一種高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，該芯片為單電極結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括散熱基板、高反射P型歐姆接觸層和外延層，其中：高反射P型歐姆接觸層由下至上依次包括防氧化層、阻擋層、金屬反射層和歐姆接觸層，外延層由下至上依次包括P型層、多量子阱層和N型層，N型層上制作有N電極。本發(fā)明還公開了一種制備高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的方法。本發(fā)明制作的芯片能夠有效增加光輸出，改善芯片的散熱能力，提供穩(wěn)定的光輸出功率，實(shí)現(xiàn)高流明效率的應(yīng)用。
【專利說明】一種高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光器件的設(shè)計(jì)，尤其是一種高反射率P型歐姆接觸的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]以氮化鎵基發(fā)光二極管(LED)為代表的新型半導(dǎo)體光源被稱作第四代照明光源或綠色光源。與傳統(tǒng)光源相比，它因?yàn)榫哂泄庑Ц?、?jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而備受矚目。一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)紛紛制定了半導(dǎo)體照明發(fā)展計(jì)劃，以期實(shí)現(xiàn)LED光源完全取代傳統(tǒng)光源，引發(fā)照明產(chǎn)業(yè)的新革命。隨著LED照明技術(shù)的不斷改進(jìn)和LED產(chǎn)業(yè)化的不斷推進(jìn)，半導(dǎo)體LED照明取代傳統(tǒng)照明是大勢(shì)所趨。因此，半導(dǎo)體照明被公認(rèn)為是本世紀(jì)最具發(fā)展前景的高新【技術(shù)領(lǐng)域】之一。
[0003]GaN基LED芯片有兩種基本結(jié)構(gòu),橫向結(jié)構(gòu)(Lateral)和垂直結(jié)構(gòu)(Vertical)。考慮到成本和技術(shù)的因素，目前LED芯片均在藍(lán)寶石襯底上制備，但由于藍(lán)寶石襯底的絕緣特性，傳統(tǒng)的LED芯片結(jié)構(gòu)都采用橫向設(shè)計(jì)，即P型和N型電極橫向分布在芯片的同一側(cè)。而這種結(jié)構(gòu)存在著一些致命的缺陷，例如散熱能力差影響芯片壽命和可靠性、電流分布不均勻?qū)е聯(lián)頂D效應(yīng)、光提取效率低影響LED出光功率等，導(dǎo)致傳統(tǒng)的LED性價(jià)比過低，無法大規(guī)模進(jìn)入普通照明領(lǐng)域。市場(chǎng)迫切需要快速提高LED性價(jià)比的方案，而提高LED性價(jià)比主要通過提高LED的發(fā)光效率和降低生產(chǎn)成本來實(shí)現(xiàn)。但是，目前效率提升及成本下降的速度，還遠(yuǎn)達(dá)不到市場(chǎng)對(duì)LED性價(jià)比的期待。
[0004]垂直結(jié)構(gòu)可以有效解決橫向結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED采用高熱導(dǎo)率的襯底(如S1、Ge、Cu等)取代藍(lán)寶石襯底，在很大程度上提高了散熱能力；垂直結(jié)構(gòu)芯片的兩個(gè)電極分別在LED外延層的兩側(cè)，通過圖形化的N電極，使得電流幾乎全部垂直流過LED外延層，橫向流動(dòng)的電流極少，可以避免電流擁擠，提高發(fā)光效率，同時(shí)也解決了 P型電極的遮光問題，提升LED的發(fā)光面積。垂直結(jié)構(gòu)的LED能夠保證在一定的發(fā)光效率的前提下，采用較大的電流去驅(qū)動(dòng)，這樣一個(gè)垂直結(jié)構(gòu)LED芯片就相當(dāng)于幾個(gè)橫向結(jié)構(gòu)的芯片，成本下降為原來的幾分之一。因此，垂直結(jié)構(gòu)的LED是半導(dǎo)體照明發(fā)展的必然趨勢(shì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有高反射歐姆接觸電極的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸性能的同時(shí)又得到高出光效率。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，該芯片為單電極結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括散熱基板、高反射P型歐姆接觸層和外延層，其中:高反射P型歐姆接觸層由下至上依次包括防氧化層、阻擋層、金屬反射層和歐姆接觸層，外延層由下至上依次包括P型層、多量子阱層和N型層，N型層上制作有N電極。
