CN102237456A - 一种垂直结构发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种垂直结构发光二极管及其制造方法，属于发光二极管领域，该垂直结构发光二极管包括：导电衬底；第一导电电极，位于所述导电衬底上；电流扩散层，位于所述第一导电电极上；发光外延结构，位于所述电流扩散层上；蓝宝石衬底，位于所述发光外延结构上，所述蓝宝石衬底出光侧表面为粗糙面，厚度为2～15um，粗糙度为10～500nm；至少一个第二导电电极，位于所述蓝宝石衬底侧并穿过蓝宝石衬底与所述发光外延结构连接。本发明还提供了一种垂直结构发光二极管的制造方法，解决了现有垂直结构发光二极管出光率低、散热效果较差、产品使用寿命较短的技术问题。

Description

一种垂直结构发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明属于垂直结构发光二极管领域，尤其涉及一种散热效果好、出光效率高的垂直结构发光二极管及其制造方法。

背景技术

现有的垂直结构发光二极管，采用激光剥离技术将蓝宝石衬底完全剥离，露出发光外延结构，达到散热效果较好的目的；并在发光外延结构形成粗糙面以提高出光效率。由于激光处理过程中会产生过高温度，对不同结构层造成较大温差的影响，对外延层造成永久性破坏，严重影响器件的稳定性和使用寿命。并且在制造过程中要额外形成粗糙面，增加了制造的复杂度。

现有另一种垂直结构发光二极管，采用激光切割和激光剥离技术将蓝宝石衬底局部剥离，在剥离部分的发光外延结构上形成电极构成垂直型发光二极管。由于蓝宝石衬底约占结构总体厚度的90％以上，也是结构中最大热阻之一，局部剥离无法改善散热问题，制约器件的使用寿命。同时，局部激光切割和剥离制程生产效率缓慢，切割时间过长导致应力过大而造成规则或不规则裂片，降低了良率和产出，相应的增加了成本。

发明内容

本发明为解决现有发光二极管出光率低、散热效果差的技术问题，提供一种出光率高、散热效果好的垂直结构发光二极管的制造方法。

一种垂直结构发光二级管制造方法，包括：

(1)、在蓝宝石衬底上形成发光外延结构；

(2)、在发光外延结构上形成电流扩散层；

(3)在电流扩散层上形成第一导电电极；

(4)、将做好第一导电电极的发光外延结构形成在另一导电衬底上，形成倒装结构，保证蓝宝石衬底朝上；

(5)、将蓝宝石衬底减薄至指定厚度及指定粗糙度；

(6)、对上述减薄后的蓝宝石衬底进行光刻处理，得到电极结构图案，并将带电极结构图案的蓝宝石衬底剥离，露出部分发光外延结构；

(7)、在露出的发光外延结构上形成第二导电电极。

另外，本发明还包括一种垂直结构发光二级管，该垂直结构发光二级管包括：

导电衬底；

第一导电电极，位于所述导电衬底上；

电流扩散层，位于所述第一导电电极上；

发光外延结构，位于所述电流扩散层上；

蓝宝石衬底，位于所述发光外延结构上，所述蓝宝石衬底出光侧表面为粗糙面，厚度为2～15um，粗糙度为10～500nm；

至少一个第二导电电极，位于所述蓝宝石衬底侧并穿过蓝宝石衬底与所述发光外延结构连接。

本发明将蓝宝石衬底的厚度减薄到2～15um，提高了散热效果；将蓝宝石衬底保留一部分厚度，能提供出光效率，并在蓝宝石衬底出光面形成粗糙面，有效的提高了出光效率。本发明制成的垂直结构发光二极管出光率高、散热效果好，极大的提高了发光二极管的稳定性及使用寿命。

附图说明

图1至图6是本发明实施例提供的垂直结构发光二极管的工艺剖面图。

图中，附图标记表示：

11：蓝宝石衬底；  121：缓冲层；

12：发光外延结构；122：第二电性半导体；

13：电流扩散层；  123：发光层；

14：第一导电电极；124：第一电性半导体；

15：导电衬底；

16：第二导电电极。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种垂直结构发光二极管的制造方法，结合图1至图6对该制造方法过程进行详细描述。

