CN103000779B - 具有电流阻挡功能的垂直发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有电流阻挡功能的垂直发光二极管及其制作方法，通过利用异方性导电材料的特性配合具有凹凸起伏的导电基板，使异方性导电材料在凹凸基板和发光外延层之间形成垂直方向导通横向绝缘的键合层，从而形成一种具有电流阻挡功能的垂直发光二极管。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件及其制作方法，更具体地是一种具有电流阻挡功能的垂直发光二极管及其制作方法。
背景技术
近年来，垂直结构发光二极管已成为研究开发的热点。与传统正装、倒装结构比较，垂直结构LED通过晶圆键合或者电镀、激光剥离（LLO）等工艺的结合，将外延层从生长衬底转移到导电和导热性能良好的金属或者半导体衬底材料上，形成电极上下分布，电流垂直注入，从而解决了正装、倒装结构LED器件中因电极水平分布、电流侧向注入导致的诸如散热不佳，电流分布不均、可靠性差等一系列问题。
传统垂直发光二极管制作时，通过对金属加高压和高温进行晶圆键合。具体来讲是将镀有金或者金锡等易键合金属的外延层键合在同样镀有金属的导电基板上，然后去除生长衬底，制作N电极，形成垂直发光二极管。图1为采用上述方法形成的垂直LED结构示意图，其中n电极位于顶部，其存在会遮挡并吸收有源层发出的光。
发明内容
本发明旨在提出一种具有电流阻挡功能的垂直发光二极管及其制作方法，通过利用异方性导电材料的特性配合具有凹凸起伏的导电基板，使异方性导电材料在凹凸基板和发光外延层之间形成垂直方向导通横向绝缘的键合层，从而形成一种具有电流阻挡功能的垂直发光二极管。
根据本发明的第一个方面，具有电流阻挡功能的垂直发光二极管，包括：导电基板，包括正反两个主表面，其正表面上形成图案化凹凸结构；异方性导电材料层，位于上述具有凹凸结构的导电基板正表面上，且其与导电基板的凸起部形成电性连接，与导电基板的凹陷部形成非电性连接，从而构成电流阻挡结构；发光外延结构，形成于所述异方性导电材料层上。
进一步地，该发光二极管还包括一位于发光外延层表面上电极结构，其在法线方向投影与导电基板的凹起部对应。
在本发明的一些优选实施例中，导电基板的凹凸结构为阵列式结构所有凸起部上表面齐平。
所述ACF异方性导电材料层在垂直方向导电，在水平方向绝缘。
根据本发明的第二个方面，具有电流阻挡功能的垂直发光二极管的制作方法，包括步骤：
1）提供一永久导电基板，在其正表面上形成图案化凹凸结构；
2）提供一发光外延层；
3）将所述发光外延层通过一异方性导电材料层粘结于所述永久导电基板上，
其中,所述异方性导电材料层与导电基板的凸起部形成电性连接，与导电基板的凹陷部形成非电性连接，从而构成电流阻挡结构。
在本发明的一个实施例中，步骤3）可以通过下面方法实现：在所述外延层上均匀一层涂布异方性导电材料层；采用晶圆键合设备，将所述发光外延层与永久导电基板键合。异方性导电材料层经过导电基板凹凸结构加压后，在基板凸起位置的方向外延层与导电基板导通，在基板凹陷位置，异方性导电胶ACF呈绝缘状态，并且填充器件。其中键合的压力足以让与导电基板凸起部接触的异方性导电胶形成垂直导通状态，而与导电基板凹陷部接触的异方性导电胶呈绝缘状态。
在本发明的另一个实施例中，步骤3）也可以通过下面方法实现：在所述导电基板的正面上涂布异方性导电材料层；采用晶圆键合设备，将所述发光外延层与永久导电基板键合，其中键合的压力足以让与导电基板凸起部接触的异方性导电胶形成垂直导通状态，而与导电基板凹陷部接触的异方性导电胶呈绝缘状态。
本发明的制作方法中，所述步骤1）中导电基板图案化为阵列式分布的图形，或者是与N型电极尺寸相当的图形；完成步骤3）后还包括步骤4）：在所述发光外延层远离导电基板的一端表面上制作第一电极结构，其在法线方向投影与导电基板上的凹陷部对应；此外还可以包括减薄导电基板并制作背电极、出光面粗化、制作钝化层、制作电流阻挡层等操作。
