一种垂直LED芯片结构及其制造方法及发光装置与流程

一种垂直led芯片结构及其制造方法及发光装置
技术领域
1.本发明涉及半导体器件及装置技术领域，特别涉及一种垂直led芯片结构及其制造方法及发光装置。


背景技术：

2.从led的结构上讲，可以将gaas基led划分为正装结构、倒装结构和垂直结构。相比于传统的gaas基led正装结构，垂直结构具有散热好，能够承载大电流，发光强度高，耗电量小、寿命长等优点，被广泛应用于通用照明、景观照明、特种照明、汽车照明等领域，成为一代大功率gaas基led极具潜力的解决方案，正受到业界越来越多的关注和研究。
3.传统垂直结构led芯片的发光外延结构的第一台面间为切割道区域，为了便于后续切割，通常在该切割道区域形成第二台面。现有技术中，在形成上述第一台面之后，首先形成保护层，然后再形成第二台面。此时。后续形成的第二台面形成了裸露的发光外延结构及金属结构(例如反射层)。这就造成在后续背金形成电极对衬底研磨减薄时，研磨液会接触裸露的发光外延结构及金属结构，对led芯片造成损伤，影响芯片的可靠性。
4.鉴于以上所述，提供一种能够避免衬底背面处理过程中处理液对led芯片的损伤的方案实属必要。


技术实现要素：

5.鉴于现有技术中垂直led芯片形成过程中存在的上述缺陷，本发明提供一种垂直led芯片结构及其制造方法及发光装置，以解决上述一个或多个问题。
6.本发明的一实施例，提供一种垂直led芯片结构的制备方法，包括以下步骤：
7.制备外延结构，所述外延结构包括依次叠置的第一导电类型的半导体层、发光层以及第二导电类型的半导体层；
8.提供一衬底，所述衬底具有正面和与正面相对的背面；
9.将所述外延结构键合至所述衬底的正面，其中所述第二导电类型的半导体层所在的一侧与所述衬底键合；
10.在切割区对应位置处对所述外延结构进行第一次刻蚀，以形成第一台面，暴露出所述第一导电类型的半导体层及发光层的侧壁，所述第一台面的表面为所述第二导电类型的半导体层；
11.在所述第一台面处对所述外延结构进行第二次刻蚀，形成第二台面，暴露出所述第二导电类型的半导体层的侧壁；
12.在所述第一台面的表面及侧壁、所述第二台面的表面及侧壁以及所述外延结构的表面形成保护层；
13.在所述衬底的背面形成背面电极，所述背面电极与所述第二导类型的半导体层电性连接。
14.可选地，制备外延结构还包括如下步骤：
15.提供一临时衬底；
16.在所述临时衬底的正面依次沉积第一导电类型的半导体层、发光层及第二导电类型的半导体层；
17.在所述第二导电类型的半导体层的上方形成第二电极，所述第二电极包括紧邻所述第二导电类型的半导体层的电流阻挡层以及透明导电层，以及形成在所述电流阻挡层和所述透明导电层上方的反射层，其中所述透明导电层形成在贯穿所述电流阻挡层的通孔中与所述第二导电类型的半导体层接触；
18.在所述反射层的上方形成键合层。
19.可选地，在与所述衬底的正面相对的背面形成背面电极还包括如下步骤：
20.向所述衬底的背面施加研磨液，对所述衬底的背面进行掩膜减薄；
21.采用去离子水对减薄后的所述衬底进行清洗，并烘干；
22.在所述衬底的背面沉积金属层，形成所述背面电极。
23.可选地，所述第二台面的表面为所述键合层，在所述第二台面处，所述保护层覆盖所述反射层，与所述反射层形成连续结构。
24.可选地，将所述外延结构键合至所述衬底的正面之后还包括：在所述第一导电类型的半导体层上方形成第一电极。
25.可选地，形成所述第二台面之后，对所述第一导电类型的半导体层远离所述发光层的表面进行粗化。
26.可选地，所述的垂直led芯片结构的制备方法还包括：沿所述第二台面对所述衬底进行切割，以将获得独立的led芯片。
27.根据本技术的另一实施例，提供一种垂直led芯片结构，其包括：
28.衬底，具有正面和与正面相对的背面；
29.位于所述衬底的正面的外延结构，所述外延结构包括依次叠置的第一导电类型的半导体层、发光层以及第二导电类型的半导体层，其中所述第二导电类型的半导体层所在的一侧与所述衬底键合；
30.第一台面，形成在切割区域对应的所述第二导电类型的半导体层中，所述第一台面的表面为所述第二导电类型的半导体层；
31.第二台面，形成在所述第一台面中，所述第二台面的表面为所述衬底；
