CN110718613A

CN110718613A - 发光二极管芯片及其制作方法

Info

Publication number: CN110718613A
Application number: CN201910802514.1A
Authority: CN
Inventors: 肖和平; 王晓彬; 张强
Original assignee: HUACAN PHOTOELECTRIC (SUZHOU) Co Ltd
Current assignee: HUACAN PHOTOELECTRIC (SUZHOU) Co Ltd; HC Semitek Suzhou Co Ltd
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2020-01-21

Abstract

本发明公开了一种发光二极管芯片及其制作方法，属于半导体技术领域。所述发光二极管芯片包括硅基板、键合层、金属反射层、透明导电层、填充层、电流阻挡层、窗口层、P型限制层、有源层、N型限制层和电极；所述硅基板、所述键合层、所述金属反射层、所述透明导电层、所述填充层、所述窗口层、所述P型限制层、所述有源层、所述N型限制层和所述电极依次层叠设置，所述填充层内设有多个从所述透明导电层延伸至所述窗口层的通孔，所述电流阻挡层设置在所述通孔内；所述电流阻挡层的材料为二氟化镁，所述填充层和所述透明导电层的材料为氧化铟锡、氧化钨、掺钨的氧化铟锡中的一种。本发明可以提高红光LED芯片的正面出光效率。

Description

发光二极管芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制作方法。

背景技术

发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件。

芯片是LED的核心组件，包括外延片和分别设置在外延片上的N型电极和P型电极。对于红光LED芯片来说，外延片包括GaAs衬底以及依次生长在GaAs衬底上的N型限制层、有源层、P型限制层和窗口层。GaAs衬底吸光，为了避免有源层发出的光线被GaAs衬底吸收，可以先将硅基板键合到窗口层上作为P型电极，再在N型限制层上去除GaAs衬底，设置N型电极。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

有源层发出的光线会射向所有方向，只有部分光线从N型限制层射出，因此红光LED芯片的正面出光效率很低。

发明内容

本发明实施例提供了一种发光二极管芯片及其制作方法，可以有效提升发光二极管芯片的正面出光效率。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括硅基板、键合层、金属反射层、透明导电层、填充层、电流阻挡层、窗口层、P型限制层、有源层、N型限制层和电极；所述硅基板、所述键合层、所述金属反射层、所述透明导电层、所述填充层、所述窗口层、所述P型限制层、所述有源层、所述N型限制层和所述电极依次层叠设置，所述填充层内设有多个从所述透明导电层延伸至所述窗口层的通孔，所述电流阻挡层设置在所述通孔内；所述电流阻挡层的材料为二氟化镁，所述填充层和所述透明导电层的材料为氧化铟锡、氧化钨、掺钨的氧化铟锡中的一种。

可选地，所述电流阻挡层和所述填充层的厚度为100nm～140nm，所述透明导电层的厚度为100nm～300nm。

进一步地，所述通孔的孔径为6μm～10μm，相邻两个所述通孔的间距为10μm～20μm。

可选地，所述金属反射层的材料为银。

进一步地，所述发光二极管芯片还包括钛钨合金层，所述钛钨合金层设置在所述金属反射层和所述键合层之间。

更进一步地，所述钛钨合金层中钛组分的含量为10％。

可选地，所述发光二极管芯片还包括电流扩展层、过渡层和出光层，所述电流扩展层、所述过渡层和所述出光层依次层叠在所述N型限制层上，所述电极设置在所述出光层的部分区域上；所述电流扩展层、所述过渡层和所述出光层的材料采用N型掺杂的铝镓铟磷，所述电流扩展层中铝组分的含量小于所述过渡层中铝组分的含量，所述过渡层中铝组分的含量小于所述出光层中铝组分的含量。

