金屬電極具有陣列型微結構的發光二極體及其製造方法
2023-05-08 18:54:41 3
金屬電極具有陣列型微結構的發光二極體及其製造方法
【專利摘要】本申請提供了一種金屬電極具有陣列型微結構的發光二極體，包括外延片襯底和製備在外延片襯底上的多層結構，所述多層結構由下至上依次為緩衝層、第一型半導體層、多量子阱活性層、電子阻擋層、第二型半導體層和透明電流擴展層，第一型金屬電極和第二型金屬電極製備在透明電流擴展層之上，且第一型金屬電極和透明電流擴展層與第二型半導體層之間由絕緣層隔開。本申請還提供了相應的發光二極體製作方法。本發明能夠明顯改善發光二極體晶片在製造過程中有源區面積大幅減小的情況，可以有效的提高發光二極體的光功率。
【專利說明】 金屬電極具有陣列型微結構的發光二極體及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及LED【技術領域】，具體地說，本發明涉及一種具有陣列型微結構的發光二極體及其製備方法。
【背景技術】
[0002]發光二極體(Light Emitting Diodes, LEDs)由於具有電光轉換效率高、節能、環保、壽命長、體積小等優點，使得基於LED的半導體照明被認為是二十一世紀最有可能進入普通照明領域的一種新型固體冷光源和最具發展前景的高新【技術領域】之一。
[0003]半導體照明廣泛應用的關鍵是要提高其電光轉換效率。其中，提高氮化物LED晶片的內量子效率和出光效率是提高LED的整體電光轉換效率的有效途徑之一。LED晶片的內量子效率主要取決於外延材料的質量和外延結構，而出光效率主要與晶片結構有關。因此，需要從材料、外延結構、晶片表面、側面以及背面形態等方面去提高LED晶片的內量子效率與出光效率。
[0004]對於在藍寶石襯底上外延生長的水平結構功率型發光二極體晶片，其p-n電極位於同一側，由於電流的流動會遵守最短路線的路徑，因此在大電流操作條件下容易導致電流堵塞。進一步會形成熱積效應，降低功率型發光二極體晶片的內量子效率，導致有源區發光不均勻。因此需要對功率型發光二極體晶片的電極圖形進行優化設計，使注入電流在發光二極體晶片有源區均勻分布，避免電流堵塞現象。
[0005]在水平結構功率型發光二極體晶片製造過程中，第一型歐姆接觸電極的形成需要通過微加工工藝對發光二極體外延層進行刻蝕，暴露出第一型摻雜的GaN層。
[0006]圖1示出了現有技術中一種典型的GaN基功率型發光二極體的結構，圖1中下方的是GaN基功率型發光二極體表面的俯視圖，上方的是GaN基功率型發光二極體沿A-A面的剖面示意圖，該GaN基功率型發光二極體的結構由下至上依次為外延層襯底100、低溫緩衝層101、第一型半導體層102、多量子阱活性層103、電子阻擋層104、第二型半導體層105、透明電流擴展層106。
[0007]第二型歐姆接觸電極製作在透明電流擴展層106之上，具體地，根據預先設計的電極結構在電流阻擋層107之上製作透明電流擴展層106，然後再在透明電流擴展層106上製作第二型金屬導線108，從而形成第二型歐姆接觸電極。而對於第一型歐姆接觸電極，在其製作過程中，則需要通過微加工工藝對發光二極體外延層進行刻蝕，暴露出第一型半導體層102的部分區域，然後根據預先設計的電極結構在第一型半導體層102暴露出的區域製作第一型金屬導線109，從而形成第一型歐姆接觸電極。
[0008]容易看出，現有技術中在製作第一型歐姆接觸電極時，由於需要通過微加工工藝刻蝕來暴露出第一型半導體層102的部分區域，因此不可避免地會造成發光二極體晶片有源區面積的大幅減小，導致發光二極體晶片有源區面積的利用率下降，進而致使功率型發光二極體晶片的光功率的下降。
[0009]綜上所述，當前迫切需要一種能夠避免發光二極體晶片有源區面積大幅減小且能夠提高光功率的發光二極體及其製造方法。
【發明內容】