32.保护层，形成在所述第一台面的表面及侧壁、所述第二台面的表面及侧壁以及位于所述切割区的所述第一导电类型的半导体层的表面；
33.背面电极，形成在所述衬底的背面，所述背面电极与所述第二导类型的半导体层电性连接。
34.可选地，所述垂直led芯片结构还包括形成在所述第一导电类型的半导体层上方的第一电极。
35.可选地，所述垂直led芯片结构还包括：
36.第二电极，形成在所述第二导电类型的半导体层远离所述发光层的一侧，所述第二电极包括紧邻所述第二导电类型的半导体层的电流阻挡层以及透明导电层，以及覆盖所述电流阻挡层和所述透明导电层的反射层，其中所述透明导电层形成在贯穿所述电流阻挡层的通孔中与所述第二导电类型的半导体层接触；
37.键合层，覆盖所述反射层，所述外延结构由所述键合层键合至所述衬底。
38.根据本技术的另一实施例，提供一种发光装置，该发光装置包括本技术提供的上述垂直led芯片结构。
39.如上所述，本技术的垂直led芯片结构及其制造方法及发光装置，具有以下有益效果：
40.本技术的在将外延结构键合至衬底之后，首先刻蚀外延结构形成第一台面，该第一台面形成在外延结构的第二导线类型的半导体层中，即，第一台面的表面为第二导线类型的半导体层。形成第一台面之后，在第一台面处继续刻蚀外延结构直至将外延结构刻穿暴露衬底，形成第二台面。第二台面的宽度小于第一台面的宽度，第一台面和第二台面具有高低差，该结构可有效降低大角度光在外延结构内的内部反射，降低对光的二次吸收，提升侧光出光率；尤其对于中小尺寸的芯片，侧面出光率提升效果显著，同时能降低划裂回熔物对亮度影响，提升整体出光效率。
41.在形成有第一台面和第二台面的结构表面形成保护层，该保护层覆盖第一台面的表面及侧壁、第二台面的表面及侧壁，以及切割区域对应的第一台面两侧的外延结构的表面。上述保护层在第二台面处覆盖裸露的反射层，对外延结构及反射层起到保护作用。形成上述保护层之后，对衬底进行背金工艺，此时保护层能够保护外延结构的侧壁以及反射层不受衬底背面研磨减薄后处理溶液的侵蚀，保证外延结构的完整度，提高芯片的可靠度。本技术的方法无需增加额外的工艺流程，通过调整相关工艺的工艺参数即可实现，因此不会造成成本增加，有利于量产。
附图说明
42.图1显示为现有技术中形成第一台面后形成保护层的结构示意图。
43.图2显示为在图1所示结构中形成第二台面的结构示意图。
44.图3显示为本技术实施例一提供的垂直led芯片结构的制备方法的流程示意图。
45.图4和图5a、图5b显示为图3所示的制备外延结构过程对应的结构示意图。
46.图6显示为将图5b所示的外延结构键合至衬底的结构示意图。
47.图7显示为在图6所示结构中形成第一电极的结构示意图。
48.图8显示为在图6所示结构中形成第一台面的结构示意图。
49.图9显示为在图8所示结构中形成第二台面的结构示意图。
50.图10显示为在图9所示结构的表面形成保护层的结构示意图。
51.图11显示为在图10所示结构的衬底的背面形成背面电极的结构示意图。
52.图12显示为本发明实施例二提供的垂直led芯片结构的结构示意图。
53.图13显示为本发明实施例三提供的发光装置的结构示意图。
54.元件标号说明
55.001，发光外延结构；002，保护层；003，第一台面；004，第二台面；100，垂直led芯片结构；101，衬底；102，外延结构；1021，第一导电类型的半导体层；1022，发光层；1023，第二导电类型的半导体层；103，反射层；104，键合层；105，第一电极；106，背面电极；107，第一台面；108，第二台面；109，保护层；110，临时衬底；120，透明导电层；130，电流阻挡层；200，发光装置；201，电路基板；202，发光单元。
具体实施方式
56.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。
57.如图1所示，现有技术中，制造垂直led芯片时，在发光外延结构001上形成第一台面003之后，即在外延结构001暴露的表面上形成保护层002。然后，如图2所示，在第一台面003的位置继续刻蚀发光外延结构001，直至刻穿发光外延结构001形成第二台面004。此时，如图2所示，第二台面004的形成暴露了部分发光外延结构002。在进行后续的衬底背金时，通常采用koh溶液对研磨减薄后的衬底的背面进行表面处理，此时，koh溶液会对暴露的发光外延结构002造成损伤，同时会对第二台面004暴露的金属层(例如反射层和/或键合层)造成损伤，进而影响芯片的可靠性。