(1)、如图1所示，在蓝宝石衬底11上通过外延技术进行磊晶，将发光外延结构12形成在蓝宝石衬底11上，发光外延结构12包括：缓冲层121、第二电性半导体122、发光层123和第一电性半导体124。

发光层123的结构设计可适用于蓝光、绿光或者白光芯片的组建，外延磊晶过程中为了提升第一电性半导体124的导电性，对其进行退火处理。

(2)、如图2所示，通过电子枪蒸镀、磁控溅射等PVD(Physical VaporDeposition，物理气相沉积)技术在第一电性半导体124表面沉积透光率和导电性优良的电流扩散层13，此电流扩散层13的厚度在300nm左右，并通过高温形式对此电流扩散层13进行合金化，进一步提高该层电流扩散特性。

(3)、如图3所示，在电流扩散层13上通过电子枪蒸镀、磁控溅射等PVD技术沉积约2-3um的具有高反射率的金属或金属合金电极，作为第一导电电极14。第一导电电极14为高反射率金属或金属合金，能有效提高发光二极管的出光效率。

(4)、如图4所示，将第一导电电极14连同下面的电流扩散层13、发光外延结构12、蓝宝石衬底11一同键合或熔合在导电衬底15上，构成倒装结构，保证蓝宝石衬底11朝上。

此种键合或熔合可直接采用高温技术或带有导电黏合剂的高温技术来实现，增加的导电衬底15可为金属或金属与其他导电材料的合金。其采用倒装键合的方法，提高了该垂直结构发光二级管散热效果，达到延长器件使用寿命的效果。

(5)、如图5所示，将键合后的结构通过黏合剂固定在治具上，并使此黏合剂的包附高度超过导电衬底15的高度，同时通过高温对粘合剂进行固化，加强牢固性。然后对蓝宝石衬底11进行处理，使蓝宝石衬底11减薄至指定厚度及指定粗糙度。

(6)、如图6所示，对减薄后的蓝宝石衬底11进行光刻处理，得到电极结构图案，之后再采用干式或湿式蚀刻的方法进行刻蚀，将带电极结构的蓝宝石衬底11蚀刻掉，露出部分发光外延结构12。蚀刻深度在5～13um，此步骤在减薄后的蓝宝石衬底11上进行蚀刻，能缩短工艺时间，便于产品量产。

(7)、如图6所示，在露出的发光外延结构12上再进行PVD方式沉积第二导电电极16，优选方案，该第二导电电极16为双电极结构，两第二导电电极16位于蓝宝石衬底11出光侧两端，此第二导电电极16为金属或金属合金，具有高反射率，电极厚度为1.5～5um，面积约为发光二极管表面积的1/10～1/5。

第一导电电极14为高反射率金属或金属合金，能有效提高出光效率。双电极结构不仅更有效的提高了电流扩散效果，增加内量子效率，也方便了大电流注入及功率型器件的制作。同时，双电极结构还具有保护特性，增加了器件在使用过程中安全性和稳定性，减少死灯的几率。

优选方案，在第二导电电极16上制作钝化层进行保护。

优选方案，步骤(5)将蓝宝石衬底11减薄的方法包括：

a1、用研磨的方法将蓝宝石衬底11减薄至30～50um；优选方案，用研磨的方法将蓝宝石衬底11减薄至30um，利于抛光时减少时间；优选方案，用研磨的方法将蓝宝石衬底11减薄至50um，比较好控制研磨的速度；优选方案，用研磨的方法将蓝宝石衬底11减薄至40um，能一定程度上减小抛光的时间，且能比较容易控制研磨速度。

