用于倒裝led芯片的外延片結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導體光電芯片制造領(lǐng)域，特別涉及一種用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN基LED自從20世紀90年代初商業(yè)化以來，經(jīng)過二十幾年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)已趨于成熟和完善，已能夠滿足人們現(xiàn)階段對燈具裝飾的需求；但要完全取代傳統(tǒng)光源進入照明領(lǐng)域，尤其是高端照明領(lǐng)域，發(fā)光亮度的提高卻是LED行業(yè)科研工作者永無止境的追求。近年來，在提高LED發(fā)光亮度方面最活躍的技術(shù)無疑是圖形化襯底技術(shù)，圖形化襯底技術(shù)不僅通過減少晶格缺陷(或晶格適配)而提高了 LED外延的晶體質(zhì)量，從而大大提高了其內(nèi)量子效率；而且通過增加界面(外延層與襯底的界面)處的散射或漫反射作用而提高了LED芯片光萃取效率(或者說提高了 LED芯片的外量子效率)。自從2010年以來，無論是錐狀結(jié)構(gòu)的干法圖形化襯底技術(shù)還是金字塔形狀的濕法圖形化襯底技術(shù)都得到了飛速的發(fā)展，其工藝已經(jīng)非常成熟，并于2012年完全取代了平襯底，成為LED芯片的主流襯底，使LED的晶體結(jié)構(gòu)和發(fā)光亮度都得到了革命性的提高；已經(jīng)能夠部分取代傳統(tǒng)光源進入相關(guān)領(lǐng)域，例如顯示領(lǐng)域、低端照明領(lǐng)域等。
[0003]為了應對LED高發(fā)光亮度的挑戰(zhàn)，進入高端照明領(lǐng)域，LED行業(yè)的科研工作者提出了高壓LED芯片、垂直LED芯片和倒裝LED芯片等結(jié)構(gòu)。
[0004]高壓LED芯片結(jié)構(gòu)一般是在外延層形成后，通過光刻刻蝕工藝形成隔離槽，再在隔離槽內(nèi)填充絕緣材料，最后在各絕緣分離的外延層上制作電極并形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)；雖然這種結(jié)構(gòu)可以提高LED的發(fā)光亮度，但形成隔離槽、填充絕緣材料的工藝過程卻大大增加了芯片的制造成本，不僅如此，在一定程度上還降低了 LED芯片的可靠性，例如由于現(xiàn)有刻蝕均勻性達不到要求而導致的深槽刻蝕不干凈，會最終導致漏電，降低LED芯片的抗擊穿能力等。
[0005]垂直LED芯片結(jié)構(gòu)雖然不需要刻蝕N區(qū)材料，在一定程度上降低了 LED的一部分生產(chǎn)成本，且適于大電流的注入，可以進一步提高LED芯片的發(fā)光亮度，但是，和高壓芯片一樣，垂直結(jié)構(gòu)的LED也需要形成隔離槽，這又大大提高了 LED的生產(chǎn)成本，不僅如此，垂直結(jié)構(gòu)的芯片還需要剝離掉生長襯底，這又再一次提高了 LED芯片的生產(chǎn)成本，降低了 LED芯片的良率和可靠性。
[0006]倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)是將正裝芯片倒裝焊接于一導電導熱性能良好的基板上，使得發(fā)熱比較集中的發(fā)光外延層更接近于散熱熱塵，使大部分熱量通過基板導出，而不是從散熱不良的藍寶石生長襯底導出，這在一定程度上緩解了 LED芯片的散熱問題，提高了 LED芯片的可靠性；并且，在LED芯片面積確定的情況下，與其它結(jié)構(gòu)的LED芯片相比，倒裝結(jié)構(gòu)的LED芯片的發(fā)光面積更大，所以在面對高端照明領(lǐng)域高發(fā)光亮度需求的挑戰(zhàn)時更具優(yōu)勢；然而倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)是在N面出光的，由于藍寶石的折射率低于氮化鎵的折射率，所以外延層射出來的光會在藍寶石和襯底界面上發(fā)生反射，導致較多的光不能發(fā)射出來，尤其是目前應用于LED芯片結(jié)構(gòu)中主流的圖形化襯底又具有散射和漫反射作用，更容易導致較多的光不能發(fā)射出來，減少了出光效率；但是如果不采用圖形化襯底技術(shù)，LED芯片的內(nèi)量子效率就不能充分發(fā)揮。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對上述問題提供一種用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)及其制作方法，既能提高倒裝LED芯片的晶體質(zhì)量(即內(nèi)量子效率)，又能減少從外延層射向襯底的光的反射，增加其透射，提高倒裝LED芯片的出光效率(即外量子效率)。