垂直LED芯片结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及LED芯片，特别涉及一种垂直LED芯片结构及其制备方法。

背景技术

从LED的结构上来讲，GaN基LED可分为正装结构、倒装结构和垂直结构。传统的正装结构LED芯片在出光、散热等方面存在较大问题，且存在电流拥挤现象，由此限制了其发光效率和可靠性能的进一步提高，难以满足照明市场的需求；倒装结构LED虽然在芯片散热方面有较大改善，但由于仍是同侧电极，因而还是存在电流拥挤现象，而且N电极上的绝缘层因为面积大容易产生裂纹形成漏电；而垂直结构LED芯片可同时解决以上问题，具有出光效率高、在空间上光斑分布均匀及可靠性较高等优点。

垂直结构LED芯片由于采用了导电导热能力良好的键合衬底，因此相比正装和倒装结构LED芯片，在具有良好的散热能力的同时，可以承受更大的工作电流，其亮度和光效显著提升，因此在大功率照明领域有着显著的技术优势。随着显示、智能穿戴和照明应用技术的进一步提升，要求芯片小型化和薄型化，对垂直结构LED芯片带来了更大的挑战，也对芯片的稳定性和可靠性提出了更高的要求。

目前市场上的垂直结构的LED芯片的正面N电极和底面P电极分别在发光层的两侧，电流纵向传输。但是，由于正面N电极和底面P电极分别在发光层的两侧，N电极金属接触区域与P电极金属区域形成正对结构，很容易形成电流对冲并击穿，造成芯片漏电。

基于此，如何制作出稳定性更高的垂直LED芯片结构，是目前急需解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种垂直LED芯片结构及其制作方法，用于解决现有技术中的垂直结构的LED芯片，其正面N电极和底面P电极分别在发光层的两侧，N电极金属接触区域与P电极金属区域形成正对结构，很容易形成电流对冲并击穿，造成芯片漏电等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种垂直LED芯片结构的制备方法，包括步骤：

提供生长衬底，于所述生长衬底上形成外延层，所述外延层自下而上包括N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层；