本发明相比传统垂直结构芯片，本发明利用异方性导电材料配合具有凹凸起伏的导电基板，使异方性导电材料在凹凸基板和发光外延层之间形成垂直方向导通横向绝缘的键合层，从而形成一种具有电流阻挡功能的垂直发光二极管同，可有效解决电流阻塞问题，其制作方法简单、稳定性高。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为一种传统垂直结构发光元件的侧面剖视图。
图2为本发明优选实施例的侧面剖视图。
图3为异方性导电材料层的成分及其原理剖析图。
图4~图8为本发明优先实施例的制作过程侧面剖视图。
图9和图10为本发明实施例中导电基板的凹凸图案。
图中部件符号说明：
100：生长衬底；101：P型层；102：有源层；103：N型层；200：导电衬底；201：突起起；202：凹陷部；310：键合金属层；320：异方性导电胶（ACF）；321：绝缘胶材；322：导电粒子；320a：ACF导通部分；320b：ACF绝缘部分；410：P电极；420：N电极；421：N电极扩展条。
具体实施方式
下面各实施例公开了一种具有电流阻挡功能的垂直发光二极管及其制作方法，其中该发光二极管包括：导电基板，在其正表面上制作图案化凹凸形貌；异方性导电材料层，形成于导电基板正表面上，并且在衬底凸起处导通，凹陷处绝缘；发光外延层，形成于异方性导电材料层之上，自下而上依次包含P型层，有源层，N型层；N电极，形成于N型层之上；P电极，形成于导电基板反面。
如图2所示，具有电流阻挡功能的垂直发光二极管，包括具有凹凸结构图案化的永久导电基板200；异方性导电胶320位于上述基板正表面上；P型外延层101、有源层102、N型外延层103依次形成于异方性导电胶320之上，构成发光外延层；P电极410位于永久导电基板200反表面，N型电极420及其扩展结构421位于N型外延层上方。
异方性导电胶（ACF，Anisotropic Conductiveadhesive Film ）是一种同时具有接著、导电、绝缘三特性之高分子接续材料，其特性乃在膜厚方向具有导电性，但在面方向则不具有导电性 (即垂直方向上导通，水平方向上绝缘)。一般地，异方性导电胶由导电粒子322和绝缘胶材321两部分组成，导电粒子均匀离散地分布于绝缘胶材内部。当异方性导电胶经过加热和加压一段时间后，绝缘胶材内部的导电粒子相互接触，并且绝缘胶材由于高温固化，将导电粒子结合状态永久固定，最终该异方性导电胶形成垂直方向（加压方向）导通，横向绝缘的稳定结构。在本实施例中，如图3所示，异方性导电胶320分为两个部分，导通部分320a和绝缘部分320b。导通部分320a是异常性导电胶320经过导电基板凸起部分挤压，使其内部导电粒子322相互接触形成导通结构；绝缘部分320b是导电粒子322尚未完全接触至导通的异方性导电胶320，其填充满导电基板的凹陷处。
下面结合图4~8对本发明的具有电流阻挡功能的垂直发光二极管的制作方法进行详细说明。
如图4所示，提供一永久导电基板200，利用黄光微影技术形成图案化，利用干法或者湿法蚀刻基板使其形成凹凸结构，蚀刻深度至少为10um，最佳深度为30um，图9展示了一种与N型电极对应的凹凸结构的导电基板200的俯视结构图，其中灰色部分为凹陷部分，其余为凸起部分；图10展示了一种阵列式凹凸结构的导电基板200的俯视结构图，其中灰色部分为凹陷部分，其余为凸起部分。
如图5所示，利用MOCVD在生长衬底100（例如蓝宝石）上依次成长N型层103与有源层102和P型层101。
如图6所示，在P型层101上涂布异方性导电胶320，涂布厚度不少于30um，最佳厚度为50um。
如图7所示，将制作有凹凸结构的导电基板200，键合至涂布有异方性导电胶320的外延层，键合压力控制在40MPa~60MPa之间，键合温度最佳为200℃。