58.为了解决以上问题，本技术提供一种垂直led芯片结构及其制造方法及发光装置，现结合以下实施例及附图进行详细描述。
59.实施例一
60.本实施例提供一种垂直led芯片结构的制造方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：
61.s101：制备外延结构，所述外延结构包括依次叠置的第一导电类型的半导体层、发光层以及第二导电类型的半导体层；
62.如图4所示，首先，提供一临时衬底110，该临时衬底110可以是蓝宝石衬底、碳化硅衬底、gaas衬底等适合生长外延层的衬底。在本实施例中，生长衬底以gaas衬底为例。
63.在生长衬底上依次沉积第一导电类型的半导体层1021、发光层1022及第二导电类型的半导体层1023，以形成外延结构102，例如可以采用化学气相沉积工艺依次在gaas衬底上形成上述第一导电类型的半导体层1021、发光层1022及第二导电类型的半导体层1023。
64.本实施例中，以algainp基红光外延结构为例。示例性地，上述第一导电类型的半导体层1021为n型algainp层，第二导电类型的半导体层1023为p型algainp层。n型algainp层的厚度可为0.5μm至3μm。发光层1022为多量子阱层，其包括交替生长的algainp量子阱层和algainp量子垒层，algainp量子阱层和algainp量子垒层中al的含量不同。其中，发光层1022可以包括交替层叠的3至8个周期的algainp量子阱层和algainp量子垒层。作为示例，发光层1022包括交替层叠的5个周期的algainp量子阱层和algainp量子垒层。可选地，发光层1022的厚度可以为150nm至200nm。可选地，第二导电类型的半导体层1023为掺铟的p型alinp层。p型alinp层的厚度可为0.5μm至3μm。
65.形成上述p型alinp层之后，在p型alinp层上方形成第二电极，如图5a所示，首先在p型alinp层上方形成透明导电层120，该透明导电层120例如可以是ito，该透明导电层120作为欧姆接触层。然后形成反射层103，该反射层103形成在透明导电层120的上方以及透明导电层120之外的p型alinp层层的表面上，由此使得反射层103覆盖并包裹透明导电层120，以对发光层1022辐射的光进行全方位的反射。优选地，该反射层103为全反射镜结构，例如可以是金属ag反射镜。
66.在本技术的另一可选实施例中，形成第二电极时，如图5b所示，首先在p型alinp层
上方形成电流阻挡层130，该电流阻挡层130可以作为odr反射结构的介电层，通常为低n(折射率)材料层，例如可以是sin
x
、sio2、al2o3、mgf2等透明介质层。然后，同样如图5b所示，在电流阻挡层130中形成通孔，在通孔中形成透明导电层120，该透明导电层120例如可以是ito，该透明导电层120作为欧姆接触层。然后形成反射层103，该反射层103形成在电流阻挡层130以及透明导电层120的上方的p型alinp层的表面上，以对发光层1022辐射的光进行全方位的反射。优选地，该反射层103为全反射镜结构，例如可以是金属ag反射镜。在反射层103上方形成键合层104，该键合层104为金属键合层，例如可以是au/sn金属键合层。
67.s102：提供一衬底，所述衬底具有正面和与正面相对的背面；
68.如上所述在临时衬底110上生长完外延结构102之后，提供一衬底101，该衬底101作为键合衬底，即永久衬底，用于键合上述外延结构102。可选地，衬底101可以是si衬底、w/cu衬底及mo/cu衬底中的一种。在本实施例中，衬底为si衬底。
69.s103：将所述外延结构键合至所述衬底的正面，其中所述第二导电类型的半导体层所在的一侧与所述衬底键合；
70.以图5b中的外延结构为例，如图6所示，将外延结构102的键合层104与衬底101的正面进行键合，例如可以通过高温经键合层104将外延结构102与衬底101键合在一起。
71.然后，同样如图6所示，将临时衬底110进行剥离，例如可以采用激光剥离工艺或者湿法蚀刻方式剥离临时衬底110，以提高剥离效率并降低对外延结构102的损伤。