进一步地，所述电流扩展层中铝组分的含量为20％～40％，所述过渡层中铝组分的含量为35％～60％，所述出光层中铝组分的含量为55％～70％。

进一步地，所述电极在所述出光层上的投影为圆形；所述发光二极管芯片还包括欧姆接触层，所述欧姆接触层的材料为N型掺杂的砷化镓，所述欧姆接触层设置在所述电极和所述出光层之间；所述欧姆接触层在所述出光层上的投影为环形，所述环形的外径小于所述圆形的直径；或者，所述欧姆接触层在所述出光层上的投影为多个间隔分布的弧形，所述弧形的外径等于所述圆形的直径。

另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制作方法，所述制作方法包括：

在砷化镓衬底上依次生长腐蚀停层、N型限制层、有源层、P型限制层和窗口层；

在所述窗口层上形成电流阻挡层和填充层，所述填充层内设有多个延伸至所述窗口层的通孔，所述电流阻挡层设置在所述通孔内；

在所述电流阻挡层和所述填充层上依次铺设透明导电层、金属反射层、第一键合层；

在硅基板上形成第二键合层；

将所述第二键合层和所述第一键合层键合在一起；

去除所述砷化镓衬底和所述腐蚀停层；

在所述N型限制层上设置电极。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过窗口层和键合层之间增设电流阻挡层、填充层、透明导电层和金属反射层，电流阻挡层的材料为二氟化镁，填充层和透明导电层的材料为氧化铟锡、氧化钨、掺钨的氧化铟锡中的一种，电流阻挡层和透明导电层的折射率相差较大(二氟化镁的折射率为1.38，氧化铟锡的折射率为1.62，氧化钨的折射率为1.65，掺钨的氧化铟锡的折射率为1.62～1.65)；加上透明导电层设置电流阻挡层上，电流阻挡层和透明导电层可以组成单个周期的布拉格反射镜。而且金属反射层设置在透明导电层上，因此窗口层和键合层之间形成全方位反射镜，可以将有源层射向P型限制层的光线反射到N型限制层射出，提高红光LED芯片的正面出光效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电流阻挡层和填充层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种欧姆接触层的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种欧姆接触层的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的制作方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种发光二极管芯片，特别是红光LED芯片。图1为本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图。参见图1，该发光二极管芯片包括硅基板10、键合层20、金属反射层31、透明导电层32、填充层33、电流阻挡层34、窗口层41、P型限制层42、有源层43、N型限制层44和电极50。硅基板10、键合层20、金属反射层31、透明导电层32、填充层33、窗口层41、P型限制层42、有源层43、N型限制层44和电极50依次层叠设置。

图2为本发明实施例提供的电流阻挡层和填充层的结构示意图。参见图2，填充层33内设有多个从透明导电层32延伸至窗口层41的通孔，电流阻挡层34设置在通孔内。电流阻挡层34的材料为二氟化镁，填充层33和透明导电层32的材料为氧化铟锡、氧化钨、掺钨的氧化铟锡中的一种。

本发明实施例通过窗口层和键合层之间增设电流阻挡层、填充层、透明导电层和金属反射层，电流阻挡层的材料为二氟化镁，填充层和透明导电层的材料为氧化铟锡、氧化钨、掺钨的氧化铟锡中的一种，电流阻挡层和透明导电层的折射率相差较大(二氟化镁的折射率为1.38，氧化铟锡的折射率为1.62，氧化钨的折射率为1.65，掺钨的氧化铟锡的折射率为1.62～1.65)；加上透明导电层设置电流阻挡层上，电流阻挡层和透明导电层可以组成单个周期的布拉格反射镜。而且金属反射层设置在透明导电层上，因此窗口层和键合层之间形成全方位反射镜，可以将有源层射向P型限制层的光线反射到N型限制层射出，提高红光LED芯片的正面出光效率。另外，二氟化镁为绝缘材料，氧化铟锡、氧化钨、掺钨的氧化铟锡为导电材料，电流阻挡层设置在填充层内的多个通孔中，既不会影响电流注入窗口层，也有利于电流均匀注入窗口层中。

