CN118173677A - 红光垂直结构发光二极管的芯片结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及发光二极管技术领域，公开红光垂直结构发光二极管的芯片结构及其制备方法，该红光垂直结构发光二极管的芯片结构包括Si衬底、外延结构和电极结构；Si衬底上形成有金属层，外延结构包括依次堆叠在金属层上的N型欧姆接触层、DBR反射层、多量子阱层和P型GaP层；电极结构包括P电极和N电极，P电极形成于P型GaP层的表面，N电极形成于Si衬底的表面。本公开的红光垂直结构发光二极管的芯片结构，通过在外延结构中形成DBR反射层，相较于相关技术中采用的ODR反射层，制备工艺相对简单，且反射率优于现有结构的ODR反射层的反射率，满足当前红光发光二极管越来越高的高亮度需求。
Description
技术领域
本公开涉及发光二极管技术领域，具体地，涉及一种红光垂直结构发光二极管的芯片结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管，简称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。发光二极管可高效地将电能转化为光能，广泛应用在如数码指示、照明、户内外显示、安防等领域，具有节能、环保、寿命长、显色性与响应速度好等特点。
相关技术中，二极管中采用ODR（Omni Directional Reflector，简称ODR）反射层，其生长工艺复杂、繁琐，且无法满足越来越高的高亮度需求。
发明内容
本公开的目的是提供一种红光垂直结构发光二极管的芯片结构及其制备方法，该红光垂直结构发光二极管的芯片结构用以至少部分解决相关技术问题。
为了实现上述目的，本公开第一方面，提供一种红光垂直结构发光二极管的芯片结构，包括Si衬底、外延结构和电极结构；
所述Si衬底上形成有金属层，所述外延结构包括依次堆叠在所述金属层上的N型欧姆接触层、DBR反射层、多量子阱层和P型GaP层；
所述电极结构包括P电极和N电极，所述P电极形成于所述P型GaP层的表面，所述N电极形成于所述Si衬底的表面。
可选地，所述DBR反射层包括GaAs/AlGaAs叠层，且所述DBR反射层的反射率＞95%。
可选地，所述P电极为Cr/Ti/Al或者Cr/Ti/Au；厚度为1-3um；和/或
所述N电极为Ti/Au；厚度为0.1-0.2um。
本公开第二方面，还提供一种红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法，包括：
提供GaAs衬底，并在GaAs衬底上依次形成缓冲层、腐蚀停止层、N型欧姆接触层、DBR反射层、多量子阱层和P型GaP层，形成外延结构；
在所述外延结构的P型GaP层表面键合临时衬底；
将GaAs衬底、缓冲层和腐蚀停止层去除；
提供Si衬底，并将所述Si衬底与所述N型欧姆接触层键合；
将临时衬底去除；
在P型GaP层上形成P电极，在Si衬底上形成N电极。
可选地，所述在所述外延结构的P型GaP层表面键合临时衬底，包括：
在所述外延结构的P型GaP层表面形成SiO2层；
提供临时衬底；
使用键合机将所述临时衬底与所述SiO2层键合。
可选地，所述在所述外延结构的P型GaP层表面形成SiO2层，包括：
使用PECVD法生长SiO2层，且所述SiO2层的厚度为1-4um；和/或
所述临时衬底为玻璃基板。
可选地，所述提供Si衬底，并将所述Si衬底与所述N型欧姆接触层键合，包括：
在N型欧姆接触层表面蒸镀第一金属层，并形成欧姆接触；
在Si衬底表面蒸镀第二金属层；
将Si衬底与N型欧姆接触层通过第一金属层和第二金属层键合。
可选地，所述第一金属层为Au/AuGeNi/Au，厚度为0.3-0.8um；
所述第二金属层为Ni/Au、Ti/Au、Cr/Au或者Ti/Pt/Au；厚度为0.4-0.8um。
可选地，所述在P型GaP层上形成P电极，包括：
在P型GaP层表面形成ITO镀膜；
使用光刻工艺在ITO镀膜表面进行P电极光刻；
使用O2Plasma工艺处理光刻胶底膜；
使用金属镀膜机镀膜形成P电极。
可选地，所述在Si衬底上形成N电极，包括：
将Si衬底减薄至100-150um；
在减薄后的Si衬底的N面进行背金镀膜形成N电极。
