示的由现有n欧姆接触电极10和现有p欧姆接触电极11所形成的原芯片结构相比，对于20mil*20mil的芯片，在100mA电流驱动下，各项数据如下表所示。其中，工作电压降低了0.35V，光功率提高了 26％，168h寿命维持率认为100％。
注：该表中，p mm2表示p欧姆接触电极的面积，单位为mm2；n mm2表示 n欧姆接触电极的面积，单位为mm2；p/n面积相差百分比表示p欧姆接触电极和n欧姆接触电极的面积相差的百分比。
下面描述本发明的深紫外LED倒装芯片的制备方法，以便于本领域技术人员能够根据本发明的描述，制备出所述深紫外LED倒装芯片。
图6示出了本发明的深紫外LED倒装芯片的制备方法的流程图。
如图6所示，本发明的深紫外LED倒装芯片的制备方法包括以下步骤：
一、制备LED外延片。
与现有技术类似，在制备LED外延片时，需要提供衬底1并在所述衬底1上依次生长氮化铝模板层2、超晶格应力缓冲层3、n型AlGaN 层4、多量子肼结构层5、电子阻挡层6和P型GaN空穴传导层7。
二、制备n电极台面和p电极台面。
其中，在制备n电极台面和p电极台面之前，可以先对制备的LED 外延片进行清洗，以便于去除所述LED外延片上的杂质。
在清洗时，可以使用无机溶剂、有机溶剂(例如硫酸/双氧水混合溶液、异丙醇溶液)等进行清洗。
在制备n电极台面和p电极台面时，可以采用光刻与干法刻蚀等方法对部分所述LED外延片从上到下进行刻蚀。其中，在刻蚀时，需要刻蚀至所述n型AlGaN层4，也就是，需要蚀刻掉所述P型空穴传导层7、电子阻挡层6和多量子肼结构层5，直到暴露出所述n型AlGaN层4，从而形成n电极台面。
需要说明的是，根据需要，在刻蚀时，可以只刻蚀至所述n型AlGaN层4的表面即可，也可以将所述n型AlGaN层4刻蚀掉一部分，只剩余部分厚度的所述n型AlGaN层4。
根据所述LED外延片中各层的厚度，优选地，在对所述LED外延片进行蚀刻时，刻蚀深度为500-800nm。更优选地，刻蚀深度为600nm。
同时，未刻蚀部分，形成p电极台面。
在本发明中，通过刻蚀，形成的n电极台面类似于图2中的黑色部分所示的形状。并且，未刻蚀的所述p电极台面类似于图2中的白色部分所示的形状。
三、制备n欧姆接触电极8。
在本发明中，可以通过光刻与蒸镀工艺在暴露的n型AlGaN层4上，也就是，n电极台面上制备n欧姆接触电极8。
优选地，所述n电极8由金属体系Ti/Al/Ti/Au蒸镀而成，且底层Ti 膜的厚度为20nm，Al膜的厚度为60nm，中间Ti膜的厚度为50nm，Au 膜的厚度为20nm。
更优选地，在得到所述n欧姆接触电极8之后，使所述n欧姆接触电极8在N2氛围下进行高温退火。其中，退火温度为900℃，退火时间为30s。
其中，制备的n欧姆接触电极8的形状如图2中的黑色部分所示。
四、制备p欧姆电极9。
在本发明中，可以通过光刻与蒸镀工艺在所述P型GaN空穴传导层7上，也就是，所述p电极平台上制得p欧姆接触电极9。
其中，制得的所述p欧姆接触电极9如图3中的黑色部分所示。
这样，如图4所示，所述p欧姆接触电极9呈现多支平行且均匀分布的波浪形状。所述n欧姆接触电极8相应包围在所述p欧姆接触电极 9的周围，并且所述p欧姆接触电极9的面积与所述n欧姆接触电极8的面积相差在10％以内。
优选地，所述p欧姆接触电极9由金属体系Ni/Au/Ti蒸镀而成，且 Ni膜的厚度为10nm，Au膜的厚度为200nm，Ti膜的厚度为20nm。
更优选地，在得到所述p欧姆接触电极9之后，使所述p电极9在 N2或者空气氛围下进行退火。其中，退火温度为550℃，退火时间为 180s。
五、制备电流扩展电极。
在本发明中，可以通过光刻与蒸镀工艺在所述n欧姆接触电极8 和p欧姆接触电极9上分别制作一个电流扩展电极。
其中，所述电流扩展电极由高反射金属体系蒸镀而成，例如，由金属体系Cr/Al/Ti/Au/Ti蒸镀而成，也就是，由Cr膜、Al膜、中间 Ti膜、Au膜和顶层Ti膜叠加而成。
六、制备钝化层。
也就是，在制备了所述电流扩展电极之后，通过沉积、光刻、刻蚀工艺制作出钝化层。
优选地，所述钝化层是氧化硅层。通过制备所述钝化层，能够避免两个所述焊盘电极之间、两个所述电流扩展电极之间以及所述n欧姆接触电极8和p欧姆接触电极9之间接触而造成漏电，从而能够起到保护作用。
七、制备焊盘电极。
可以采用光刻与干法刻蚀等方法在所述钝化层上形成分别与两个所述电流扩展电极相对的两个通孔。然后，通过蒸镀工艺在所述通孔中分别蒸镀与所述电流扩展电极相连的焊盘电极。
制备了所述焊盘电极之后，完成了本发明的深紫外LED倒装芯片的制备过程。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制。本领域的技术人员，依据本发明的思想，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种深紫外LED倒装芯片，其包括LED外延片及设置在所述LED外延片上的n欧姆接触电极(8)和p欧姆接触电极(9)，其特征在于，所述p欧姆接触电极(9)呈现多支平行且均匀分布的波浪形状，所述n欧姆接触电极(8)相应包围在所述p欧姆接触电极(9)的周围，并且所述p欧姆接触电极(9)的面积与所述n欧姆接触电极(8)的面积相差在10％以内。