可选地，电流阻挡层34和填充层33的厚度可以为100nm～140nm，透明导电层32的厚度可以为100nm～300nm，以使电流阻挡层34和透明导电层32的厚度相互配合，有利于实现布拉格反射。

进一步地，如图2所示，通孔的孔径d可以为6μm～10μm，相邻两个通孔的间距s可以为10μm～20μm。相邻两个通孔的间距为通孔孔径的两倍左右，有利于电流均匀注入窗口层中。

可选地，金属反射层31的材料可以为银。银的反射率高，有利于形成全方位反射镜，提高芯片的正面出光效率。

示例性地，金属反射层31的表面粗糙度为0.5nm～3nm，对550nm～650nm波长光线的反射率可保持在95％以上。

进一步地，该发光二极管芯片还可以包括钛钨合金层35，钛钨合金层35设置在金属反射层31和键合层20之间。钛钨合金具有良好的扩散阻隔性能和粘附性能，既能避免银扩散到键合层中，也有利于键合层的固定，提高芯片的可靠性。

更进一步地，钛钨合金层35中钛组分的含量可以为10％，芯片的可靠性好。

可选地，该发光二极管芯片还可以包括电流扩展层45、过渡层46和出光层47，电流扩展层45、过渡层46和出光层47依次层叠在N型限制层44上，电极50设置在出光层47的部分区域上。电流扩展层45、过渡层46和出光层47的材料采用N型掺杂(如硅)的铝镓铟磷，电流扩展层45中铝组分的含量小于过渡层46中铝组分的含量，过渡层46中铝组分的含量小于出光层47中铝组分的含量。电流扩展层中铝组分的含量最低，可以将硅的掺杂浓度提升至4*10¹⁸以上，有利于电流扩展；出光层中铝组分的含量最高，可以方便进行粗化，提高芯片的正面出光效率；过渡层中铝组分的含量在电流扩展层和出光层之间，可以起到过渡作用，避免电流扩展层和出光层中铝组分的含量相差太大而影响芯片的晶体质量。

进一步地，电流扩展层45中铝组分的含量可以为20％～40％，过渡层46中铝组分的含量可以为35％～60％，出光层47中铝组分的含量可以为55％～70％，配合效果好。

可选地，电极50在出光层47上的投影可以为圆形。

进一步地，该发光二极管芯片还可以包括欧姆接触层48，欧姆接触层48的材料为N型掺杂的砷化镓，欧姆接触层48设置在电极50和出光层47之间，在电极和外延材料之间实现欧姆接触，有利于电极将电流注入外延材料中。

图3为本发明实施例提供的一种欧姆接触层的结构示意图。参见图3，在本实施例的一种实现方式中，欧姆接触层48在出光层47上的投影可以为环形，环形的外径小于圆形的直径。

图4为本发明实施例提供的另一种欧姆接触层的结构示意图。参见图4，在本实施例的另一种实现方式中，欧姆接触层48在出光层47上的投影可以为多个间隔分布的弧形，弧形的外径等于圆形的直径。

上述两种实现方式，都在实现电极和外延材料之间欧姆接触的基础上，尽可能减少欧姆接触层的占用面积，避免砷化镓吸光。

可选地，该发光二极管芯片还可以包括保护层60，保护层60的材料为Si₃N₄，保护层60设置在芯片的侧面，以避免外延材料被空气的氧气和水蒸气腐蚀。在实际应用中，出光层47上设有延伸至窗口层41的凹槽，以便将保护层60沉积在凹槽的侧壁上。

在本实施例中，芯片的尺寸可以为5mil～10mil。N型限制层44的材料可以为N型掺杂的铝铟磷，发光层43的材料可以为铝镓铟磷，P型限制层42的材料可以为P型掺杂的铝铟磷，窗口层41可以为P型掺杂的磷化镓。键合层20可以包括依次层叠的钛层、铂层、金层、铟层、金层、铂层和钛层，电极50可以包括依次层叠的金层、金锗镍合金层、金层、钛层、铂层、金层。在实际应用中，可以采用硅基板作为电极，也可以在硅基板上依次沉积钛层和金层作为电极。

