一种倒装式大功率紫外led芯片及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种倒装式大功率紫外LED芯片及其制备方法。LED芯片从下到上依次为导热衬底，电镀金属层，第一电镀种子层，绝缘层，p型反射电极层，p型氮化镓层，有源层，n型氮化镓层；p型反射电极层上方一侧还进行刻蚀露出p型反射电极层的部分区域，露出的部分区域上设有p型金属电极；从p型反射电极层开始一直到n型氮化镓层刻蚀有多个n型通孔，所述p型反射电极层和n型通孔侧壁沉积所述绝缘层，第一电镀种子层沉积在n型通孔中和绝缘层上，第一电镀种子层与n型通孔的n型氮化镓层接触。本发明可以避免在表面制作n型金属电极，这样可以降低n型金属电极对有源区出光的吸收，从而提高LED芯片的出光效率。
【专利说明】
_种倒装式大功率紫外LED芯片及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及到半导体器件技术领域。具体涉及一种大功率紫外LED芯片及基制备方法。
【背景技术】
[0002]以气体激光器和汞灯为代表的传统紫外光源存在体积大，效率低，电压高，对环境污染大等缺点。为解决上述问题，目前大量的焦点聚集在制备具有功耗低、寿命长、可靠性好等优点的紫外发光二极管或激光器。它们是以三族氮化物材料为基础，体积小，效率高，是节能环保的绿色光源，因而应用潜力具大。紫外光源的一个主要应用市场是紫外光固化，包括报纸印刷，家居装潢，汽车烤漆，美甲等领域。因此，开发高效，节能的紫外LED产品替换传统紫外光源不仅能实现良好的经济效益和社会效益，同时对环境保护也起到积极作用。
[0003]获得高效的紫外LED产品的关键是制备出高效大功率的紫外LED芯片。传统正装LED芯片工艺技术已经不适用制备高效大功率紫外LED芯片，常用的P型电流扩展层铟锡氧化物在紫外吸收大是很难获得高效LED芯片的重要原因，此外，紫外LED芯片采用的量子阱的内量子效率相对较低，因此要求紫外LED芯片的散热性能优异。因此，很有必要开发适用于紫外LED产品的芯片结构，获得高效大功率的紫外LED产品，将极大促进紫外固化技术的发展，从而推动紫外光源及设备市场的快速发展。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种倒装式大功率紫外LED芯片及其制备方法。本发明采用氮化物外延，紫外高反射电极，η型通孔，η型和P型绝缘隔离，熔融键合和蓝宝石衬底剥离等制备技术相结合的方法来实现大功率紫外LED芯片。
[0005]本发明至少通过如下技术方案之一实现。
[0006]—种倒装式大功率紫外LED芯片，它的结构从下到上依次为导热衬底，电镀金属层，第一电镀种子层，绝缘层，P型反射电极层，P型氮化镓层，有源层，η型氮化镓层;P型反射电极层上方一侧还进行刻蚀露出P型反射电极层的部分区域，露出的部分区域上设有P型金属电极;从P型反射电极层开始一直到η型氮化镓层刻蚀有多个η型通孔，所述P型反射电极层和η型通孔侧壁沉积所述绝缘层，第一电镀种子层沉积在η型通孔中和绝缘层上，第一电镀种子层与η型通孔的η型氮化镓层接触。
[0007]进一步优化地，所述η型通孔侧壁为具有倾斜角的；所述多个η型通孔是在芯片内呈周期性三角或四方排列，η型通孔与通孔之间的距离为150μπι?250μπι。
[0008]进一步优化地，所述导热衬底为硅片或金属铜，硅片厚度为250?450μπι，金属铜的厚度为120μηι?200μηι;所述第二电镀种子层的厚度为200nm?800nm;所述电镀金属层为复合金属层，该复合层从上到下分别为金属铜、金属锡、金属铜。