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)，包括依次形成的支撐襯底、晶格匹配層、具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)的連通介質(zhì)層、N型半導體層、有源層以及P型半導體層，所述具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)的連通介質(zhì)層暴露出部分所述晶格匹配層，所述N型半導體層覆蓋所述具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)的連通介質(zhì)層以及所述晶格匹配層，所述晶格匹配層的晶體結(jié)構(gòu)與所述N型半導體層的晶體結(jié)構(gòu)相同。
[0009]進一步的，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)中，所述N型半導體層為摻硅的氮化鎵薄膜，所述晶格匹配層為氮化鎵薄膜或者氮化鋁薄膜。所述支撐襯底為表面平坦的藍寶石襯底。所述具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)的連通介質(zhì)層為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅薄膜。
[0010]進一步的，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)中，所述柱狀結(jié)構(gòu)是柱狀空洞，通過所述柱狀空洞暴露部分所述晶格匹配層。
[0011]進一步的，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)中，所述柱狀結(jié)構(gòu)為圓柱形空洞、橢圓柱形空洞或多棱柱狀空洞。更進一步的，所述柱狀結(jié)構(gòu)為六棱柱狀空洞。
[0012]進一步的，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)中，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)中，所述柱狀結(jié)構(gòu)是柱狀凸起，通過所述柱狀凸起之間的空隙暴露部分所述晶格匹配層。
[0013]進一步的，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)中，所述柱狀結(jié)構(gòu)為圓柱形凸起、橢圓柱形凸起或多棱柱狀凸起。更進一步的，所述柱狀結(jié)構(gòu)為六棱柱狀凸起。
[0014]本發(fā)明還提供一種用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)制作方法，包括:
[0015]提供一支撐襯底；
[0016]在所述支撐襯底上形成晶格匹配層；
[0017]在所述晶格匹配層上形成具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)的連通介質(zhì)層，所述具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)的連通介質(zhì)層暴露部分所述晶格匹配層；
[0018]依次形成N型半導體層、有源層以及P型半導體層，所述N型半導體層覆蓋所述具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)的連通介質(zhì)層以及晶格匹配層，所述晶格匹配層的晶體結(jié)構(gòu)與所述N型半導體層的晶體結(jié)構(gòu)相同。
[0019]進一步的，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)制作方法中，所述N型半導體層為摻硅的氮化鎵薄膜，所述晶格匹配層為氮化鎵薄膜或者氮化鋁薄膜。所述支撐襯底為表面平坦的藍寶石襯底。所述具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)的連通介質(zhì)層為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅薄膜。
[0020]進一步的，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)制作方法中，所述柱狀結(jié)構(gòu)是柱狀空洞，通過所述柱狀空洞暴露部分所述晶格匹配層。
[0021]進一步的，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)制作方法中，所述柱狀結(jié)構(gòu)為圓柱形空洞、橢圓柱形空洞或多棱柱狀空洞。更進一步的，所述柱狀結(jié)構(gòu)為六棱柱狀空洞。
[0022]進一步的，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)制作方法中，所述柱狀結(jié)構(gòu)是柱狀凸起，通過所述柱狀凸起之間的空隙暴露部分所述晶格匹配層。