a2、再通过抛光的方法减薄至2～10um，粗糙度为10～100nm；抛光的方法如下：在蓝宝石衬底11上涂抹抛光液，再用铜板进行抛光。可通过控制抛光液的浓度、抛光液中颗粒的大小来控制蓝宝石衬底11的厚度及粗糙度。优选方案，用抛光的方法将研磨后的蓝宝石衬底11减薄至2um，粗糙度为100nm。厚度较薄，利于发光二极管散热，粗糙度较大，利于出光率的提高，但是抛光的速度、抛光液浓度及抛光液中颗粒的大小不易控制。优选方案，用抛光的方法将研磨后的蓝宝石衬底11减薄至6um，粗糙度为50nm，厚度和粗糙度都适中，比较好控制抛光的速度、抛光液浓度及抛光液中颗粒的大小。优选方案，用抛光的方法将研磨后的蓝宝石衬底11减薄至10um，粗糙度为10nm，容易控制抛光的速度、抛光液浓度及抛光液中颗粒的大小，散热效果较好、出光率较高。

优选方案，步骤(5)将蓝宝石衬底11减薄的方法包括：

b1、用抛光的方法将蓝宝石衬底11减薄至2～10um，粗糙度为10～100nm。同上述研磨加抛光的方法相比，生产出发光二极管效果相同。相对来说用时较长，但单独抛光的方法不易造成坏片。

作为最优方案，步骤(5)将蓝宝石衬底11减薄的方法包括：

c1、用研磨的方法将蓝宝石衬底11减薄至5～15um，粗糙度为50～500nm。和研磨加抛光的方法、或单独抛光的方法相比，速度较快，但是研磨的速度不易控制。优选方案，用研磨的方法将蓝宝石衬底11减薄至15um，粗糙度为500nm，比较好控制研磨的速度。优选方案，用研磨的方法将蓝宝石衬底11减薄至5um，粗糙度为50nm，发光二极管散热效果较好，但较难控制研磨的速度。优选方案，用研磨的方法将蓝宝石衬底11减薄至10um，粗糙度为300nm，发光二极管散热效果及出光率适中，且比较容易控制研磨的速度。

采用研磨加抛光的方法、或单独抛光的方法、或单独研磨的方法避免了激光剥离等技术产生高热对结构的破坏，生产良率低及无法规模量产的技术问题。单独抛光的方法需要时间较长，但能达到较小的厚度及理想的粗糙度；单独研磨的方法达到的厚度及粗糙度较大，但是需要时间短；利用研磨加抛光的方法，在时间及厚度和粗糙方面达到一个平衡。同时，通过对研磨速度、抛光材料及工艺参数的控制，在减薄的过程中即可直接制作粗糙面，免除了剥离蓝宝石衬底11后再刻蚀出粗糙面的复杂过程。

该方法制造的垂直结构发光二极管的出光面为蓝宝石面，减少了光的全反射，增大了临界角，提高了出光效率。蓝宝石出光面具有粗糙结构，进一步的增大了出光效率。

本垂直结构发光二极管制造方法工艺流程简单、制作时间短；且制造出的垂直结构发光二极管散热效果好、出光率高，极大的提高了发光二极管的稳定性及使用寿命。

本发明还涉及一种垂直结构发光二极管，如图6所示，该垂直结构发光二极管包括：导电衬底15；第一导电电极14，位于所述导电衬底15上；电流扩散层13，位于所述第一导电电极14上；发光外延结构12，位于所述电流扩散层13上；蓝宝石衬底11，位于所述发光外延结构12上，所述蓝宝石出光侧表面为粗糙面，厚度为2～15um，粗糙度为10～500nm；至少一个第二导电电极16，位于所述蓝宝石衬底11侧并穿过蓝宝石衬底11与所述发光外延结构12连接。

优选方案，所述蓝宝石衬底11出光侧表面为粗糙面，厚度为6um，粗糙度为250nm，该垂直结构发光二极管制造工艺简单，且散热效果较好，出光率较高。

本垂直结构发光二极管的蓝宝石衬底11比较薄，有效的提高了散热效果。且出光面为蓝宝石面，减少了光的全反射，增大了临界角，提高了出光效率；同时蓝宝石出光面具有粗糙结构，进一步的增大了出光效率。