[0009]进一步优化地，所述第一电镀种子层为Cr-或Cr/Al-基的金属层，所述第一电镀种子层的厚度为500nm?1500nm;所述第一电镀种子层除了起电镀种子层作用外还还与η型氮化镓层具有低的欧姆接触和好的粘附性。
[0010]进一步优化地，所述绝缘层为二氧化硅、氮化硅或氮化铝材料;所述绝缘层厚度为500nm?1500nm;所述绝缘层隔离了第一电镀种子层与P型反射电极层。
[0011]进一步优化地，所述P型反射电极层为Ag基或Al基反射电极;所述反射电极的主要材料是Ag或Al，所采用的Ag基的厚度为120nm?500nm，Al基厚度为300nm?800nmo
[0012]进一步优化地，所述有源区的发光峰值波长范围从320nm到400nm;所述η型氮化镓层的厚度为500nm~1200nm;所述η型氮化镓层的厚度可以降低外延层对有源区发光的吸收，从而实现高的出光效率。
[0013]进一步优化地，所述衬底上还沉积第二电镀种子层，然后利用电镀技术在第二电镀种子层上生长所述电镀金属层，所述第二电镀种子层为Ni/AU，Cr/AU，Ti/AU，Cr/Pt/AU，Ti/Cu，TiW/Cu 中的一种。
[0014]制备上述倒装式大功率紫外LED芯片的方法，包括以下步骤:
步骤一、提供第一衬底(蓝宝石衬底，Si衬底或SiC衬底)，在该衬底上利用金属有机化合物气相外延(MOCVD)技术生长氮化镓基外延层，所述氮化镓基外延层从下到上依次包括:成核层、未掺杂的氮化镓层、η型氮化镓层、有源区和P型氮化镓层。
[0015]步骤二、利用感应耦合等离子体刻蚀技术对上述氮化镓基外延层进行部分刻蚀至η型氮化镓层，形成侧壁及η型通孔区域。
[0016]步骤三、在上述氮化镓基外延层表面P型氮化镓层上沉积一P型反射电极层201。
[0017]步骤四、在上述结构上生长一层绝缘层202覆盖整个P型反射电极层表面及侧壁。
[0018]步骤五、在上述整个结构层上沉积一第一电镀种子层203，然后在该第二电镀种子层03上选择性地涂覆一层非导电物质，使得芯片之间的过道处都形成非导电物质，最后利用电镀技术在种子层上区域选择性地生长电镀金属层(301-302)。
[0019]步骤六、提供另一导热衬底片，在该衬底上沉积一第二电镀种子层O，然后利用电镀技术在该种子层上生长电镀金属层2。
[0020]步骤七、利用键合设备将上述两电镀金属层熔融贴合在一起，再利用激光剥离或化学腐蚀或干法刻蚀技术使第一衬底与氮化镓外延层分离，漏出N极性氮化镓层，从而实现将氮化镓层从第一衬底转移到高导热的硅片或者金属基片上。
[0021]步骤八、利用感应耦合等离子体刻蚀技术对N极性氮化镓进行减薄处理，减薄到η型氮化镓层中。
[0022]步骤九、利用感应耦合等离子体刻蚀技术对上述η型氮化镓层部分区域进行刻蚀，漏出P型反射电极层，然后在漏出的P型反射电极层上沉积上一金属电极完成LED芯片的制备。
[0023]进一步优化地，步骤一中所述有源区可以为异质结，量子阱，量子点中的一种，它们的发光峰值波长范围为320nm到400nmo
[0024]步骤二中所述侧壁为具有一定角度倾斜角的，该倾斜侧壁是通过控制光刻蚀条件获得。所述η型通孔是在芯片内具有一定数量的呈周期性三角或四方排列，η型通孔与通孔之间的距离的范围为150μηι到250μηι。
[0025]步骤三中所述P型反射电极的反射率在320nm到400nm之间能大于70%，且与P型氮化镓层有较低的接触电阻。所述反射电极为Ag基或Al基反射电极。
[0026]步骤四中所述绝缘层可以为二氧化硅，氮化硅，氮化铝材料，所述绝缘层厚度范围为500nm?1500nm，所述侧壁为倾斜设计，从而能有效隔离p型反射电极和