通过上述技术方案，即本公开的红光垂直结构发光二极管的芯片结构，通过在反极性外延结构中形成DBR反射层，相较于相关技术中采用的ODR反射层，制备工艺相对简单，且反射率优于现有结构的ODR反射层的反射率，满足当前红光发光二极管越来越高的高亮度需求。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
图1是本公开一些实施例提供的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的结构示意图。
图2是本公开一些实施例提供的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法的流程图。
图3是本公开一些实施例提供的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备过程中外延结构的示意图。
图4是本公开一些实施例提供的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法中临时衬底键合的示意图。
图5是本公开一些实施例提供的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法中将GaAs衬底、缓冲层和腐蚀停止层去除后的示意图。
图6是本公开一些实施例提供的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法中在N型欧姆接触层表面蒸镀第一金属层、在Si衬底表面蒸镀第二金属层的示意图。
图7是本公开一些实施例提供的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法中Si衬底与N型欧姆接触层键合后的示意图。
图8是本公开一些实施例提供的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法中将临时衬底去除后的示意图。
图9是本公开一些实施例提供的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法中在P型GaP层上形成P电极的示意图。
001-GaAs衬底；002-缓冲层；003-腐蚀停止层；004-N型欧姆接触层；005-DBR反射层；006-多量子阱层；007-P型GaP层；008-SiO2层；009-玻璃基板；010-金属层；010a-第一金属层；010b-第二金属层；011-Si衬底；012-P电极；013-N电极。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指相对附图中的上、下、左、右；“内、外”是指相应部件轮廓的内和外；“远、近”是指相应结构或者相应部件远离或者靠近另一结构或者部件而言的。另外，本公开所使用的术语“第一”、“第二”等是为了区分一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。此外，在下面的描述中，当涉及到附图时，除非另有解释，不同的附图中相同的附图标记表示相同或相似的要素。上述定义仅用于解释和说明本公开，不应当理解为对本公开的限制。
相关技术中，红光户内、外显示的红光垂直结构发光二极管，目前均遇到电流扩展和亮度以及电压稳定平衡控制问题，应用端对产品亮度需求越来越高，产能尺寸需求越来越小，因此如何提升红光垂直结构发光二极管的亮度问题成为红光砷化镓系列LED芯片重要问题点，现有的反极性二极管通常采用ODR（Omni Directional Reflector，简称ODR）反射层，其生长工艺复杂、繁琐，且无法满足越来越高的高亮度需求。
本公开的目的是提供一种红光垂直结构发光二极管的芯片结构及其制备方法，该红光垂直结构发光二极管的芯片结构在传统反极性发光二极管外延层结构中使用DBR反射层，可在成本较低情况下，实现高亮度、高可靠性的红光垂直结构LED芯片新结构，用以至少部分解决上述相关技术问题。
为了实现上述目的，如图1所示，本公开的实施例提供一种红光垂直结构发光二极管的芯片结构，该红光垂直结构发光二极管的芯片结构包括Si衬底011、外延结构和电极结构；Si衬底011上形成有金属层010，外延结构形成于金属层010上，其中，外延结构包括依次堆叠在金属层010上的N型欧姆接触层004、DBR反射层005、多量子阱层006和P型GaP层007；电极结构包括P电极012和N电极013，P电极012形成于P型GaP层007的表面，N电极013形成于Si衬底011的表面。