示例性地，金属反射层31的厚度可以为200nm～500nm，钛钨合金层的厚度可以为100nm～300nm；键合层中钛层的厚度可以为100nm，铂层的厚度可以为80nm，金层的厚度可以为400nm，铟层的厚度可以为2μm～4μm，铟层的沉积速率大于180nm/s；硅基板上的电极中钛层的厚度可以为100nm，金层的厚度可以为400nm。欧姆接触层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为7*10¹⁸/cm³以上，窗口层中P型掺杂即的掺杂浓度可以为8*10¹⁹/cm³以上。

本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制作方法，适用于制作图1所示的发光二极管芯片。图5为本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的制作方法的流程图。参见图5，该制作方法包括：

步骤201：在砷化镓衬底上依次生长腐蚀停层、N型限制层、有源层、P型限制层和窗口层。

可选地，该步骤201可以包括：

采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal-organic Chemical VaporDeposition，简称：MOCVD)技术在砷化镓衬底上依次生长腐蚀停层、N型限制层、有源层、P型限制层和窗口层。

步骤202：在窗口层上形成电流阻挡层和填充层，填充层内设有多个延伸至窗口层的通孔，电流阻挡层设置在通孔内。

可选地，该步骤202可以包括：

采用电子束蒸镀技术在窗口层上铺设二氟化镁；

采用光刻技术和干法刻蚀技术对二氟化镁图形化，形成电流阻挡层；

采用溅射技术在电流阻挡层的图形之间形成填充层。

在实际应用中，当填充层和透明导电层采用的材料相同时，填充层和透明导电层可以一起沉积形成；当填充层和透明导电层采用的材料不同时，可以先在电流阻挡层上和电流阻挡层之间沉积填充层，再去除电流阻挡层上的填充层，最后在电流阻挡层和填充层上沉积透明导电层。