步骤五中所述第一电镀种子层为Cr-，Cr/Al-基的金属层，所述电镀种子层除了起后续电镀金属层种子层作用外，还与η型GaN层具有低的欧姆接触和好的粘附性。步骤五中所述电镀金属层I为复合金属层。
[0027]步骤六中所述导热衬底为硅片或金属铜片，所述第二电镀种子层为Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au。步骤六中所述电镀金属层2为复合金属层。
[0028]步骤八中所述减薄后的η型氮化镓层厚度范围为500nm?1200nm。]!型氮化镓层的厚度太薄会破坏第一电镀种子层与η型氮化镓层的接触，而η型氮化镓层太厚则会降低芯片的出光效率。
[0029]步骤九中通过控制感应耦合等离子体刻蚀的气体组分，射频功率等实现氮化镓层与反射电极层具有较大的刻蚀选择比。通过控制刻蚀时间漏出P型反射电极层即要。
[0030]本发明所提供的一种倒装式大功率紫外LED芯片，它的结构从下到上依次为导热衬底，第二电镀种子层，电镀金属层，第一电镀种子层，绝缘层，P型反射电极层，P型金属电极，P型氮化镓层，有源层，η型氮化镓层。
[0031 ] 所述导热基板为娃片或金属铜，所述第二电镀种子层为Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/?^^11，11/(:11，111/(:11中的一种。硅片厚度范围250?45(^111，金属铜的厚度为12(^111?200μm0所述第二电镀种子层的厚度为200nm?800nm.所述电镀金属层为复合金属层，该复合层从上到下分别为金属铜，金属锡，金属铜。金属基板为铜材料，厚度范围为80?250μπι.所述第一电镀种子层为Cr-，Cr/Al-基的金属层，所述电镀种子层的厚度为500nm?1500nm。所述第二电镀种子层除了起电镀种子层作用外还还与η型GaN层具有低的欧姆接触和好的粘附性。
[0032]所述绝缘层可以为二氧化硅，氮化硅，氮化铝材料，所述绝缘层厚度范围为500nm?1500nm.所述绝缘层隔离了第一电镀种子层与P型反射电极层。
[0033]所述反射电极是所述反射电极为Ag基或Al基反射电极这些具有低欧姆接触，高反射率的电极结构。所述反射电极的主要材料是Ag或Al，所采用的Ag层的厚度范围为120nm?500nm，Al 层厚度为 300nm ?800nm。
[0034]所述有源区的发光峰值波长范围从320nm到400nm。所述η型氮化镓层的厚度为500nm~1200nm。所述η型氮化镓层的厚度可以降低外延层对有源区发光的吸收，从而实现高的出光效率。
[0035]与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果:1、采用倒装式芯片结构，使有源区产热能迅速通过底部衬底导出，提高芯片散热能力，延长芯片在大电流注入下的寿命。
2、采用η型通孔设计方案，有效地提高芯片的电流扩展能力，使芯片的电流分布均匀性大幅提高。与普通结构LED芯片和垂直结构LED芯片相比，拥有更低的芯片操作电压。3、采用电镀种子层不仅可以作变后续电镀金属的种子层作用，还具有与η型氮化镓层良好的欧姆接触，因而通过优化种子层的结构达到简化制备工艺的目的。4、通过控制光刻条件获得倾斜壁，使绝缘层覆盖更致密，从而避免芯片因漏电而导致失效，这有利于提高芯片的成品率。5、该方案可以避免在表面制作η型金属电极，这样可以降低η型金属电极对有源区出光的吸收，从而提高LED芯片的出光效率。
【附图说明】
[0036]图1为在氮化镓基LED外延层结构刻蚀η型通孔后的结构示意图。
[0037]图2为制备P型反射电极，绝缘层及电镀种子层后的样品结构示意图。
[0038]图3所示为制备电镀金属以及金属熔融键合后的样品结构示意图。