2.根据权利要求1所述的深紫外LED倒装芯片，其特征在于，每支波浪形状的所述p欧姆接触电极(9)都包括多个圆盘以及连接所述圆盘的长方体。
3.根据权利要求1所述的深紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述n型欧姆接触电极(8)由Ti/Al/Ti/Au膜系制成且所述Ti/Al/Ti/Au膜系的厚度为20/60/50/20nm。
4.根据权利要求1所述的深紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述p型欧姆接触电极(9)由Ni/Au/Ti膜系制成且所述Ni/Au/Ti膜系的厚度为10/200/20nm。
5.根据权利要求1所述的深紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述n型欧姆接触电极(8)和p型欧姆接触电极(9)上分别制作有一个电流扩展电极，所述电流扩展电极由Cr/Al/Ti/Au/Ti膜系制成且所述Cr/Al/Ti/Au/Ti膜系的厚度为20/200/10/500/5nm。
6.根据权利要求5所述的深紫外LED倒装芯片，其特征在于，每个所述电流扩展电极上都制作有一个焊盘电极。
7.根据权利要求1所述的深紫外LED倒装芯片，其特征在于，所述LED外延片包括衬底(1)以及在所述衬底(1)上依次形成的氮化铝模板层(2)、超晶格应力缓冲层(3)、n型AlGaN层(4)、多量子肼结构层(5)、电子阻挡层(6)和P型GaN空穴传导层(7)，所述n欧姆接触电极(8)设置在所述n型AlGaN层(4)上，所述p欧姆接触电极(9)设置在所述P型GaN空穴传导层(7)上。
8.一种深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、在衬底(1)上依次生长氮化铝模板层(2)、超晶格应力缓冲层(3)、n型AlGaN层(4)、多量子肼结构层(5)、电子阻挡层(6)和P型GaN空穴传导层(7)，得到LED外延片；
2)、对部分所述LED外延片进行向下刻蚀，刻蚀至所述n型AlGaN层(4)，形成n电极台面，未刻蚀部分形成P电极台面；
3)、在所述n电极台面的表面上通过光刻与蒸镀的方法，制作n欧姆接触电极(8)；
4)、在所述P电极台面的表面上通过光刻与蒸镀的方法，制作p欧姆接触电极(9)；其中，所述p欧姆接触电极(9)呈现多支平行且均匀分布的波浪形状，所述n欧姆接触电极(8)相应包围在所述p欧姆接触电极(9)的周围，并且所述p欧姆接触电极(9)的面积与所述n欧姆接触电极(8)的面积相差在10％以内；
5)、通过光刻与蒸镀工艺在所述n欧姆接触电极(8)和p欧姆接触电极(9)上分别制作一个电流扩展电极；
6)、通过沉积、光刻、刻蚀工艺制作钝化层；
7)、在所述钝化层上形成分别与所述电流扩展电极相对的通孔并在所述通孔中蒸镀与所述电流扩展电极相连的焊盘电极。
9.根据权利要8所述的深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于，在得到所述n欧姆接触电极(8)之后，使所述n欧姆接触电极(8)在N2氛围下进行高温退火，其中，退火温度为900℃，退火时间为30s。
10.根据权利要求8所述的深紫外LED倒装芯片的制备方法，其特征在于，在得到所述p欧姆接触电极(9)之后，使所述p欧姆接触电极(9)在N2或者空气氛围下进行退火，其中，退火温度为550℃，退火时间为180s。
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|---|---|---|---|
| CN202210786457.4A CN115000275A (zh) | 2022-07-04 | 2022-07-04 | 一种深紫外led倒装芯片及其制备方法 |
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| CN (1) | CN115000275A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024113477A1 (zh) * | 2022-11-30 | 2024-06-06 | 华引芯（武汉）科技有限公司 | 一种发光元件及其制备方法 |
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2022
- 2022-07-04 CN CN202210786457.4A patent/CN115000275A/zh active Pending
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