[0009]上述方案中，所述散熱基板采用的材料為金屬N1、Cu中的一種或兩種，其厚度為60 μ m-100 μ m。
[0010]上述方案中，所述防氧化層采用的材料為金屬Au、Ni/Au、Pt/Au或Pd/Au中的一種，其厚度為500nm-2000nm。
[0011 ] 上述方案中，所述阻擋層采用的材料為金屬N1、T1、Mg或T1-Mg合金中的一種，其厚度為 500nm-1000nm。
[0012]上述方案中，所述金屬反射層米用的材料為金屬Ag、Al、Rh或Pd中的一種，其厚度為 50nm-500nmo
[0013]上述方案中，所述歐姆接觸層采用的材料為金屬N1、Ni_Zn合金或Ru中的一種，其厚度為 0.lnm_20nm。
[0014]上述方案中，所述外延層采用的材料是氮化鎵。
[0015]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的制備方法，包括:
[0016]選擇襯底，在襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、N型層、多量子阱層和P型層，形成外延層；
[0017]對(duì)外延層進(jìn)行光刻腐蝕，并沉積鈍化層；
[0018]在鈍化層上依次蒸鍍歐姆接觸層、金屬反射層、阻擋層和防氧化層，并退火形成高反射P型歐姆接觸層；
[0019]在高反射P型歐姆接觸層上電鍍制作散熱基板；
[0020]移除襯底和緩沖層；
[0021]在N型層上制作N電極，得到含有多個(gè)單電極芯片的圓片；
[0022]對(duì)圓片進(jìn)行測(cè)試、劃片和分選。
[0023]上述方案中，所述襯底采用的材料為硅、藍(lán)寶石、碳化硅或氮化鋁中的一種。
[0024]上述方案中，所述退火形成高反射P型歐姆接觸層的步驟中，退火溫度在200°C?1000°C之間，退火時(shí)間I分鐘-10分鐘，退火氣氛包括下列氣氛的至少一種:n2，o2，大氣，真空以及惰性氣體。
[0025]上述方案中，所述在高反射P型歐姆接觸層上電鍍制作散熱基板的步驟中，電鍍溫度為 25°C -65°C，電流密度為 2A/cm2-10A/cm2，PH 值為 4.0-4.5。
[0026]上述方案中，所述移除襯底和緩沖層的步驟中，移除襯底采用激光剝離、濕法腐蝕或者機(jī)械研磨方法中的一種或者幾種，移除緩沖層采用200°C磷酸溶液浸泡30秒-120秒。
[0027](三)有益效果
[0028]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0029]1、本發(fā)明提供的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，由于采用高反射率的P型歐姆接觸層，因此既能實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸性能，又能夠?qū)崿F(xiàn)極高的光反射效率，器件可以實(shí)現(xiàn)高流明效率。
[0030]2、本發(fā)明提供的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的制備方法，是在傳統(tǒng)制作工藝的條件下，增加了對(duì)刻蝕側(cè)壁制作鈍化層保護(hù)，通過P型金屬接觸層反射，增加了光反射效率，減少了光在器件內(nèi)的損耗，高熱導(dǎo)率的散熱基板提供了熱沉的通道，使大電流下能夠提供穩(wěn)定的光輸出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和效果，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，其中:
[0032]圖1是本發(fā)明提供的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2-圖4為本發(fā)明提供的制備高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的工藝流程圖，其中:
[0034]圖2是本發(fā)明的具有高反射P型歐姆接觸的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片在外延晶圓上經(jīng)過平臺(tái)建立和蒸鍍高反射P型歐姆接觸的晶圓剖面圖；
[0035]圖3是本發(fā)明的具有高反射P型歐姆接觸的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片電鍍金屬基板后的剖面圖；
[0036]圖4是本發(fā)明的具有高反射P型歐姆接觸的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片完成芯片制作，未進(jìn)行切割的晶圓剖面圖。

【具體實(shí)施方式】
[0037]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0038]本發(fā)明提供了一種高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片及其制備方法，該芯片為單電極結(jié)構(gòu)，包含高反射P型歐姆接觸層，高熱導(dǎo)率的散熱基板，極大的提高出光效率，改善器件的散熱能力。