[0039]图4为去除第一衬底后的结构示意图。
[0040]图5为感应耦合等离子体刻蚀未掺杂氮化镓层及部分η型氮化镓层后的结构示意图。
[0041]图6为感应耦合等离子体刻蚀出P型金属电极区域及沉积P型金属电极后的样品结构。
[0042]图7a、图7b为两种可采用的η型通孔结构示意图。
[0043]图8为本案所制备的倒装式大功率紫外LED芯片表面的SEM扫描图。
[0044]图9为本案所制备的倒装式大功率紫外LED芯片的电致发光谱图。
[0045]图10为本案所制备的倒装式大功率紫外LED芯片与垂直结构LED芯片的电流-电压特性对比图。
[0046]图11为本案所制备的倒装式大功率紫外LED芯片与垂直结构LED芯片的电流-功率特性对比图。
【具体实施方式】
[0047]为使本发明的内容更加清晰，下面结合附图对本发明的内容作进一步说明。本发明不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保户范围内。
[0048]—种倒装式大功率紫外LED芯片包括η型氮化镓层，量子阱有源层，P型氮化镓层，P型金属电极，P型反射电极层，绝缘层，电镀种子层，电镀金属层以及导热衬底。所述量子阱有源层发光波段为320nm到400nm;所述P型反射电极层的反射率在320nm到400nm之间能大于70%，且与P型氮化镓层有较低的接触电阻。所述绝缘层可以为二氧化硅，氮化硅，氮化铝材料中的一种，所述绝缘层厚度范围为500nm?1500nm，所述电镀种子层为Cr-，Cr/Al-基的金属层，所述电镀种子层除了起后续电镀金属层种子层作用外，还与η型GaN层具有低的欧姆接触和好的粘附性。所述电镀金属层为复合金属层。所述导热衬底为硅片或金属铜片。
[0049]下面结合附图对本发明倒装式大功率紫外LED芯片的具体实现进行举例，仅仅为一种举例。
[0050]一、提供第一衬底101，在该衬底上利用MOCVD外延技术依次生长未掺杂氮化镓层102，η型氮化镓层103、量子阱有源层104和P型氮化镓层105形成氮化镓外延层。所述第一衬底可以为蓝宝石，硅或者碳化硅这些常用氮化物外延生长衬底。所述量子阱有源层的发光中心波长为395nm;所述量子讲有源层和P型氮化镓层的总厚度范围在400nm?800nm。利用光刻及感应耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀部分氮化镓外延层至η型氮化镓层，形成η型通孔区域，结构如图1所示。所述刻蚀深度范围为800nm?1200nm，通过控制光刻的条件，制备出具有倾斜侧壁的通孔结构。
[0051]二、在上述结构的p型氮化镓层上利用光刻及电子束蒸镀沉积p型反射电极层201，该反射电极层可以增强LED芯片的出光效率，所述P型反射电极层为Ni/Ag基结构(可以为Ni/Ag/Ni/Au，Ni/Ag/Ti/Au电极结构)。所述P型反射电极层在390nm处的反射率大于80%，并且与P型氮化镓层有较低的接触电阻。在上述结构的P型反射电极层和通孔侧壁沉积一层绝缘层202，该绝缘层的厚度范围为800?1500nm，该绝缘层可以为二氧化娃，氮化娃或氮化铝。然后再整个结构上沉积第一电镀种子层，该种子层的结构为Cr/Pt/Au，样品结构如图2所示。所述电镀种子层的厚度范围为500nm?2000nm，该电镀种子层除了作为后续电镀金属层的种子层外，还与η型通孔区域的η型氮化镓形成良好的欧姆接触。
