含螺旋狀環(huán)形電極的垂直結(jié)構(gòu)led芯片及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明LED芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含螺旋狀環(huán)形電極的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]m族氮化物主要是指氮化招，氮化銦，氮化鎵以及它們的三元或四元合金，m族氮化物能隙寬度范圍涵蓋了 0.7-6.2eV，包含了紅外光到紫外光的光譜范圍。氮化鎵基材料屬于直接能隙化合物半導(dǎo)體，輻射復(fù)合效率高，被廣泛應(yīng)用在紫外光到藍綠光波段的發(fā)光器件制備中。
[0003]白光發(fā)光器件一般采用藍光發(fā)光二極管表面涂覆熒光粉的方法。而為實現(xiàn)通用照明，要求單顆藍光LED芯片驅(qū)動在較大電流下仍具有較高的光輸出功率。目前較為成熟的LED芯片結(jié)構(gòu)主要是正裝結(jié)構(gòu)。正裝結(jié)構(gòu)芯片一般是以藍寶石作為襯底，通過在ICP刻蝕后的η型氮化鎵上分別制作η型電極。它的缺點是犧牲了芯片的發(fā)射面積，降低器件的功率;其次電流橫向傳輸使芯片在大電流注入下易發(fā)生電流擁擠效應(yīng)，導(dǎo)致LED芯片局部溫度過高而影響芯片的使用壽命;藍寶石襯底的導(dǎo)熱性能差，大功率操作下器件的產(chǎn)熱將嚴重影響器件的性能。所以正裝結(jié)構(gòu)的LED芯片并不適合制作大尺寸大功率的LED。而垂直結(jié)構(gòu)LED—般是采用導(dǎo)熱性極好的金屬合金作為襯底，可以在很大程度上解決芯片的散熱問題;垂直結(jié)構(gòu)芯片通常會在底部P電極的上方制作反射鏡將到達芯片底面的光反射回上表面出射，又提高芯片的出光效率;并且η型氮化鎵作為出光面，便于進一步的在該出光面上進行粗化處理以提高光輸出效率;垂直結(jié)構(gòu)的芯片電極采用上下結(jié)構(gòu)分布，電流可以在芯片的內(nèi)部垂直通過，可以解決正裝結(jié)構(gòu)倒裝結(jié)構(gòu)芯片的電極正下方的電流擁擠現(xiàn)象。因此，垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片是一種較為合適的制作大尺寸大功率的LED芯片結(jié)構(gòu)。垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的η型電極是在激光剝離后的η型氮化鎵上形成的，金屬電極與激光剝離后的氮極性面η型氮化鎵形成歐姆接觸比較困難，優(yōu)化垂直結(jié)構(gòu)LED芯片中的η型電極結(jié)構(gòu)也是制備垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的重點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種含螺旋狀環(huán)形電極的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片及其制備方法。本發(fā)明采用區(qū)域性電鍍復(fù)合金屬基板，藍寶石襯底剝離，表面復(fù)合微結(jié)構(gòu)制備，螺旋狀環(huán)形電極制備相結(jié)合的方法來實現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)LED芯片。具體地，實現(xiàn)的本方案所采用的步驟如下:
[I ]提供第一襯底即藍寶石襯底，在該襯底上利用外延沉積技術(shù)生長氮化鎵外延層;所述外延層包括成核層、未摻雜的氮化鎵層、η型氮化鎵層、有源區(qū)和P型氮化鎵層；
[2]在上述氮化鎵外延層上沉積一反射電極層，然后沉積一電鍍種子層；
[3]在上述電鍍種子層上選擇性地在芯片之間的過道處涂覆地涂覆一種非導(dǎo)電物質(zhì)；
[4]在上述種子層上區(qū)域選擇性地生長金屬基板(在芯片區(qū)域生長，過道處被非導(dǎo)電物質(zhì)阻擋不能生長)，形成第二襯底；