上述发光外延结构12包括：第一电性半导体124，位于所述电流扩散层13上；发光层123，位于所述第一电性半导体124上；第二电性半导体122，位于所述发光层123上；缓冲层121，位于所述第二电性半导体122上，所述缓冲层121与所述蓝宝石衬底11相连；所述第二导电电极16穿过所述缓冲层121与第二电性半导体122相连。

优选方案，所述第二导电电极16具有两个电极，两第二导电电极16位于蓝宝石衬底11出光侧两端。双电极结构不仅更有效的提高了电流扩散效果，增加内量子效率，也方便了大电流注入及功率型器件的制作。同时，双电极结构还具有保护特性，增加了器件在使用过程中安全性和稳定性，减少了死灯的几率。

所述第二导电电极16与第一导电电极14极性相反。

优选方案，所述第一导电电极14、第二导电电极16具有较高反射率，能有效提高出光效率。

优选方案，所述第二导电电极16上还具有钝化层，对第二导电电极16进行保护。

本发明的垂直结构发光二极管散热效果好、出光率高，极大的提高了发光二极管的稳定性及使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种垂直结构发光二极管制造方法，包括：

(1)、在蓝宝石衬底上形成发光外延结构；

(2)、在发光外延结构上形成电流扩散层；

(3)、在电流扩散层上形成第一导电电极；

(4)、将做好第一导电电极的发光外延结构形成在另一导电衬底上，构成倒装结构，保证蓝宝石衬底朝上；

其特征在于：该方法还包括：

(5)、将蓝宝石衬底减薄至指定厚度及指定粗糙度；

(6)、对上述减薄后的蓝宝石衬底进行光刻处理，得到电极结构图案，并将带电极结构图案的蓝宝石衬底剥离，露出部分发光外延结构；

(7)、在露出的发光外延结构上形成第二导电电极。

2.如权利要求1所述的垂直结构发光二极管制造方法，其特征在于：步骤(5)将蓝宝石衬底减薄的方法包括：

a1、用研磨的方法将蓝宝石衬底减薄至30～50um；

a2、再通过抛光的方法减薄至2～10um，粗糙度为10～100nm。

3.如权利要求1所述的垂直结构发光二极管制造方法，其特征在于：步骤(5)将蓝宝石衬底减薄的方法包括：

b1、用抛光的方法将蓝宝石衬底减薄至2～10um，粗糙度为10～100nm。

4.如权利要求1所述的垂直结构发光二极管制造方法，其特征在于：步骤(5)将蓝宝石衬底减薄的方法包括：

c1、用研磨的方法将蓝宝石衬底减薄至5～15um，粗糙度为50～500nm。

5.如权利要求1所述的垂直结构发光二极管制造方法，其特征在于：该方法还包括：

在第二导电电极上形成钝化层。

6.一种垂直结构发光二极管，其特征在于：包括：

导电衬底；

第一导电电极，位于所述导电衬底上；

电流扩散层，位于所述第一导电电极上；

发光外延结构，位于所述电流扩散层上；

蓝宝石衬底，位于所述发光外延结构上，所述蓝宝石衬底出光侧表面为粗糙面，厚度为2～15um，粗糙度为10～500nm；

至少一个第二导电电极，位于所述蓝宝石衬底侧并穿过蓝宝石衬底与所述发光外延结构连接。

7.如权利要求6所述的垂直结构发光二极管，其特征在于：所述发光外延结构包括：

第一电性半导体，位于所述电流扩散层上；

发光层，位于所述第一电性半导体上；

第二电性半导体，位于所述发光层上；

缓冲层，位于所述第二电性半导体上，所述缓冲层与蓝宝石衬底相连；

所述第二导电电极穿过所述缓冲层与第二电性半导体相连。

8.如权利要求6所述的垂直结构发光二极管，其特征在于：所述第二导电电极具有两个电极，两第二导电电极位于蓝宝石衬底出光侧两端。

9.如权利要求6所述的垂直结构发光二极管，其特征在于：所述第二导电电极与第一导电电极极性相反。

10.如权利要求6所述的垂直结构发光二极管，其特征在于：所述第二导电电极上设有钝化层。

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