72.将外延结构键合至衬底101并剥离临时衬底110之后，如图7所示，还包括在暴露出的第一导电类型的半导体层1021的表面形成第一电极105，该第一电极105可以选用ge/au/ni层，al/ti/pt/au层，或cr/pt/au层。在本实施例中，所述第一电极105优选为nge/au/ni层。
73.s104：在切割区对应位置处对所述外延结构进行第一次刻蚀，以形成第一台面，暴露出所述第一导电类型的半导体层及发光层的侧壁，所述第一台面的表面为所述第二导电类型的半导体层；
74.外延结构102键合至衬底101之后，为了便于后续切割获得单个led芯片，外延结构102对应有切割区。借由掩膜定义出切割区待刻蚀的区域，如图8所示，在带刻蚀的区域对外延结构102进行第一次刻蚀，可选实施例中，采用干法刻蚀，例如icp刻蚀对外延结构进行第一次刻蚀。该刻蚀停止在第二导电类型的半导体层1023中，即，不刻穿外延结构102，保留部分或全部第二导电类型的半导体层1023，形成图8所示的第一台面107。该第一台面107的暴露出外延结构102中第一导电类型的半导体层1021和发光层1022的侧壁，表面为第二导电类型的半导体层1023。
75.s105：在所述第一台面处对所述外延结构进行第二次刻蚀，形成第二台面，暴露出所述第二导电类型的半导体层的侧壁；
76.如图9所示，形成第一台面107之后，在第一台面107处对外延结构102进行第二次刻蚀，例如仍然采用icp工艺进行第二次刻蚀，通过调整刻蚀参数，使得第二次刻蚀的刻蚀宽度小于第一次刻蚀的刻蚀宽度。此次刻蚀将剩余的第二导电类型的半导体层1023刻穿直至暴露反射层103，形成第二台面108。该第二台面108的暴露出第二导电类型的半导体层1023的侧壁，其表面为反射层103。
77.如图9所示，上述第一台面107和第二台面108具有高低差，该结构可有效降低大角
度光在外延结构102内的内部反射，降低对光的二次吸收，提升侧光出光率；尤其对于中小尺寸的芯片，侧面出光率提升效果显著，同时能降低划裂回熔物对亮度影响，提升整体出光效率。
78.s106：在所述第一台面的表面及侧壁、所述第二台面的表面及侧壁以及所述外延结构的表面形成保护层；
79.如图10所示，形成第一台面107和第二台面108之后，在结构的表面形成保护层109，该保护层109形成在第一台面107的表面和侧壁上，第二台面108的表面和侧壁上，以及外延结构102的表面。即，该保护层109覆盖了第一导电类型的半导体层1021、发光层1022及第二导电类型的半导体层1023的所有暴露的侧壁，以及切割区域的第一导电类型的半导体层1021的表面。
80.同样如图10所示，在形成保护层109之前，还包括对外延结构102(第一导电类型的半导体层1021)的表面进行粗化，例如在外延结构102的表面形成纳米微结构，由此提高led芯片的出光率，同时增加保护层109的附着力。
81.如图10所示，保护层109覆盖了第一台面107和第二台面108的表面及侧壁，并且同时覆盖切割区域的外延结构102的表面，并且在第二台面108的表面处，保护层109与反射层103接触，形成连续结构。上述保护层109在图9所示的结构表面形成连续的保护层109，对外延结构102及反射层103起到隔绝后续处理溶液、防止化学腐蚀等保护作用。
82.s107：在所述衬底的背面形成背面电极，所述背面电极与所述第二导类型的半导体层电性连接。
83.在形成上述保护层109之后，如图11所示，在衬底101的背面进行背金，形成背面电极106。为了满足目标厚度的要求，首选需要将衬底101进行背部减薄，例如可以通过机械研磨将衬底101减薄至100μm左右，然后通过抛光进一步减薄至80μm左右。研磨过程中在衬底背面会有化学研磨液的残留，研磨表面晶格被破坏生产新的研磨生成物，从而会造成芯片的电压异常。并且在研磨过程中，第一电极表面会涂覆光刻胶以保护第一电极不受研磨过程的损伤。研磨后需要对研磨表面进行处理，并去除第一电极表面的光刻胶，例如采用koh溶液对研磨表面进行处理。将研磨后的结构浸泡至硫酸(浓度98wt.％)和双氧水(浓度30wt.％)混合配置成的去胶液中，去除光刻胶。然后将结构至于koh溶液中，去除衬底101的背面上的研磨生成物，确保芯片无电压隐患。之后，采用去离子水对刻槽后的衬底101进行清洗，并烘干。然后如图11所示，在衬底101的背面沉积金属，例如cu或者au或者ag等，形成背面电极106，该背面电极106与第二电极电性连接，用于向第二导电类型的半导体层1023传递电流。