于所述外延层中形成多个间隔分布的第一凹槽，所述第一凹槽贯穿所述P型GaN层和多量子阱层，且显露出所述N型GaN层；

于所述第一凹槽中形成第一N电极金属层，所述第一N电极金属层与所述P型GaN层及多量子阱层之间具有间隙；

于所述第一N电极金属层的上表面和侧面形成N电极绝缘层，所述N电极绝缘层填充所述第一N电极金属层与所述P型GaN层及多量子阱层之间的间隙；

形成P电极金属层，所述P电极金属层覆盖所述P型GaN层及所述N电极绝缘层；

将所述P电极金属层背离所述P型GaN层的表面与支撑衬底键合；

去除所述生长衬底以得到预处理结构，所述N型GaN层显露于所述预处理结构的表面；

于显露出的所述N型GaN层的表面形成表面绝缘层；

于所述表面绝缘层中形成多个间隔分布的第二凹槽，所述第二凹槽显露出所述N型GaN层，所述第一凹槽和第二凹槽上下对应；

形成第二N电极金属层，所述第二N电极金属层填充所述第二凹槽，且各第二凹槽内的第二N电极金属层相互电连接。

可选地，所述支撑衬底包括金属衬底、硅衬底、锗衬底、锗硅衬底、绝缘体上硅衬底中的任意一种或多种。

可选地，所述生长衬底包括蓝宝石衬底。

可选地，去除所述生长衬底的方法包括激光剥离法和/或化学剥离法。

可选地，于所述外延层中形成第一凹槽的方法包括干刻法。

可选地，形成所述第一N电极金属层和第二N电极金属层的方法包括蒸镀法和/或溅射法。

可选地，所述第一凹槽延伸至所述N型GaN层内。

可选地，所述N电极绝缘层的材质包括氮化硅和氧化硅中的任意一种或两种。

本发明还提供一种垂直LED芯片结构，所述垂直LED芯片结构自下而上依次包括支撑衬底、P电极金属层、P型GaN层、多量子阱层、N型GaN层及表面绝缘层，所述垂直LED芯片结构内形成有多个第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽上下对应；所述第一凹槽贯穿所述P型GaN层和多量子阱层，所述第二凹槽向下贯穿所述表面绝缘层直至显露出所述N型GaN层，所述第一凹槽内填充有第一N电极金属层，所述第一N电极金属层与所述P型GaN层及多量子阱层之间、所述第一N电极金属层与所述P电极金属层之间填充有N电极绝缘层；所述第二凹槽内填充有第二N电极金属层，且各第二凹槽内的第二N电极金属层相互电连接。

可选地，位于所述第一N电极金属层底部的所述N电极绝缘层延伸至所述P型GaN层的下表面。

可选地，所述第二N电极金属层延伸至表面绝缘层的上方。

可选地，所述N电极绝缘层的材质包括氮化硅和氧化硅中的任意一种或两种。

可选地，所述第一凹槽延伸至所述N型GaN层内。

如上所述，本发明的垂直LED芯片结构及其制备方法，具有以下有益效果：本发明通过改善的结构设计，可以减少N电极绝缘层的面积，从而可以有效减小绝缘层产生裂纹的现象；另外N金属电极不与P电极形成对冲，可以减少击穿漏电现象，从而能显著减少芯片漏电现象，提高芯片的稳定性和可靠性。

附图说明

图1显示为现有技术中的垂直LED芯片结构的截面结构示意图。

图2显示为图1的俯视结构示意图。

图3-11显示为依本发明的制备方法制备垂直LED芯片结构于各步骤所呈现出的截面结构示意图。

图12显示为图11的俯视结构示意图。

元件标号说明

101 生长衬底

102 N型GaN层

103 多量子阱层

104 P型GaN层

105 第一N电极金属层

106 N电极绝缘层

107 P电极金属层

108 支撑衬底

109 表面绝缘层

110 第二N电极金属层

207 P电极金属区域

209 绝缘层

210 N电极金属接触区域

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

现有的垂直LED芯片结构如图1及图2所示，其正面N电极和底面P电极分别在发光层的两侧，电流纵向传输。由于正面N电极和底面P电极分别在发光层的两侧，N电极金属接触区域210(N电极金属接触区域210通过绝缘层209间隔成多个区域)与P电极金属区域207形成正对结构，很容易形成电流对冲并击穿，造成芯片漏电。对此，发明人在长期工作中经大量研究而提出了一种改善方案。

具体地，本发明提供一种垂直LED芯片结构的制备方法，包括步骤：

提供生长衬底101，于所述生长衬底101上形成外延层，所述外延层自下而上(本说明书中的上下是参照附图而言)包括N型GaN层102、多量子阱层103及P型GaN层104；所述生长衬底101包括但不限于蓝宝石衬底；可将所述生长衬底101放置于MOCVD外延炉中生长所述外延层，且在生长所述外延层之前，还可以先于所述生长衬底101上生长一层缓冲层(未示出)，比如一N型掺杂缓冲层，该缓冲层不仅有助于防止所述N型GaN层102内的离子扩散，同时有助于在后续剥离所述生长衬底101时保护所述外延层和生长衬底101不受损伤，该步骤后得到的结构如图3所示；

于所述外延层中形成多个间隔分布的第一凹槽，所述第一凹槽贯穿所述P型GaN层104和多量子阱层103，且显露出所述N型GaN层102；具体地，可采用光刻工艺结合ICP刻蚀工艺，在MESA刻蚀平台上刻蚀所述外延层以得到所述第一凹槽，所述第一凹槽优选但不限于圆柱形凹槽，位于外延层正中间的所述第一凹槽可以大于其他位置处的第一凹槽，所述第一凹槽可以进一步延伸至所述N型GaN层102内(但不贯穿所述GaN层，比如停止于N型GaN层102厚度的三分之一处)，该步骤后得到的结构图如4所示；