[5]利用激光剝離或濕法腐蝕技術(shù)使藍寶石襯底與氮化鎵外延層的分離，漏出N極性氮化鎵；
[6 ]在N極性氮化鎵表面制備復(fù)合微結(jié)構(gòu);干法選擇刻蝕N極性氮化鎵，刻蝕至n-GaN，并在n-GaN上制作η型電極。
[0005]步驟[I]中所述第一襯底為藍寶石襯底，Si襯底或SiC襯底。
[0006]步驟[2]中所述反射電極層為區(qū)域沉積，區(qū)域面積小于LED芯片面積;所述反射電極層反射率大于90%，并且與P型氮化鎵層有較低的接觸電阻。步驟[2]中所述電鍍種子層為整層沉積。所述反射電極為Ag基反射電極，區(qū)域沉積能保證Ag基反射電極在后續(xù)工藝的穩(wěn)定性，若整層沉積Ag基反射電極，實驗中發(fā)現(xiàn)在后續(xù)工藝中會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，工藝不穩(wěn)定。
[0007]步驟[3]中所述非導(dǎo)電物質(zhì)可以為絕緣層，有機物等。選擇性涂覆通過光刻，壓印等制作技術(shù)。所述非導(dǎo)電物質(zhì)厚度大于ΙΟΟμπι。
[0008]步驟[4]中所述金屬基板為復(fù)合金屬基板，其中復(fù)合金屬基板具有良好的導(dǎo)熱性和支撐性，所述復(fù)合基板在電鍍種子層上選擇性生長，復(fù)合金屬基板厚度大于120μπι。
[0009]步驟[5]所述的第一襯底與氮化鎵外延層的分離后的氮化鎵外延層表面具均勻的表面，有利于后續(xù)濕法腐蝕粗化表面。均勻的表面通過控制激光剝離或濕法腐蝕的條件獲得。
[0010]步驟[6]所述N極性氮化鎵表面為未摻雜的氮化鎵層，所述復(fù)合微結(jié)構(gòu)的制作步驟如下:a、利用步進式光刻機在未摻雜的氮化鎵層上制備微米級圖案化結(jié)構(gòu);b、利用干法刻蝕刻蝕未摻雜的氮化鎵層形成表面微結(jié)構(gòu);c、利用堿溶液對上述微結(jié)構(gòu)進行濕法腐蝕形成復(fù)合微結(jié)構(gòu)。
[0011]步驟[7]所述干法選擇刻蝕N極性氮化鎵為區(qū)域去除表面的未摻雜的氮化鎵層，所述的在n-GaN上制作η型電極，η型電極的區(qū)域與所去除U-GaN的區(qū)域形狀相同。所述η型電極為一種螺旋環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如圖7所示，螺旋環(huán)狀為方形螺旋，最外方形圈距離反射電極邊界的水平距離為80?120μηι，η型電極的線寬為1?20μηι，方形螺旋間距為30?I ΟΟμπι，電極的螺旋圈數(shù)可以為2?6圈。
[0012]上述η型電極的線寬最優(yōu)為15μπι。上述方形螺旋間距最優(yōu)值為50μπι，當(dāng)間距更大時，電流分布均勻性變差，當(dāng)間距更小時，較多的電極面積降低芯片的出光功率。所述電極的螺旋圈數(shù)以由方形螺旋間距及芯片尺寸匹配。
[0013]本發(fā)明所提供含螺旋狀環(huán)形電極的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，它的結(jié)構(gòu)從下到上依次包括:復(fù)合金屬基板，電鍍種子層，反射電極層，GaN外延層，螺旋狀環(huán)形電極。
[0014]所述復(fù)合金屬基板由兩種不同金屬基板組合而成，下層金屬基板為鎳材料，厚度范圍為10?50μηι，上層金屬基板為銅材料，厚度可以為100?200μηι。所述復(fù)合金屬基板，具有良好的導(dǎo)熱性和支撐性。
[0015]所述電鍍種子層可以Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au，Ti/Cu，TiW/Cu 中的一種，該電鍍種子層完全覆蓋反射電極的表面和側(cè)面。所述電鍍種子層為整層沉積。所述電鍍種子層的厚度為500nm?1500nm。所述電鍍種子層除了起電鍍種子層作用外還在于保護反射電極層的擴散，防止造成芯片漏電失效。
[0016]所述反射電極是基于Ag-，Ni/Ag_，ITO+Ag-這些具有低歐姆接觸，高反射率的電極結(jié)構(gòu)。所述反射電極的主要材料是Ag，厚度范圍為120nm?500nm。所述反射電極層為區(qū)域沉積，區(qū)域面積小于LED芯片面積；