84.由于形成了本实施例所述的保护层109，在衬底101背金工艺中，保护层109能够保护外延结构102的侧壁以及反射层103不受koh溶液的侵蚀，保证外延结构102的完整度，提高芯片的可靠度。本技术的方法无需增加额外的工艺流程，通过调整相关工艺的工艺参数即可实现，因此不会造成成本增加，有利于量产。
85.形成图11所示结构之后，沿第二台面108进行切割，一次切穿反射层103、键合层104、衬底101，将相邻的led芯片进行分离，如图12所示，获得独立的led芯片。如图12所示，切割后的led芯片的外延结构102均由保护层109覆盖，保护层109能够有效保护外延结构102不受切割过程的损伤，在后续使用中，保护层109也能够有效保护外延结构102，因此能
够有效提高led芯片的可靠性。
86.实施例二
87.本实施例提供一种垂直led芯片结构，同样参照图12，该垂直led芯片结构100包括衬底101，键合至衬底101的正面的外延结构102。上述外延结构可以是实施例一中图5a或图5b所示的外延结构。优选地，为图5b所示的外延结构。同样可参照图5b，该外延结构102包括依次叠置的第一导电类型的半导体层1021、发光层1022以及第二导电类型的半导体层1023，其中第二导电类型的半导体层1023一侧与衬底101键合。同样如图5b所示，外延结构102还包括形成在第二导电类型的半导体层1023表面的第二电极，该第二电极包括紧邻第二导电类型的半导体层1023的电流阻挡层130，形成在贯穿电流阻挡层130的通孔中的透明导电层120，形成在电流阻挡层130和透明导电层120上方的反射层103，该反射层103对发光层1022辐射的光进行全方位的反射。形成在反射层103表面的键合层104，该键合层104为金属键合层，例如可以是au/sn金属键合层。
88.同样参照图12，外延结构102(第一导电类型的半导体层1021)的表面形成有纳米微结构，使得外延结构102的表面形成为粗糙表面，该粗糙表面能够提高led芯片的出光率，同时增加保护层109的附着力。
89.第一台面107，形成在切割区域对应的第二导电类型的半导体层1023中，第一台面107的表面为第二导电类型的半导体层1023；该第一台面107的侧壁为外延结构102，表面为第二导电类型的半导体层1023。
90.第二台面108，形成在第一台面107中；该第二台面108的侧壁为第二导电类型的半导体层1023，上述第二台面108贯穿第二导电类型的半导体层1023，优选地，该第二台面的表面为反射层103。
91.保护层109，形成在所述第一台面107的表面及侧壁、所述第二台面108的表面及侧壁以及位于所述切割区的所述外延结构102的表面；保护层109覆盖了第一台面107和第二台面108的表面及侧壁，并且同时覆盖切割区域的外延结构102的表面，并且在第二台面108的表面处，保护层109与反射层103接触，形成连续结构。上述保护层109在处置led芯片结构的表面形成连续的保护层109，对外延结构102及反射层103起到隔绝处理溶液、防止化学腐蚀等保护作用，能够有效提高led芯片的可靠性。
92.同样参照图12及图5b，在外延结构102的第一导电类型的半导体层1021上方形成有第一电极105。该第一电极105可以选用ge/au/ni层，al/ti/pt/au层，或cr/pt/au层。在本实施例中，所述第一电极105优选为ge/au/ni层。
93.本实施例的垂直led芯片结构100还包括背面电极106，该背面电极106形成在与衬底101的正面相对的背面，所述背面电极106与所述第二导类型的半导体层电性连接。
94.实施例三
95.本实施例提供一种发光装置，如图13所示，该发光装置200包括电路基板201以及设置在电路基板201上的发光单元202，其中该发光单元202可以是本技术实施例二提供的垂直led芯片结构100。
96.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。