[0052]三、在上述结构的第二电镀种子层03上先电镀铜金属301，后电镀锡金属层302，所述铜金属层厚度范围为ΙΟμπι?40μηι，所述锡金属层厚度范围为2μηι?20μηι。提供第二衬底305，本实例该衬底为金属铜片，在该衬底上先电镀电镀铜金属层304，后电镀锡金属层303，所述电镀铜金属层厚度范围为ΙΟμπι?40μηι，所述电镀锡金属层厚度范围为2μηι?20μηι。利用键合设备将第一衬底上的结构与第二衬底上的结构连结在一起，如图3所示。
[0053]四、对上述结构利用研磨抛光和激光剥离，湿法腐蚀，或者干法刻蚀工艺实现第一衬底与氮化镓外延层的分离，获得如图4所示结构。
[0054]五、利用感应耦合等离子体技术去除U-氮化镓层和部分η型氮化镓层，控制剩余η型氮化镓层厚度在500?1200nm范围内，所得结构如图5所示。在紫外区域，η型氮化镓层对有源区发光有较高的吸收，控制η型氮化镓层的厚度对制备紫外LED芯片尤其重要，本方案通过控制氮化镓层的厚度实现高的发光效率。
[0055]六、上述结构的部分氮化镓外延层上采用感应耦合等离子体技术进行刻蚀，漏出相应的P型反射电极区域，再利用电子束蒸发设备在P型反射电极层201区域上制备P型金属电极601，所得芯片的结构如图6所示。
[0056]如图7a、图7b所示为所采用的η型通孔结构示意图，可以看出，η型通孔呈周期性的三角或四方排列，η型通孔与通孔之间的距离的范围为150μπι到250μπι。
[0057]如图8所示为本方案所制备的倒装式大功率紫外LED芯片的SEM扫描图。
[0058]如图9所示为本方案所制备的倒装式大功率紫外LED芯片的电致发光谱图。
[0059]如图10所示为本方案所制备倒装式大功率紫外LED芯片与垂直结构LED芯片的电流-电压对比图。通过采用η型通孔设计，并且可以通过与镓极性的η型氮化镓形成欧姆接触，因此所获芯片具有较低的电压。
[0060]如图11所示为本方案所制备倒装式大功率紫外LED芯片与垂直结构LED芯片的电流-功率对比图。从图中可以看出，本方案所采用的LED芯片结构有较高的功率，通过η型通孔设计，使得电流在LED芯片中的分布更加均匀，并且表面不存在η型金属电极结构，因此可以进一步降低对有源区发光的吸收。
【主权项】
1.一种倒装式大功率紫外LED芯片，其特征在于它的结构从下到上依次为导热衬底，电镀金属层，第一电镀种子层，绝缘层，P型反射电极层，P型氮化镓层，有源层，η型氮化镓层；P型反射电极层上方一侧还进行刻蚀露出P型反射电极层的部分区域，露出的部分区域上设有P型金属电极;从P型反射电极层开始一直到η型氮化镓层刻蚀有多个η型通孔，所述P型反射电极层和η型通孔侧壁沉积所述绝缘层，第一电镀种子层沉积在η型通孔中和绝缘层上，第一电镀种子层与η型通孔的η型氮化镓层接触。2.根据权利要求1所述的一种倒装式大功率紫外LED芯片，其特征在于所述η型通孔侧壁为具有倾斜角的；所述多个η型通孔是在芯片内呈周期性三角或四方排列，η型通孔与通孔之间的距离为150μηι~250μηι。3.根据权利要求1所述的一种倒装式大功率紫外LED芯片，其特征在于所述导热衬底为硅片或金属铜，硅片厚度为250?450μπι，金属铜的厚度为120μπι?200μπι;所述第二电镀种子层的厚度为200nm?SOOnm;所述电镀金属层为复合金属层，该复合层从上到下分别为金属铜、金属锡、金属铜。4.根据权利要求1所述的一种倒装式大功率紫外LED芯片，其特征在于所述第一电镀种子层为Cr-或Cr/Al-基的金属层，所述第一电镀种子层的厚度为500nm?1500nmo5.根据权利要求1所述的一种倒装式大功率紫外LED芯片，其特征在于所述绝缘层为二氧化硅、氮化硅或氮化铝材料;所述绝缘层厚度为500nm?1500nm;所述绝缘层隔离了第一电镀种子层与P型反射电极层。6.