通过上述技术方案，即本公开的红光垂直结构发光二极管的芯片结构，通过在反极性外延结构中形成DBR反射层005，相较于相关技术中采用的ODR反射层，制备工艺相对简单，且反射率优于现有结构的ODR反射层的反射率，满足当前红光发光二极管越来越高的高亮度需求。
其中，外延结构可以采用金属有机物气相沉积法（Metal Organic VaporChemical Deposition，MOCVD）生长以成形，即可以在GaAs衬底001上依次生长GaAs缓冲层002、GaInP腐蚀停止层003、GaAsN型欧姆接触层004、DBR反射层005和AlGaInP/GaInP的多量子阱层006和P型GaP层007。其中，P型GaP层007掺Mg，其厚度范围可以为0.5-3μm。
P电极012和N电极013可以采用相关技术中已知的结构和方法进行构建，需要说明的是，在一些实施例中，P电极012可以为Cr/Ti/Al或者Cr/Ti/Au，其可以采用金属镀膜机在P型GaP层007的P面镀膜Cr/Ti/Al或者Cr/Ti/Au生成，其厚度为1-3um。
其中，N电极013可以形成在Si衬底011经减薄后的N面，且N电极013可以为背金镀膜，使用Ti/Au，其厚度可以为0.1-0.2um。
DBR反射层005可以采用任意合适的结构进行构造，在一些实施例中，DBR反射层005可以包括GaAs/AlGaAs叠层，且DBR反射层005的反射率＞95%。
其中，在传统反极性发光二极管外延层结构中使用DBR反射层，DBR反射层005位于N型欧姆接触层004与多量子阱层006之间，并采用在欧姆接触层上生长GaAs/AlGaAs叠层以形成，其反射率＞95%，与RS芯片（即反极性二极管）现有结构的ODR层反射率相比，其反射率明显要高，能够解决目前反极性RS产品的高亮度需求。
如图2至图9所示，本公开的实施例还提供一种红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法，该方法包括步骤S100至步骤S600。
在步骤S100中，提供GaAs衬底001，并在GaAs衬底001上依次形成缓冲层002、腐蚀停止层003、N型欧姆接触层004、DBR反射层005、多量子阱层006和P型GaP层007，形成外延结构。
如图3所示，首先，提供一GaAs衬底001，然后可以采用金属有机物气相沉积法（Metal Organic Vapor Chemical Deposition，MOCVD）在GaAs衬底001上依次生长GaAs缓冲层002、GaInP腐蚀停止层003、GaAsN型欧姆接触层004、DBR反射层005和AlGaInP/GaInP的多量子阱层006和P型GaP层007。其中，P型GaP层007掺Mg，其厚度范围可以为0.5-3μm，以形成外延结构。
在步骤S200中，在外延结构的P型GaP层007表面键合临时衬底。
其中，可以采用任意合适的方式在P型GaP层007远离多量子阱层006的表面键合临时衬底，以完成衬底转移，方便进行后面的去除GaAs衬底001、缓冲层002和腐蚀停止层003的步骤。需要说明的是，这里的临时衬底可以为相关技术中能够实现与P型GaP层007键合的任意材质，包括但不限于玻璃基板009。
在步骤S300中，将GaAs衬底001、缓冲层002和腐蚀停止层003去除。
其中，在完成临时衬底键合以后，可以使用化学溶液将外延结构中的GaAs衬底001、GaAs缓冲层002和GaInP腐蚀停止层003腐蚀去除。
在步骤S400中，提供Si衬底011，并将Si衬底011与N型欧姆接触层004键合。
在步骤S500中，将临时衬底去除。
在步骤S600中，在P型GaP层007上形成P电极012，在Si衬底011上形成N电极013。
通过上述方法制备的红光垂直结构发光二极管的芯片结构中，在反极性外延结构中生长的DBR反射层005，代替了现有红光发光二极管在芯片ODR反射层的复杂生长工艺，同时其外延结构中生长的DBR反射层005反射率高与现有结构的ODR层反射率，以解决目前反极性RS产品的高亮度需求。
进一步地，该方法在红光垂直结构发光二极管的芯片结构中使用临时衬底转移工艺（即SiO2抛光直接键合工艺和临时衬底转移工艺），该工艺的引入实现了Si衬底011的红光垂直结构正极性芯片的生产方案；与传统反极性RS相比，该二极管具有RS芯片的Si基导热效果良好的特点，同时芯片结构层可靠性明显提升；另外，与传统正极性芯片AS相比，该芯片实现Si基衬底代替GaAs衬底001，避免了GaAs衬底001吸光严重的问题。
