一种垂直结构LED芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种半导体技术领域，具体涉及一种垂直结构LED芯片及其制备方法。

背景技术

目前发光二极管(Light Emitting Diode，LED)已广泛用于室内外照明，室外照明、车灯以及手持照明等应用领域。发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是靠PN结把电能转换成光能的一种器件，具有可控性好、启动快、寿命长、发光效率高、安全、节能环保等优点，不仅带动照明产业的深刻变革，同时还引领着显示屏领域的创新。随着LED产业的发展，LED芯片性能也在不断提升，其中芯片的漏电性能的好坏对质量起着重要作用。

导致芯片漏电的原因有多种，一是芯片生产过程中受到沾污，如灰尘、水汽、各种杂质离子会附着与芯片表面，不仅会在表面对芯片内部产生作用，还会扩散进入芯片内部产生作用，二是应力作用，在温度反复变化的过程中，各物质很难它们最初状态，相互间会保持有一定的应力，应力的作用，使得表面原子发生微位移，从而造成端面PN结处的能级状态发生改变，造成漏电，三是芯片自身原因漏电，芯片金属层结和绝缘层之间有空洞，PN结连通导致漏电。芯片的漏电，严重影响对产品的性能和使用寿命。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种垂直结构LED芯片，设置有两层绝缘层，第一绝缘层用于保护N孔侧壁，第二绝缘层设置在金属保护层和N电极层之间，用于隔绝P电极和N电极，保护了PN结，改善了传统芯片PN结漏电的现象；本发明的目的之二在于提供一种垂直结构LED芯片的制备方法，在N电极层和金属反射层之间设置第一绝缘层，用于保护N孔侧壁，在金属保护层和P电极之间设置第二绝缘层，用于隔绝P电极和N电极层的作用，从而起到保护PN结，改善了传统芯片PN结漏电的作用。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种垂直结构LED芯片，从下往上依次包括衬底层、粘结层、键合层、电流阻挡层、N电极层、第二绝缘层、金属保护层、金属反射层、第一绝缘层，p-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、n-GaN层、钝化层和P电极；其中，n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p-GaN层形成LED外延片，N电极层开设有用于与LED外延片导通的N孔，第一绝缘层与N孔连接，目的是保护N孔侧壁。第二绝缘层设置在金属保护层和N电极层之间，起隔绝P电极和N电极层的作用；

进一步，所述金属反射层的材料为Ag和/或Ni，厚度为100nm～300nm。

再进一步，所述第一绝缘层沉积的材料为SiO

进一步，所述衬底层的材料为蓝宝石、硅和碳化硅中的一种；所述金属保护层为Cr、Pt、Au和Ti中的一种或两种以上。

再进一步，所述粘结层为Cr、Ti、Ni、Al、Pt和Au中的一种或两种以上，粘结层的总厚度为10nm～1000nm，优选Al，厚度为100nm～1000nm；所述键合层为AuSn、NiSn、CuSn和AuSi中的一种或两种以上，键合层的总厚度为1000～9000nm。

进一步，所述N电极层所用的金属为Ti、Cr、Ni、Al、Pt和Au中的一种或两种以上；所述N电极层的总厚度为500nm～5000nm。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

上述的垂直结构LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)在衬底层上生长金属保护层、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层和p-GaN层，形成LED外延片，LED外延片的厚度为2～20μm；

2)在步骤1)所得的LED外延片上，通过电感耦合等离子体刻蚀的方法刻蚀制作出Mark点，并在LED外延片上刻出N孔；Mark点主要用于后面工艺的对准；

3)在步骤2)所得的LED外延片上采用等离子体增强化学的气相沉积法沉积第一绝缘层，沉积温度为200～300℃，沉积厚度为100nm～300nm，用于保护N孔侧壁；

4)在步骤3)所得的第一绝缘层上使用光刻的方法制作反射层图案，然后使用湿法腐蚀的方法去除反射层区域的SiO

5)在步骤4)所得的金属反射层上用电子束蒸镀的方法蒸镀金属，形成金属保护层；

6)在步骤5)所得的LED外延片采用等离子体增强化学的气相沉积法沉积SiO2制作第二绝缘层，沉积温度为200～300℃，沉积厚度为500nm～1000nm，用于隔绝PN电极层作用，并开孔；

7)在步骤6)所得的LED外延片上用电子束蒸镀的方法从上到下依次蒸镀N电极层、电流阻挡层和键合层；

8)在衬底层上制作粘结层；

9)将步骤7)所得的键合层和步骤8)所得的粘结层对准键合，通过这种键合，能较轻松的实现LED芯片p面和n面的翻转，从而成为后续制作垂直芯片的基础。而且大面积的金属键合能形成很好的导热效果；

10)剥离步骤9)所得的LED外延片的衬底层；

11)对步骤10)所得的剥离衬底层的LED外延片进行粗糙化处理；

12)在经步骤11)处理的LED外延片上制作出LED图案，再对LED图案进行刻蚀，得到LED发光面芯片；

13)在步骤12)所得的LED外延片制作钝化层；优选采用等离子体增强化学的气相沉积法沉积SiO

14)在步骤13)所得的LED发光面芯片的发光面周围使用光刻的方法制作出电极图案，使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作N电极层，得到垂直结构LED芯片。

进一步，步骤10)中，剥离衬底层的方法为：先进行研磨，再化学腐蚀，最后采用电感耦合等离子刻蚀。

再进一步，步骤111)中，使用热的碱性溶液或碱的熔融物对剥离衬底层的芯片进行粗糙化处理，优选地，采用KOH的水溶液，溶液百分比浓度为0.05％～10％，温度为20℃～90℃。