所述GaN外延層從下到上的結(jié)構(gòu)包括:ρ-GaN，有源區(qū)，n_GaN各U-GaN。其中U-GaN的表面為N極性氮化鎵。所述U-GaN具有螺旋狀環(huán)形結(jié)構(gòu)的溝槽。所述U-GaN除溝槽外的表面為復(fù)合微結(jié)構(gòu)。
[0017]所述螺旋狀環(huán)形電極被具有螺旋狀環(huán)形結(jié)構(gòu)溝槽的U-GaN包圍，與n-GaN接觸。所述螺旋狀環(huán)形電極大小略小于溝槽尺寸大小。所述螺旋狀環(huán)形電極為方形螺旋，最外方形圈距離反射電極邊界的水平距離為80?120μπι，η型電極的線寬為10?20μπι，方形螺旋間距為30?I OOym，電極的螺旋圈數(shù)可以為2?6圈。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術(shù)效果:1、分步沉積Ag基反射電極和電鍍種子層，其中Ag基反射電極為區(qū)域沉積于芯片中心位置，電鍍種子層為整層沉積，覆蓋整個Ag基反射電極以及過道區(qū)，能有效保障后續(xù)工藝的穩(wěn)定性。如整層沉積Ag基反射電極的芯片，粘附性較差，芯片成品率低。2、通過采用復(fù)合金屬基板，使制備的LED芯片同時具有良好的導(dǎo)熱性和支撐性，如只采用支撐性好的鎳金屬基板，導(dǎo)熱性能一般，只采用導(dǎo)熱性好的銅金屬基板，在加工過程中極易出現(xiàn)變形等損壞芯片性能。3、區(qū)域性選擇電鍍復(fù)合金屬基板的采用可以不需要后續(xù)的激光切割工藝，提高芯片成品率，節(jié)省芯片制作成本。4、Ν極性氮化鎵表面復(fù)合微結(jié)構(gòu)的采用，可以提升器件的功率，實驗結(jié)果顯示具有復(fù)合微結(jié)構(gòu)的芯片比只有微結(jié)構(gòu)或者只有粗化結(jié)構(gòu)的芯片功率提高至少5%以上。5、本發(fā)明所述螺旋環(huán)狀結(jié)構(gòu)的采用使芯片表面各點的電流分布更均勻，與傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)LED芯片所采用的目字形η形電極相比，在電流分布均勻性相同的情況下，本發(fā)明所述螺旋環(huán)狀結(jié)構(gòu)采用電極總面積更小，出光效率更高。
【附圖說明】
[0019]圖1為氮化鎵基LED外延層上制備反射電極及電鍍種子層。
[0020]圖2為區(qū)域選擇性涂覆非導(dǎo)電物質(zhì)及區(qū)域電鍍復(fù)合金屬。
[0021 ]圖3為激光剝離去除藍寶石襯底。
[0022]圖4為粗化氮化鎵表面及電極沉積工藝。
[0023]圖5為所制備LED芯片橫截面示意圖。
[0024]圖6為所制備的U-GaN上的微米級圖案化結(jié)構(gòu)圖7為所制備LED芯片η型電極結(jié)構(gòu)府視圖。
[0025]圖8為所制備LED芯片在350mA下的電流分布圖。
[0026]圖9a、圖9b分別為所制備LED芯片的電壓和輸出功率隨電流的變化圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚，下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。本發(fā)明不局限于該具體實施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保戶范圍內(nèi)。
[0028]本發(fā)明所提供含螺旋狀環(huán)形電極的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片，它的結(jié)構(gòu)從下到上依次包括:復(fù)合金屬基板，電鍍種子層，反射電極層，GaN外延層，螺旋狀環(huán)形電極。所述外延層包括在藍寶石襯底上依次生長的成核層、U-氮化鎵層，n-GaN層、有源區(qū)和P-氮化鎵層等;所述反射電極基于Ag-，Ni/Ag-，ITO+Ag-這些具有低歐姆接觸，高反射率的電極結(jié)構(gòu)