根据权利要求1所述的一种倒装式大功率紫外LED芯片，其特征在于所述P型反射电极层为Ag基或Al基反射电极;所述反射电极的主要材料是Ag或Al，所采用的Ag基的厚度为120nm ?500nm，Al 基厚度为 300nm ?800nm。7.根据权利要求1所述的一种倒装式大功率紫外LED芯片，其特征在于所述有源区的发光峰值波长范围从320nm到400nm;所述η型氮化镓层的厚度为500nm?1200nm。8.根据权利要求1所述的一种倒装式大功率紫外LED芯片，其特征在于 所述衬底上还沉积第二电镀种子层，然后利用电镀技术在第二电镀种子层上生长所述电镀金属层，所述第二电镀种子层为Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au，Ti/Cu，TiW/Cu中的一种。9.制备权利要求1?8任一项所述的倒装式大功率紫外LED芯片的方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤一、提供第一衬底，在该衬底上利用金属有机化合物气相外延技术生长氮化镓基外延层，所述氮化镓基外延层从下到上依次包括:成核层、未掺杂的氮化镓层、η型氮化镓层、有源区和P型氮化镓层； 步骤二、利用感应耦合等离子体刻蚀技术对上述氮化镓基外延层进行部分刻蚀至η型氮化镓层，形成侧壁及所述η型通孔； 步骤三、在上述氮化镓基外延层表面P型氮化镓层上沉积P型反射电极层； 步骤四、在上述结构上生长一层绝缘层覆盖整个P型反射电极层表面及η型通孔侧壁； 步骤五、在上述整个结构层上沉积第一电镀种子层，然后在该第一电镀种子层上选择性地涂覆一层非导电物质，使得芯片之间的过道处都形成非导电物质，最后利用电镀技术在种子层上区域选择性地生长第一电镀金属层； 步骤六、提供第二导热衬底片，在该衬底上沉积一第二电镀种子层，然后利用电镀技术在该种子层上生长第二电镀金属层； 步骤七、利用键合设备将上述两电镀金属层即第一电镀金属层和第二电镀金属层熔融贴合在一起，再利用激光剥离或化学腐蚀或干法刻蚀技术使第一衬底与氮化镓外延层分离，漏出N极性氮化镓层，从而实现将氮化镓层从第一衬底转移到高导热的硅片或者金属基片上； 步骤八、利用感应耦合等离子体刻蚀技术对η型氮化镓层进行减薄处理； 步骤九、利用感应耦合等离子体刻蚀技术对上述η型氮化镓层部分区域进行刻蚀，漏出P型反射电极层，然后在漏出的P型反射电极层上沉积上一 P型金属电极完成LED芯片的制备。10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于: 步骤一中所述有源区可以为异质结，量子阱，量子点中的一种，它们的发光峰值波长范围为 320nm 到 400nm ； 步骤二中所述侧壁为具有倾斜角的，该倾斜侧壁是通过控制光刻蚀条件获得； 步骤三中所述P型反射电极的反射率在320nm到400nm之间能大于70%，且与P型氮化镓层接触;所述反射电极为Ag基或Al基反射电极； 步骤四中所述绝缘层为二氧化硅，氮化硅，或氮化铝材料;所述绝缘层厚度为500nm?1500nm； 步骤五中所述第一电镀种子层为Cr-或Cr/Al-基的金属层； 步骤六中所述导热衬底为硅片或金属铜片，所述第二电镀种子层为Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，或Cr/Pt/Au ；所述第二电镀金属层为复合金属层； 步骤八中所述减薄后的η型氮化镓层厚度为500nm?1200nm。
【文档编号】H01L33/64GK105914277SQ201610395135
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月4日
【发明人】胡晓龙, 王洪, 刘丽
【申请人】华南理工大学