进一步，步骤12)中，采用热的酸性溶液或酸的熔融物进行刻蚀，或者用电感耦合等离子体刻蚀。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的垂直结构LED芯片，共设有两层绝缘层，第一绝缘层覆盖N电极层上的N孔，目的是保护N孔侧壁，以防侧壁有金属残留导致PN连通，引起漏电和芯片失效；第二绝缘层设置在金属保护层和N电极层之间，起隔绝P电极和N电极层的作用，设置两道绝缘层，能有效提高芯片抗漏电性能。

(2)本发明的垂直结构LED芯片的制备方法，是在衬底层从下到上依次制作n-GaN层，InGaN/GaN多量子阱层，p-GaN层，形成LED外延片；再在LED外延片上从下到上依次制作第一绝缘层、金属反射层、金属保护层、N电极层、电流阻挡层及键合层，进行键合并剥离衬底层，再对芯片表面粗糙化处理，接着制备芯片MESA和N电极。用上述制备方法制备的垂直结构LED芯片能有效克服现有LED芯片IR漏电的缺陷，保护了PN结，改善了传统芯片PN结漏电的现象，适用于大功率LED。

附图说明

图1为垂直结构LED芯片正面结构示意图；

图2为第一绝缘层的正面结构示意图；

图中：1、衬底层；2、粘结层；3、键合层；4、电流阻挡层；5、N电极层；6、钝化层；7、金属反射层；8、p-GaN层；9、InGaN/GaN多量子阱层；10、n-GaN层；11、第二绝缘层；12、第一绝缘层；13、金属保护层；14、P电极。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

一种垂直结构LED芯片，从下往上依次包括衬底层1、粘结层2、键合层3、电流阻挡层4、N电极层5、第二绝缘层11、金属保护层13、金属反射层7、第一绝缘层12，p-GaN层8、InGaN/GaN多量子阱层9、n-GaN层10、钝化层6和P电极14。其中，n-GaN层10、InGaN/GaN多量子阱层9和p-GaN层8LED外延片，N电极层5开设有用于与LED外延片导通的N孔，第一绝缘层12与N孔连接，目的是保护N孔侧壁。第二绝缘层11设置在金属保护层13和N电极层5之间，起隔绝P电极14和N电极层5的作用；其中，所述第一绝缘层12和第二绝缘层11均为SiO

垂直结构LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)在衬底层1上使用MOCVD外延技术生长n-GaN层10、InGaN/GaN多量子阱层9和p-GaN层8，形成LED外延片；

然后将得到的LED外延片先后放入含有丙酮和异丙酮的有机清洗槽中各清洗5min，然后放入去离子水清洗槽中超声清洗10min，接着放入酸清洗槽中，在SPM(H

2)在步骤1)所得的LED外延片上，制作出Mark点和N孔图形，并用电感耦合等离子体刻蚀的方法在外延片上刻蚀，刻蚀完成后使用有机去胶溶液清洗掉光刻胶；

3)在步骤2)所得的LED外延片上，采用等离子体增强化学的气相沉积法沉积第一绝缘层12，沉积温度为230℃，沉积厚度为150nm，用于保护N孔侧壁；

4)在步骤3)所得的LED外延片上，采用耐高温负胶光刻工艺制作反射层图案，然后使用BOE溶液腐蚀的腐蚀反射层区域的第一绝缘层12，BOE浓度1:9，腐蚀时间150s；

5)在步骤4)所得的LED外延片上，使用溅射的方法制备金属反射层7，溅射金属为AgTiW，厚度为200nm，然后剥离和超声去胶，去胶后图形如图2；

6)在步骤5)所得的LED外延片上，用耐高温负胶光刻工艺制作保护层图案，用电子束蒸镀的方法蒸镀，得到金属保护层13；金属保护层13的金属结构为TiPtAuCr，Ti的厚度50A，Pt的厚度200A，Au的厚度1000A，Cr的厚度20A；

7)在步骤6)所得的LED外延片上，采用等离子体增强化学的气相沉积法沉积第二绝缘层11，沉积温度为230℃，沉积厚度为800nm，用于隔绝PN电极层5作用；

8)在步骤7)所得的LED外延片上使用正胶工艺开孔，腐蚀N孔内的第一绝缘层12，漏出N层，再用电子束蒸镀的方法分别蒸镀N电极层5和电流阻挡层4；

9)在步骤8)所得的LED外延片上的电流阻挡层4上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作键合层3；

10)在衬底层1上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作粘结层2；

11)将步骤9)所得的键合层3和步骤10)所得的粘结层2对准键合；

12)先进行研磨，再化学腐蚀，最后采用电感耦合等离子刻蚀的方法剥离步骤8)所得的衬底层1；

13)使用KOH的水溶液对步骤9)所得的剥离衬底层1的芯片进行粗糙化处理；其中，KOH水溶液的百分比浓度为0.05％，温度为20℃。

14)在经步骤13)处理的LED外延片上制作出LED图案，再用60℃的硝酸溶液对LED图案进行刻蚀。

15)在步骤14)所得的LED外延片上采用等离子体增强化学的气相沉积法沉积SiO

16)在步骤15)所得的LED外延片上使用电子束蒸镀或者溅射的方法制作N电极层5，得到垂直结构LED芯片。

对比例1

将实施例1的制备方法中删除步骤3)其余与实施例1相同。

实验验证

将实施例1和对比例1的LED芯片进行点测，并计算出IR良率，具体实验数据如下表：

表1实施例1和对比例1的LED芯片的光学数据

从表1可知，实施例1的垂直结构LED芯片的无ESD-IR良率和ESD-IR良率均大于对比例1，绝缘一对PN结有较好保护作业，降低垂直结构LED芯片的LED灯具有漏电风险，有效改善了LED芯片漏电现象，提升了产品质量。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。