[0023]進一步的，所述的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)制作方法中，所述柱狀結(jié)構(gòu)為圓柱形凸起、橢圓柱形凸起或多棱柱狀凸起。更進一步的，所述柱狀結(jié)構(gòu)為六棱柱狀凸起。
[0024]在本發(fā)明提供的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)中，位于晶格匹配層上的連通介質(zhì)層具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)，由于連通介質(zhì)層并非是平坦表面，有利于提高形成于連通介質(zhì)層上的外延層的晶體質(zhì)量，進而提高倒裝LED芯片的內(nèi)量子效率；并且，所述柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面垂直于支撐襯底的表面，不會發(fā)生光散射或漫反射，能夠減少從外延層射向支撐襯底的光的反射，增加其透射，提高倒裝LED芯片的出光效率，即提高倒裝LED芯片的外量子效率；此外，所述晶格匹配層的晶體結(jié)構(gòu)與所述N型半導體層的晶體結(jié)構(gòu)相同，例如所述晶格匹配層選為氮化鎵薄膜或者氮化鋁薄膜，采用上述與N型半導體層的晶體結(jié)構(gòu)相同的材料可以獲得較佳的晶格匹配效果，減少位錯缺陷，進一步提高倒裝LED芯片的內(nèi)量子效率。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明實施例一的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)的剖面圖；
[0026]圖2是本發(fā)明實施例一的連通介質(zhì)層的俯視圖；
[0027]圖3是本發(fā)明實施例二的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)的剖面圖；
[0028]圖4是本發(fā)明實施例二的連通介質(zhì)層的俯視圖；
[0029]圖5是本發(fā)明實施例三的連通介質(zhì)層的俯視圖；
[0030]圖6是本發(fā)明實施例四的連通介質(zhì)層的俯視圖；
[0031]圖7是本發(fā)明用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)制作方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0032]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)及其制作方法作進一步詳細說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
[0033]實施例一
[0034]圖1是本發(fā)明實施例一的用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)的剖面圖，圖2是本發(fā)明實施例一的連通介質(zhì)層的俯視圖；
[0035]如圖1和圖2所示，所述用于倒裝LED芯片的外延片結(jié)構(gòu)包括依次形成的支撐襯底10、晶格匹配層11、具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)12a的連通介質(zhì)層12、N型半導體層13、有源層14以及P型半導體層15，所述晶格匹配層11形成于所述支撐襯底10上，所述連通介質(zhì)層12形成于所述晶格匹配層11上并暴露出部分所述晶格匹配層11，所述N型半導體層13覆蓋所述連通介質(zhì)層12以及所述晶格匹配層11，所述晶格匹配層11的晶體結(jié)構(gòu)與所述N型半導體層13的晶體結(jié)構(gòu)相同。
[0036]本實施例中，所述柱狀結(jié)構(gòu)12a可以是柱狀空洞，通過所述柱狀空洞暴露所述晶格匹配層11。具體地說，所述柱狀結(jié)構(gòu)12a為圓柱形空洞。當然，由于所述支撐襯底10為圓形襯底，所述支撐襯底10邊緣的柱狀結(jié)構(gòu)12a可以是不完整的圓柱形空洞，本發(fā)明對柱狀結(jié)構(gòu)12a的數(shù)量和排布方式不加限制，可根據(jù)實際布圖情況相應的調(diào)整。
[0037]所述支撐襯底10為表面平坦的藍寶石襯底。所述具有周期性排列的柱狀結(jié)構(gòu)的連通介質(zhì)層12的材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，上述材料均為LED制作工藝中經(jīng)常采用的材料，成本較低。
[0038]所述N型半導體層13的材料例如為摻娃的氮化鎵(GaN)。所述有源層14例如為InxGaU和InyGaN1J交替層疊而成的至少5個周期的周期性結(jié)構(gòu)，其