步骤203：在电流阻挡层和填充层上依次铺设透明导电层、金属反射层、第一键合层。

可选地，该步骤203可以包括：

采用溅射技术在电流阻挡层和填充层上依次铺设透明导电层、金属反射层、第一键合层。

采用溅射技术，膜质致密性好，电流扩展性强。

在实际应用中，在金属反射层形成之后，可以在250℃～500℃的温度下通入氮气进行退火。另外，形成时先抽真空，再通入氩气并将压力保持为0.2Pa～10Pa。

步骤204：在硅基板上形成第二键合层。

可选地，该步骤203可以包括：

采用溅射技术在硅基板上形成第二键合层。

步骤205：将第二键合层和第一键合层键合在一起。

可选地，该步骤205可以包括：

在280℃～320℃的温度下进行键合，键合比较牢固。

步骤206：去除砷化镓衬底和腐蚀停层。

可选地，该步骤206可以包括：

湿法腐蚀砷化镓衬底和腐蚀停层。

步骤207：在N型限制层上设置电极。

可选地，该步骤207可以包括：

采用光刻技术在N型限制层上形成设定图形的负性光刻胶；

采用电子束蒸镀技术在负性光刻胶上和负性光刻胶之间铺设电极材料；

剥离负性光刻胶，留下的电极材料形成电极。

采用负性光刻胶，电极上窄下宽，粘附性较好。

可选地，在步骤207之前，该制作方法还包括：

在N型限制层上外延生长电流扩展层、过渡层、出光层和欧姆接触层；

采用光刻技术和ICP技术对欧姆接触层进行图形化。

进一步地，图形化之后，在300℃的温度下对欧姆接触层进行退火，有利于与电极之间形成欧姆接触。

可选地，在步骤207之后，该制作方法还包括：

采用等离子刻蚀技术在出光层上开设延伸至窗口层的凹槽；

化学腐蚀出光层，对出光层进行粗化；

采用PECVD技术在芯片的正面和侧面形成保护层；

采用光刻和干法刻蚀技术去除芯片正面的保护层。

可选地，该制作方法还可以包括：

减薄硅基板。

示例性地，硅基板的厚度可以减薄至130μm～150μm。

进一步地，该制作方法还可以包括：

在减薄后的硅基板上依次沉积钛层和金层；

在200℃的温度下进行退火，以增加粘附力及形成良好的电性接触。

将上述步骤得到的产品进行激光切割和分离之后，即可得到LED芯片，其正面的发光亮度提升15％，而且可靠性高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种发光二极管芯片，其特征在于，所述发光二极管芯片包括硅基板(10)、键合层(20)、金属反射层(31)、透明导电层(32)、填充层(33)、电流阻挡层(34)、窗口层(41)、P型限制层(42)、有源层(43)、N型限制层(44)和电极(50)；所述硅基板(10)、所述键合层(20)、所述金属反射层(31)、所述透明导电层(32)、所述填充层(33)、所述窗口层(41)、所述P型限制层(42)、所述有源层(43)、所述N型限制层(44)和所述电极(50)依次层叠设置，所述填充层(33)内设有多个从所述透明导电层(32)延伸至所述窗口层(41)的通孔，所述电流阻挡层(34)设置在所述通孔内；所述电流阻挡层(34)的材料为二氟化镁，所述填充层(33)和所述透明导电层(32)的材料为氧化铟锡、氧化钨、掺钨的氧化铟锡中的一种。

2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述电流阻挡层(34)和所述填充层(33)的厚度为100nm～140nm，所述透明导电层(32)的厚度为100nm～300nm。

3.根据权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述通孔的孔径为6μm～10μm，相邻两个所述通孔的间距为10μm～20μm。

4.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述金属反射层(31)的材料为银。

5.根据权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述发光二极管芯片还包括钛钨合金层(35)，所述钛钨合金层(35)设置在所述金属反射层(31)和所述键合层(20)之间。

6.根据权利要求5所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述钛钨合金层(35)中钛组分的含量为10％。

7.根据权利要求1～3任一项所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述发光二极管芯片还包括电流扩展层(45)、过渡层(46)和出光层(47)，所述电流扩展层(45)、所述过渡层(46)和所述出光层(47)依次层叠在所述N型限制层(44)上，所述电极(50)设置在所述出光层(47)的部分区域上；所述电流扩展层(45)、所述过渡层(46)和所述出光层(47)的材料采用N型掺杂的铝镓铟磷，所述电流扩展层(45)中铝组分的含量小于所述过渡层(46)中铝组分的含量，所述过渡层(46)中铝组分的含量小于所述出光层(47)中铝组分的含量。

8.根据权利要求7所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述电流扩展层(45)中铝组分的含量为20％～40％，所述过渡层(46)中铝组分的含量为35％～60％，所述出光层(47)中铝组分的含量为55％～70％。

9.根据权利要求7所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述电极(50)在所述出光层(47)上的投影为圆形；所述发光二极管芯片还包括欧姆接触层(48)，所述欧姆接触层(48)的材料为N型掺杂的砷化镓，所述欧姆接触层(48)设置在所述电极(50)和所述出光层(47)之间；所述欧姆接触层(48)在所述出光层(47)上的投影为环形，所述环形的外径小于所述圆形的直径；或者，所述欧姆接触层(48)在所述出光层(47)上的投影为多个间隔分布的弧形，所述弧形的外径等于所述圆形的直径。

10.一种发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：

在硅基板上形成第二键合层；

将所述第二键合层和所述第一键合层键合在一起；

去除所述砷化镓衬底和所述腐蚀停层；

在所述N型限制层上设置电极。