于所述第一凹槽中形成第一N电极金属层105，所述第一N电极金属层105与所述P型GaN层104及多量子阱层103之间具有间隙；具体地，可以采用包括但不限于蒸镀法和溅射法中的一种或两种的结合于前述步骤后得到的结构表面形成金属材料层，之后进行刻蚀以仅保留位于所述第一凹槽内的金属材料，或者借助掩膜图形进行溅射以形成所需结构的所述第一N电极金属层105，该步骤后得到的结构如图5所示；

于所述第一N电极金属层105的上表面和侧面形成N电极绝缘层106，所述N电极绝缘层106填充所述第一N电极金属层105与所述P型GaN层104及多量子阱层103之间的间隙，以使所述第一N电极金属层105和所述P型GaN层104及多量子阱层103电隔离；所述N电极绝缘层106包括但不限于氮化硅、氧化硅、氧化铝或其他绝缘材料中的一种或多种，形成所述N电极绝缘层106的方法包括但不限于气相沉积法；具体地，可以采用气相沉积法沉积一层绝缘材料层，然后进行光刻刻蚀以仅保留位于所述第一N电极金属层105表面及周向的绝缘材料，且位于所述第一N电极金属层105表面的N电极绝缘层106略向外延伸至所述P型GaN层104的表面，以确保第一N电极金属层105和量子阱以及后续的P电极金属层107完全电隔离，相较于现有技术中的P电极金属接触区和N电极金属接触区需要通过大面积的绝缘层相隔离实现电绝缘，本发明可以大大减小绝缘层的面积，由此可以极大降低绝缘层产生裂纹的现象；该步骤后得到的结构如图6所示；

形成P电极金属层107，所述P电极金属层107覆盖所述P型GaN层104及所述N电极绝缘层106，所述P电极金属层107用于光反射、P电极导电、键合等作用；具体地，形成所述P电极金属层107的方法包括但不限于蒸镀法和溅射法中的一种或两种的结合，其材质可以包括金、银、镍、锡、铟、铬、铂金、钛、铝、铟锡氧化物中的一种或多种；该步骤后得到的结构如图7所示；

将所述P电极金属层107背离所述P型GaN层104的表面与支撑衬底108键合；键合方法包括但不限于阳极键合法、压力键合法，所述支撑衬底108优选导电导热性良好的金属衬底、硅衬底、锗衬底、锗硅衬底、绝缘体上硅(SOI)衬底或其他导电衬底；该步骤后得到的结构如图8所示；

去除所述生长衬底101以得到预处理结构，所述N型GaN层102显露于所述预处理结构的表面；去除所述生长衬底101的方法包括但不限于激光剥离和化学剥离中的一种或两种的结合，剥离生长衬底101后得到的结构如图9所示；

于显露出的所述N型GaN层102的表面形成表面绝缘层109；所述表面绝缘层109包括但不限于氧化硅和氮化硅中的一种或两种的结合，形成所述表面绝缘层109的方法包括但不限于气相沉积法；

采用包括但不限于光刻刻蚀法于所述表面绝缘层109中形成多个间隔分布的第二凹槽，所述第二凹槽显露出所述N型GaN层102，所述第二凹槽和第一凹槽上下对应(且优选上下一一对应)；该步骤后得到的结构如图10所示；且上下对应的第一凹槽和第二凹槽的尺寸可以相同，位于表面绝缘层109正中间的第二凹槽可以大于位于其他位置处的第二凹槽以确保位于各凹槽内的金属层稳定互连；

形成第二N电极金属层110，所述第二N电极金属层110填充所述第二凹槽，且各第二凹槽内的第二N电极金属层110相互电连接，比如位于各第二凹槽内的第二N电极金属层110相互连接而延伸到位于第二凹槽之间的表面绝缘层109上方，该步骤后的得到的结构如图11及12所示。第二N电极金属层110的形成方法和材质可以和第一N电极金属层105相同，其材质同样可以包括金、银、镍、锡、铟、铬、铂金、钛、钛钨中的一种或多种。由于第一凹槽和第二凹槽上下对应，而第一凹槽与P型GaN层104和多量子阱层103相互电隔离，因而位于第一凹槽内的第一N电极金属层105和位于第二凹槽内的第二N电极金属层110下面都没有量子阱和P-GaN，可以避免电流对冲击穿而导致器件漏电。