[0010]為克服現有的缺陷，本發明提出一種能夠避免發光二極體晶片有源區面積大幅減小且能夠提高光功率的發光二極體及其製造方法。
[0011]根據本發明的一個方面，提出了一種金屬電極具有陣列型微結構的發光二極體，包括外延片襯底和製備在外延片襯底上的多層結構，所述多層結構由下至上依次為緩衝層、第一型半導體層、多量子阱活性層、電子阻擋層、第二型半導體層和透明電流擴展層，第一型金屬電極和第二型金屬電極製備在透明電流擴展層之上，且第一型金屬電極和透明電流擴展層與第二型半導體層之間由絕緣層隔開，第二型金屬電極的焊盤正下方和透明電流擴展層之間由電流阻擋層隔開，所述第一型金屬電極通過多個填充金屬的微孔與所述第一型半導體層實現電連接，所述微孔中的金屬與微孔所穿過的發光二極體各層之間具有側壁絕緣層，所述發光二極體的最上層沉積有鈍化保護層。 [0012]其中，所述微孔具有一定的坡度，形成倒梯形結構。
[0013]其中，所述微孔的坡度的傾斜角為30°~70°。
[0014]其中，所述微孔處具有電性連接微結構，電性連接微結構的整體尺寸在20unT50um之間。
[0015]其中，所述電性連接微結構以一定間距分布在所述第一型電極的導線上。
[0016]其中，所述電性連接微結構的間距與所述電性連接微結構的整體尺寸的比值在1~4之間。
[0017]其中，所述微孔中的側壁絕緣層的內孔尺寸至少小於所述微孔尺寸5um。
[0018]其中，所述微孔是圓形或者正多邊形，或者帶有波浪的圓形或正多邊形，或者帶有鋸齒的圓形或正多邊形。
[0019]其中，所述透明電流擴展層可以採用氧化銦錫(Indium Tin Oxides簡寫ITO)、RuOx, IrOx, Ga/Al等第三主族元素摻雜的ZnO等材料製作。
[0020]其中，所述透明電流擴展層的厚度為i = 其中λ為入射光波長，η為所述透明
In
電流擴展層材料的折射率，m為整數。
[0021]其中，所述電流阻擋層材料是Si02、SiNx薄膜，或者是A2O3薄膜。
[0022]其中，所述鈍化保護層材料是SiO2、SiNx薄膜,或者是A2O3薄膜。
[0023]其中，所述側壁絕緣層的介質材料是Si02、Si3N4, TiO2, Al2O3、旋塗玻璃、聚醯亞胺或者苯環丁烯。
[0024]其中，所述發光二極體發光層表面粗化。
[0025]根據本發明的另一方面，提出了一種金屬電極具有陣列型微結構的發光二極體的製備方法，包括下列步驟:
[0026]I)在外延片襯底上依次製備緩衝層、第一型半導體層、多量子阱活性層、電子阻擋層、第二型半導體層；
[0027]2)在外延片表面刻蝕出多個微孔以暴露出第一型半導體層；
[0028]3)在外延片表面沉積絕緣材料，使所述多個微孔內附著絕緣材料形成側壁絕緣層；並在第二型導線正下方位置製備電流阻擋層；
[0029]4)製備透明電流擴展層；
[0030]5)製作第一型金屬電極和第二型金屬電極，並在所述多個微孔中充滿金屬，使所述第一型金屬電極通過所述多個微孔中的金屬與所述第一型半導體層實現電連接；
[0031 ] 6 )製作鈍化保護層，並使金屬焊盤裸露在外以備電性連接。其中，所述步驟2 )中，採用30°?70°的傾斜角刻蝕出微孔，使微孔呈倒梯形結構。
[0032]其中，所述步驟3)中，可以採用lift-off或溼法腐蝕工藝製備所述側壁絕緣層。
[0033]其中，所述步驟6)中，採用等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)、濺射法(sputter )、原子層沉積法(ALD )沉積絕緣材料。
[0034]與現有技術相比，本發明具有下列技術效果:
[0035]1、本發明能夠有效的改善發光二極體晶片有源區面積大幅減小的問題。
[0036]2、本發明能夠提高發光二極體的光功率。