[0039]如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，該芯片為單電極結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括散熱基板11、高反射P型歐姆接觸層和外延層，其中:高反射P型歐姆接觸層由下至上依次包括防氧化層10、阻擋層9、金屬反射層8和歐姆接觸層7，外延層由下至上依次包括P型層5、多量子阱層4和N型層3，防氧化層10形成于散熱基板11之上，P型層5形成于歐姆接觸層7之上，N型層3上制作有N電極12。
[0040]其中，散熱基板11采用的材料為金屬N1、Cu中的一種或兩種，其厚度為60 μ m-100 μ m。防氧化層10采用的材料為金屬Au、Ni/Au、Pt/Au或Pd/Au中的一種,其厚度為500nm-2000nm。阻擋層9采用的材料為金屬N1、T1、Mg或T1-Mg合金中的一種，其厚度為500nm-1000nm。金屬反射層8采用的材料為金屬Ag、Al、Rh或Pd中的一種，其厚度為50nm-500nm。歐姆接觸層7采用的材料為金屬N1、Ni_Zn合金或Ru中的一種，其厚度為0.lnm-20nm。外延層采用的材料是氮化鎵。
[0041]本發(fā)明提供的高發(fā)射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管芯片，由于采用高熱導(dǎo)率的金屬基板和高反射率的P型歐姆接觸層，因此有很強(qiáng)的散熱能力以及良好的歐姆接觸性能和極高的光反射效率，器件可以實(shí)現(xiàn)高流明效率。
[0042]基于圖1所示的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明還提供了一種高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的制備方法，包括以下步驟:
[0043]步驟1:選擇襯底，在襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、N型層、多量子阱層和P型層，形成外延層；
[0044]步驟2:對(duì)外延層進(jìn)行光刻腐蝕，并沉積鈍化層；
[0045]步驟3:在鈍化層上依次蒸鍍歐姆接觸層、金屬反射層、阻擋層和防氧化層，并退火形成高反射P型歐姆接觸層；
[0046]步驟4:在高反射P型歐姆接觸層上電鍍制作散熱基板；
[0047]步驟5:移除襯底和緩沖層；
[0048]步驟6:在N型層上制作N電極，得到含有多個(gè)單電極芯片的圓片；
[0049]步驟7:對(duì)圓片進(jìn)行測(cè)試、劃片和分選。
[0050]步驟I中所述襯底一般采用的材料為硅、藍(lán)寶石、碳化硅或氮化鋁中的一種。步驟3中所述退火形成高反射P型歐姆接觸層，退火溫度在200°C?1000°C之間，退火時(shí)間I分鐘-10分鐘，退火氣氛包括下列氣氛的至少一種:N2, O2，大氣，真空以及惰性氣體。步驟4中所述在高反射P型歐姆接觸層上電鍍制作散熱基板，電鍍溫度為25°C _65°C，電流密度為2A/Cm2-10A/Cm2，PH值為4.0-4.5。步驟5中所述移除襯底和緩沖層，移除襯底采用激光剝離、濕法腐蝕或者機(jī)械研磨方法中的一種或者幾種，移除緩沖層采用200°C磷酸溶液浸泡30 秒-120 秒。
[0051]本發(fā)明的制作的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，采用退火形成高反射P型歐姆接觸層，不僅實(shí)現(xiàn)高反射率和良好歐姆接觸，并且能跟后續(xù)的電鍍工藝相銜接；采用電鍍制備金屬基板，工藝簡(jiǎn)單并且可以避免晶圓鍵合技術(shù)產(chǎn)生的熱應(yīng)力和良率問題。從而能夠有效增加光輸出，改善芯片的散熱能力，提供穩(wěn)定的光輸出功率，實(shí)現(xiàn)高流明效率的應(yīng)用。
[0052]實(shí)施例1
[0053]本發(fā)明實(shí)施例1垂直結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管芯片制備方法如下:
[0054]I)在藍(lán)寶石襯底I上外延，依次生長(zhǎng)緩沖層2，N型層3，多量子阱層4，P型層5，然后將晶片在700°C、N2氣氛下退火20分鐘；
[0055]2)通過光刻，干法刻蝕直到襯底，刻蝕深度在7 μ m左右，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)獨(dú)立；
[0056]3)沉積2 μ m鈍化層6保護(hù)刻蝕側(cè)壁，鈍化層6采用二氧化硅；
[0057]4)蒸鍍高反射P型歐姆接觸層，包括:歐姆接觸層7 (Ni)、反射層8 (Ag)、阻擋層9 (Ni)和防氧化層10 (Au)；
[0058]5) 500°C在O2氣氛下對(duì)高反射P型歐姆接觸層進(jìn)行退火處理；