在一些实施例中，步骤S200，即在外延结构的P型GaP层007表面键合临时衬底步骤，包括：
在外延结构的P型GaP层007表面形成SiO2层008。
提供临时衬底。
使用键合机将临时衬底与SiO2层008键合。
其中，在外延结构的P型GaP层007表面形成SiO2层008的步骤包括：使用PECVD法生长SiO2层008，且SiO2层008厚度为1-4um。
如图4所示，外延结构在形成以后，进行清洗，并在清洗后在P型GaP表面使用PECVD法生长SiO2层008，厚度为1-4um，然后进行抛光处理，为后面的键合准备。
提供一临时衬底，该临时衬底可以为玻璃基板009，例如，可以为四寸玻璃基板009，并进行抛光处理。
最后，采用键合机把玻璃基板009与外延结构上的SiO2层008键合，完成临时衬底的键合。
在一些实施例中，步骤S400，即提供Si衬底011，并将Si衬底011与N型欧姆接触层004键合的步骤，包括：
在N型欧姆接触层004表面蒸镀第一金属层010a，并形成欧姆接触。
在Si衬底011表面蒸镀第二金属层010b。
将Si衬底011与N型欧姆接触层004通过第一金属层010a和第二金属层010b键合。
其中，第一金属层010a为Au/AuGeNi/Au，厚度为0.3-0.8um；第二金属层010b为Ni/Au、Ti/Au、Cr/Au或者Ti/Pt/Au；厚度为0.4-0.8um。
如图6所示，在外延片的N型欧姆接触层004的表面蒸镀第一金属层010a，即Au/AuGeNi/Au，厚度为0.3-0.8mm，然后进行退火形成欧姆接触。在Si衬底011的表面蒸镀第二金属层010b，例如Ni/Au、Ti/Au、Cr/Au或者Ti/Pt/Au等结构，厚度为0.4-0.8um。
如图7所示，然后使用键合机对外延片和Si衬底011进行键合。键合后的第一金属层010a和第二金属层010b形成红光垂直结构发光二极管的芯片结构的金属层010。
如图8所示，在上述的外延结构与Si衬底011完成键合以后，进行步骤S500，即将临时衬底去除。可以使用HF酸溶液浸泡剥离临时衬底，将P型GaP层007表面的SiO2和玻璃基板009去除。
在又一些实施例中，步骤S600中，即在P型GaP层007上形成P电极012，在Si衬底011上形成N电极013的步骤，包括：
在P型GaP层007表面形成ITO镀膜。
使用光刻工艺在ITO镀膜表面进行P电极012光刻。
使用O2Plasma工艺处理光刻胶底膜。
使用金属镀膜机镀膜形成P电极012。
如图9所示，该步骤中包括在P面ITO生长和P电极012的制作。其中，P面ITO生长包括：使用ITO镀膜机在P型GaP层007表面镀膜形成ITO镀膜，厚度为0.1-0.3um；P电极012制作包括：在ITO镀膜表面进行P电极012光刻，然后使用O2Plasma工艺处理光刻胶底膜，再将芯片使用金属镀膜机镀膜Cr/Ti/Al或者Cr/Ti/Au形成P电极012，其中，P电极012厚度可以为1-3um，再金属蓝膜撕膜和去光阻清洗，完成P电极012制作。
在又一些实施例中，步骤S600中，即在Si衬底011上形成N电极013的步骤，包括：
将Si衬底011减薄至100-150um。
在减薄后的Si衬底011的N面进行背金镀膜形成N电极013。
可以理解的是，这里的N电极013是指N电极或者形成N电极的导电层。
如图1所示，其中，Si衬底011的研磨减薄可以使用研磨机对N面Si衬底011减薄至100-150um，在减薄后的Si衬底011的N面进行背金镀膜形成N电极013在背金镀膜可以使用Ti/Au，厚度为0.1-0.2um。
需要说明的是，该方法还包括：切割：芯片（即上述步骤形成的结构）正面切割道使用激光表切机进行激光切割开槽40-50um，背面使用激光切割机进行开槽40-50um，然后使用裂片机进行裂片，最终得到红光垂直结构发光二极管的芯片结构，即红光新结构Si基垂直结构正装高电流扩展、高导热性LED芯片。
本公开的红光垂直结构发光二极管的芯片结构及其制备方法，通过在反极性外延结构中形成DBR反射层005，相较于相关技术中采用的ODR反射层，制备工艺相对简单，且反射率优于现有结构的ODR反射层的反射率，满足当前红光发光二极管越来越高的高亮度需求。