如图8所示，采用248nm KrF准分子激光器，剥离生长衬底100，用盐酸清洗激光剥离残留的Ga金属，如此，N型外延层103裸露在表面上。
如图3所示，在N型外延层103上制作N型电极420及其扩展结构421，具体如下：采用光罩图形化定义电极及其扩展条区域，利用真空电子束蒸发镀膜蒸镀N型金属电极420及其扩展部分421，该金属层可包含Cr、Ag、Ni、Al、Pt、Au、Ti的一种或者多种，其总体厚度不小于1um，最佳厚度为2um。
具有电流阻挡功能的垂直发光二极管的制作方法还包括：粗化N型外延层，制作钝化层等步骤。
在本实施例中，将异方性导电胶320涂布在发光外延层，将其与导电基板的凹凸面进键合，可以简单的获得电流阻挡结构，由于制作方法简便，键合条件要求不高容易实现，因此键合良率高；另外，使用ACF替代金金键合或者金锡键合可避免使用贵金属，大幅度节省生产成本。
本发明的制备方法并不局限于前述的方法，也可将异方性导电胶320涂布在导电基板的凹凸表面上，再将其与发光外延层再键合。
很明显地，本发明的说明不应理解为仅仅限制在上述实施例，而是包括利用本发明构思的全部实施方式。
Claims (10)
1.具有电流阻挡功能的垂直发光二极管，包括：
导电基板，包括正反两个主表面，其正表面上形成图案化凹凸结构；
异方性导电材料层，位于上述具有凹凸结构的导电基板正表面上，且其与导电基板的凸起部形成电性连接，与导电基板的凹陷部形成非电性连接，从而构成电流阻挡结构；
发光外延结构，形成于所述异方性导电材料层上。
2.根据权利要求1所述的垂直发光二极管，其特征在于：还包括电极结构，形成于发光外延结构的顶面上，其在法线方向投影与导电基板上的凹陷部对应。
3.根据权利要求1所述的垂直发光二极管，其特征在于：所述导电基板上的图案化凹凸结构为点阵式结构，所有凸起部上表面齐平。
4.根据权利要求1所述的垂直发光二极管，其特征在于：所述异方性导电材料层在垂直方向导电，在水平方向绝缘。
5.根据权利要求1所述的垂直发光二极管，其特征在于：所述发光外延层包括：第一导电半导体层、有源层和第二导电半导体层。
6.具有电流阻挡功能的垂直发光二极管的制作方法，包括：
1）提供一永久导电基板，在其正表面上形成图案化凹凸结构；
2）提供一发光外延层；
3）将所述发光外延层通过一异方性导电材料层粘结于所述永久导电基板上，
其中,所述异方性导电材料层与导电基板的凸起部形成电性连接，与导电基板的凹陷部形成非电性连接，从而构成电流阻挡结构。
7.根据权利要求6所述的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤3）通过下面方法实现： 在所述外延层上均匀一层涂布异方性导电材料层；
采用晶圆键合设备，将所述发光外延层与永久导电基板键合，其中键合的压力足以让与导电基板凸起部接触的异方性导电胶形成垂直导通状态，而与导电基板凹陷部接触的异方性导电胶呈绝缘状态。
8.根据权利要求6所述的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤3）通过下面方法实现： 在所述导电基板的正面上涂布异方性导电材料层；
采用晶圆键合设备，将所述发光外延层与永久导电基板键合，其中键合的压力足以让与导电基板凸起部接触的异方性导电胶形成垂直导通状态，而与导电基板凹陷部接触的异方性导电胶呈绝缘状态。
9.根据权利要求7或8所述的垂直发光二极管的制作方法，其特征在于：所述键合的温度足以令所述异方性导电材料层固化。
10.根据权利要求6所述的垂直发光二极管的制作方法，还包括步骤4）：在所述发光外延层远离导电基板的一端表面上制作电极，其在法线方向投影与导电基板上的凹陷部对应。
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