[0059]6)電鍍金屬Ni基板11 ；
[0060]7)激光剝離藍(lán)寶石沉底1，露出緩沖層2 ；
[0061]8)使用200°C磷酸刻蝕緩沖層2 ；
[0062]9)蒸鍍金屬(Cr/Au)到基板上形成電極12 ；
[0063]10)鉆石刀片切割散熱基板，圓片測(cè)試，分選。
[0064]實(shí)施例2
[0065]在藍(lán)寶石襯底I上生長(zhǎng)緩沖層2、氮化鎵N型層3、多量子阱層4和氮化鎵P型層5。光刻形成圖形，干法刻蝕到藍(lán)寶石襯底，刻蝕側(cè)面沉積鈍化層6，蒸鍍高反射P型歐姆接觸層(歐姆接觸層7、反射層8、阻擋層9和防氧化層10)并退火，電鍍金屬基板11，移除藍(lán)寶石襯底1，移除緩沖層2，蒸鍍金屬層12制作N電極，最后對(duì)圓片進(jìn)行劃片、測(cè)試、分選。
[0066]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，其特征在于，該芯片為單電極結(jié)構(gòu)，由下至上依次包括散熱基板、高反射P型歐姆接觸層和外延層，其中: 高反射P型歐姆接觸層由下至上依次包括防氧化層、阻擋層、金屬反射層和歐姆接觸層，外延層由下至上依次包括P型層、多量子阱層和N型層，N型層上制作有N電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，其特征在于，所述散熱基板采用的材料為金屬N1、Cu中的一種或者兩種，其厚度為60 μ m-100 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，其特征在于，所述防氧化層采用的材料為金屬Au、Ni/Au、Pt/Au或Pd/Au中的一種，其厚度為500nm-2000nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，其特征在于，所述阻擋層采用的材料為金屬N1、T1、Mg或T1-Mg合金中的一種，其厚度為500nm-1000nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，其特征在于，所述金屬反射層采用的材料為金屬Ag、Al、Rh或Pd中的一種，其厚度為50nm-500nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，其特征在于，所述歐姆接觸層采用的材料為金屬N1、N1-Zn合金或Ru中的一種，其厚度為0.lnm_20nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片，其特征在于，所述外延層采用的材料是氮化鎵。
8.一種高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的制備方法，其特征在于，包括: 選擇襯底，在襯底上依次外延生長(zhǎng)緩沖層、N型層、多量子阱層和P型層，形成外延層； 對(duì)外延層進(jìn)行光刻腐蝕，并沉積鈍化層； 在鈍化層上依次蒸鍍歐姆接觸層、金屬反射層、阻擋層和防氧化層，并退火形成高反射P型歐姆接觸層； 在高反射P型歐姆接觸層上電鍍制作散熱基板； 移除襯底和緩沖層； 在N型層上制作N電極，得到含有多個(gè)單電極芯片的圓片； 對(duì)圓片進(jìn)行測(cè)試、劃片和分選。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的制備方法，其特征在于，所述襯底采用的材料為硅、藍(lán)寶石、碳化硅或氮化鋁中的一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的制備方法，其特征在于，所述退火形成高反射P型歐姆接觸層的步驟中，退火溫度在200°C?1000°C之間，退火時(shí)間I分鐘-10分鐘,退火氣氛包括下列氣氛的至少一種:N2，O2，大氣，真空以及惰性氣體。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的制備方法，其特征在于，所述在高反射P型歐姆接觸層上電鍍制作散熱基板的步驟中，電鍍溫度為250C _65°C，電流密度為 2A/cm2-10A/cm2，PH 值為 4.0-4.5。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的高反射率的垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二級(jí)管芯片的制備方法，其特征在于，所述移除襯底和緩沖層的步驟中，移除襯底采用激光剝離、濕法腐蝕或者機(jī)械研磨方法中的一種或者幾種，移除緩沖層采用200°C磷酸溶液浸泡30秒-120秒。
【文檔編號(hào)】H01L33/40GK104393140SQ201410641928
【公開日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】趙桂娟, 汪連山, 楊少延, 劉貴鵬, 魏鴻源, 焦春美, 劉祥林, 朱勤生, 王占國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所