另外，该红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法在红光垂直结构发光二极管的芯片结构制备过程中使用临时衬底转移工艺（即SiO2层抛光直接键合工艺和临时衬底转移工艺），该工艺的引入实现了Si衬底011的红光垂直结构正极性芯片的生产方案；与传统反极性RS相比，该二极管具有RS芯片的Si基导热效果良好的特点，同时芯片结构层可靠性明显提升；另外，与传统正极性芯片AS相比，该芯片实现Si基衬底代替GaAs衬底001，避免了GaAs衬底001吸光严重的问题。
本公开实施例提供的红光垂直结构发光二极管的芯片结构，开发出一种全新的红光垂直LED芯片结构，为红光LED芯片性能提升增加了选择性和创新性，未来可满足更多的应用场景。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。
Claims (9)
1.一种红光垂直结构发光二极管的芯片结构，其特征在于，包括Si衬底（011）、外延结构和电极结构；
所述Si衬底（011）上形成有金属层（010），所述外延结构包括依次堆叠在所述金属层（010）上的N型欧姆接触层（004）、DBR反射层（005）、多量子阱层（006）和P型GaP层（007）；
所述电极结构包括P电极（012）和N电极（013），所述P电极（012）形成于所述P型GaP层（007）的表面，所述N电极（013）形成于所述Si衬底（011）的表面；
所述DBR反射层（005）包括GaAs/AlGaAs叠层，且所述DBR反射层（005）的反射率＞95%。
2.根据权利要求1所述的红光垂直结构发光二极管的芯片结构，其特征在于，所述P电极（012）为Cr/Ti/Al或者Cr/Ti/Au；厚度为1-3um；和/或
所述N电极（013）为Ti/Au；厚度为0.1-0.2um。
3.一种红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供GaAs衬底，并在GaAs衬底上依次形成缓冲层、腐蚀停止层、N型欧姆接触层、DBR反射层、多量子阱层和P型GaP层，形成外延结构；
在所述外延结构的P型GaP层表面键合临时衬底；
将GaAs衬底、缓冲层和腐蚀停止层去除；
提供Si衬底，并将所述Si衬底与所述N型欧姆接触层键合；
将临时衬底去除；
在P型GaP层上形成P电极，在Si衬底上形成N电极。
4.根据权利要求3所述的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法，其特征在于，所述在所述外延结构的P型GaP层表面键合临时衬底，包括：
在所述外延结构的P型GaP层表面形成SiO2层；
提供临时衬底；
使用键合机将所述临时衬底与所述SiO2层键合。
5. 根据权利要求4所述的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法，其特征在于，所述在所述外延结构的P型GaP层表面形成SiO2层，包括：
使用PECVD法生长SiO2层，且所述SiO2层的厚度为1-4um；和/或
所述临时衬底为玻璃基板。
6.根据权利要求3所述的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法，其特征在于，所述提供Si衬底，并将所述Si衬底与所述N型欧姆接触层键合，包括：
在N型欧姆接触层表面蒸镀第一金属层，并形成欧姆接触；
在Si衬底表面蒸镀第二金属层；
将Si衬底与N型欧姆接触层通过第一金属层和第二金属层键合。
7.根据权利要求6所述的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法，其特征在于，所述第一金属层为Au/AuGeNi/Au，厚度为0.3-0.8um；
所述第二金属层为Ni/Au、Ti/Au、Cr/Au或者Ti/Pt/Au；厚度为0.4-0.8um。
8.根据权利要求3所述的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法，其特征在于，所述在P型GaP层上形成P电极，包括：
在P型GaP层表面形成ITO镀膜；
使用光刻工艺在ITO镀膜表面进行P电极光刻；
使用O2 Plasma工艺处理光刻胶底膜；
使用金属镀膜机镀膜形成P电极。
9.根据权利要求3所述的红光垂直结构发光二极管的芯片结构的制备方法，其特征在于，所述在Si衬底上形成N电极，包括：
将Si衬底减薄至100-150um；
在减薄后的Si衬底的N面进行背金镀膜形成N电极。
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