[0037]3、本發明工藝條件簡單、製作成本低、製程容易控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]圖1示出了現有技術中一種典型的GaN基功率型發光二極體的結構，其中下方的是GaN基功率型發光二極體表面的俯視圖，上方的是GaN基功率型發光二極體沿A-A面的剖面示意圖；
[0039]圖2 (a)示出了本發明一個實施例中的GaN基功率型發光二極體的結構，其中下方的是發光二極體表面的俯視圖；上方的是該發光二極體沿A-A面的剖面示意圖；其第一導線為非連續性電性連接，其微結構是圓形；
[0040]圖2 (b)是圖2 (a)所示的GaN基功率型發光二極體的第一型電極導線的微結構局部放大圖；
[0041]圖3 Ca)是本發明另一個實施例中的GaN基功率型發光二極體的表面的俯視圖；
[0042]圖3 (b)是圖3 (a)所示的GaN基功率型發光二極體的第一型導線的微結構局部放大圖；
[0043]圖4 Ca)是本發明又一個實施例中的GaN基功率型發光二極體的表面的俯視圖；
[0044]圖4 (b)是圖4 (a)所示的GaN基功率型發光二極體的第一型導線的微結構局部放大圖；
[0045]圖5是本發明一個實施例中的電性連接微結構的剖面圖；圖中A表示第二型金屬節點，B代表側壁絕緣層；C代表透明電流擴展層；D是微孔所穿過的外延片各層；
[0046]圖6 (a)是本發明可採用的另一種電極圖案的示意圖(圖中未示出電性連接微結構);
[0047]圖6 (b)是本發明可採用的又一種電極圖案的示意圖(圖中未示出電性連接微結構)。
【具體實施方式】
[0048]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。
[0049]實施例一[0050]根據本發明的一個實施例，提供了一種金屬電極具有陣列型微結構的發光二極體，該方法包括下列步驟:
[0051](I)首先採用金屬化學氣相沉積(MOCVD)的方法在藍寶石襯底上依次沉積緩衝層、第一型半導體層n-GaN、量子阱、InGaN電子阻擋層、第二型半導體層p_GaN外延層，形成完整的發光二極體PN結結構；
[0052](2)採用合金爐對生長完畢的外延片進行退火處理，激發P-GaN的Mg摻雜受主；
[0053](3)採用化學試劑清洗的方法處理外延片表面後進行臺階刻蝕，暴露出第一型半導體層n-GaN，此工序即為MESA刻蝕工藝；不同於現有技術，本步驟並非對外延片表面的整片區域進行刻蝕，而是在外延片表面刻蝕出一系列的微孔，從所刻蝕的微孔中暴露出第一型半導體層n-GaN，這些微孔組成微孔陣列，用於在第一型半導體層n_GaN與第一型金屬導線之間形成非連續性電性連接；在MESA刻蝕時，所刻蝕出的微孔具有一定的坡度，形成倒梯形結構，其傾斜角30° -70°，這樣利於絕緣層附著以及增加側壁出光面積，從而在微孔內形成側壁絕緣層；
[0054](4)採用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)的方法在晶圓表面沉積一層SiO2,通過光刻版的設計，使得此絕緣層一部分作為第二型金屬導線與第二型半導體層之間的電流阻擋層(絕緣層)，另一部分形成微孔中的側壁絕緣層，用於將微孔中的第一型金屬導線與微孔所穿過的外延片各層隔開；
[0055](5)使用薄膜蒸發設備在外延片表面蒸鍍一層ITO透明導電薄膜，其厚度根據入射光波長和ITO折射率而變化，可通過如下公式確定:
【權利要求】
1.一種金屬電極具有陣列型微結構的發光二極體，包括外延片襯底和製備在外延片襯底上的多層結構，所述多層結構由下至上依次為緩衝層、第一型半導體層、多量子阱活性層、電子阻擋層、第二型半導體層和透明電流擴展層，第一型金屬電極和第二型金屬電極製備在透明電流擴展層之上，金屬電極保護焊盤和導線兩部分，且兩部分自然連接，第一型金屬電極和透明電流擴展層與第二型半導體層之間由絕緣層隔開，第二型金屬電極的焊盤和透明電流擴展層之間由電流阻擋層隔開，所述第一型金屬電極通過多個填充金屬的微孔與所述第一型半導體層實現電連接，所述微孔中的金屬與微孔所穿過的發光二極體各層之間具有側壁絕緣層，所述發光二極體的最上層沉積有鈍化保護層。