本发明还提供一种垂直LED芯片结构，其可以基于上述任一方案中所述的制备方法制备而成，故前述内容可全文引用至此。具体地，如图11及图12所示，所述垂直LED芯片结构自下而上依次包括支撑衬底108、P电极金属层107、P型GaN层104、多量子阱层103、N型GaN层102及表面绝缘层109，所述垂直LED芯片结构内形成有多个第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽贯穿所述P型GaN层104和多量子阱层103，所述第二凹槽向下贯穿所述表面绝缘层109直至显露出所述N型GaN层102，所述第一凹槽内填充有第一N电极金属层105，所述第一N电极金属层105与所述P型GaN层104及多量子阱层103之间、所述第一N电极金属层105与所述P电极金属层107之间填充有N电极绝缘层106；所述第二凹槽内填充有第二N电极金属层110，且各第二凹槽内的第二N电极金属层110相互电连接，比如位于第二凹槽内的第二N电极金属层110相互连接而延伸到位于第二凹槽之间的表面绝缘层109上方；第一凹槽和第二凹槽上下对应，而第一凹槽与P型GaN层104和多量子阱层103相互电隔离，因而位于第一凹槽内的第一N电极金属层105和位于第二凹槽内的第二N电极金属层110下面都没有量子阱和P-GaN，可以避免电流对冲击穿而导致器件漏电，提高芯片的稳定性和可靠性。

在一优选示例中，位于所述第一N电极金属层105底部的所述N电极绝缘层106延伸至所述P型GaN层104的下表面，以确保第一N电极金属层105与P电极金属层107的电隔离。

作为示例，所述第二N电极金属层110延伸至表面绝缘层109的上方。

作为示例，所述N电极绝缘层106的材质包括氮化硅和氧化硅中的任意一种或两种。

作为示例，所述第一凹槽延伸至所述N型GaN层102内，以确保所述第一凹槽内的第一N电极金属层105和所述P型GaN层104和多量子阱层103的绝缘。

对所述垂直LED芯片结构的更多介绍还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。

综上所述，本发明提供一种垂直LED芯片结构及其制备方法。该制备方法包括步骤：提供生长衬底，于所述生长衬底上形成外延层，所述外延层自下而上包括N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层；于所述外延层中形成多个间隔分布的第一凹槽，所述第一凹槽贯穿所述P型GaN层和多量子阱层，且显露出所述N型GaN层；于所述第一凹槽中形成第一N电极金属层，所述第一N电极金属层与所述P型GaN层及多量子阱层之间具有间隙；于所述第一N电极金属层的上表面和侧面形成N电极绝缘层，所述N电极绝缘层填充所述第一N电极金属层与所述P型GaN层及多量子阱层之间的间隙；形成P电极金属层，所述P电极金属层覆盖所述P型GaN层及所述N电极绝缘层；将所述P电极金属层背离所述P型GaN层的表面与支撑衬底键合；去除所述生长衬底以得到预处理结构，所述N型GaN层显露于所述预处理结构的表面；于显露出的所述N型GaN层的表面形成表面绝缘层；于所述表面绝缘层中形成多个间隔分布的第二凹槽，所述第二凹槽显露出所述N型GaN层，所述第一凹槽和第二凹槽上下对应；形成第二N电极金属层，所述第二N电极金属层填充所述第二凹槽，且各第二凹槽内的第二N电极金属层相互电连接。本发明通过改善的结构设计，可以减少N电极绝缘层的面积，从而可以有效减小绝缘层产生裂纹的现象；另外N金属电极不与P电极形成对冲，可以减少击穿漏电现象，从而能显著减少芯片漏电现象，提高芯片的稳定性和可靠性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。