2.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於，所述微孔具有坡度，形成倒梯形結構。
3.根據權利要求3所述的發光二極體，其特徵在於，所述微孔的坡度的傾斜角為30。~70° 。
4.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於，所述第一型金屬電極在所述微孔處具有電性連接微結構，電性連接微結構的整體尺寸在20unT50um之間。
5.根據權利要求4所述的發光二極體，其特徵在於，所述電性連接微結構以一定間距分布在所述第一型金屬電極的導線上。
6.根據權利要求5所述的發光二極體，其特徵在於，所述電性連接微結構的間距與所述電性連接微結構的整體尺寸的比值在I~4之間。
7.根據權利要求6所述的發光二極體，其特徵在於，所述微孔中的側壁絕緣層的內孔尺寸至少小於所述微孔尺寸5um。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的發光二極體，其特徵在於，所述微孔是圓形或者正多邊形，或者帶有波浪的圓形或正多邊形，或者帶有鋸齒的圓形或正多邊形。
9.根據權利要求1至7中任一項所述的發光二極體，其特徵在於，所述透明電流擴展層採用ITO、RuOx, IrOx或者第三主族元素摻雜的ZnO製作。
10.根據權利要求1至7中任一項所述的發光二極體，其特徵在於，所述透明電流擴展層的厚度為t =mλ/2n，其中λ為入射光波長，η為所述透明電流擴展層材料的折射率，m為整
數。
11.根據權利要求1至7中任一項所述的發光二極體，其特徵在於，所述電流阻擋層材料是SiO2薄膜、SiNx薄膜或者Al2O3介質膜。
12.根據權利要求1至7中任一項所述的發光二極體，其特徵在於，所述鈍化保護層的介質材料是SiO2、Si3N4或者Al2O3。
13.根據權利要求1至7中任一項所述的發光二極體，其特徵在於，所述側壁絕緣層的介質材料是Si02、Si3N4, TiO2, Al2O3、旋塗玻璃、聚醯亞胺或者苯環丁烯。
14.根據權利要求1至7中任一項所述的發光二極體，其特徵在於，所述發光二極體發光層表面粗化。
15.一種金屬電極具有陣列型微結構的發光二極體的製備方法，包括下列步驟: I)在外延片襯底上依次製備緩衝層、第一型半導體層、多量子阱活性層、電子阻擋層和第二型半導體層；.2)在外延片表面刻蝕出多個微孔以暴露出第一型半導體層； .3)在外延片表面沉積絕緣材料，使所述多個微孔內附著絕緣材料形成側壁絕緣層；並在第二型金屬電極焊盤的正下方位置製備電流阻擋層； .4)製備透明電流擴展層； .5)製作第一金屬電極和第二型金屬電極，並在所述多個微孔中充滿金屬，使所述第一型金屬電極通過所述多個微孔中的金屬與所述第一型半導體層實現電連接； .6 )製作鈍化保護層，並使金屬焊盤裸露在外以備電性連接。
16.根據權利要求15所述的發光二極體的製備方法，其特徵在於，所述步驟2)中，採用30° ^70°的傾斜角刻蝕出微孔，使微孔呈倒梯形結構。
17.根據權利要求15所述的發光二極體的製備方法，其特徵在於，所述步驟4)中，採用lift-off或溼法腐蝕工藝製備所述側壁絕緣層。
18.根據權利要求15所述的發光二極體的製備方法，其特徵在於，所述步驟6)中，採用等離子增強化學氣相沉積法、濺射法、原子層沉積法沉積絕緣材料。
【文檔編號】H01L33/38GK103682021SQ201210349636
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月18日 優先權日:2012年9月18日
【發明者】周聖軍, 王書方 申請人:廣東量晶光電科技有限公司