一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法
【专利摘要】本发明涉及一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，包括步骤如下：（1）利用现有的光刻工艺对反极性AlGaInP基LED的mesa图形外延片进行曝光与显影，在所述mesa图形外延片四周形成定周期性边缘图形；（2）利用所述含饱和Br2去离子水对步骤（1）显影完成的所述mesa图形外延片进行腐蚀；（3）对步骤（2）腐蚀后的mesa图形外延片按照常规工艺进行清洗、去胶处理，形成与所述周期性边缘图形形状对应的粗化侧壁。本发明首次提出利用光刻技术实现LED芯片的侧壁粗化，与现有技术相比本发明极大的提升了LED的光提取效率特别是LED芯片侧面的光提取效率，改善LED器件的外量子效率，降低内部发热，延长LED的工作寿命。
【专利说明】 一种反极性AI Ga I nP基LED侧壁粗化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，属于发光二极管制造的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]上世纪50年代，在IBM Thomas J.Watson Research Center为代表的诸多知名研究机构的努力下，以GaAs为代表的II1-V族半导体在半导体发光领域迅速崛起。之后随着金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)技术的出现，使得高质量的II1- V族半导体的生长突破了技术势垒，各种波长的半导体发光二极管器件相继涌入市场。由于半导体发光二极管相对于目前的发光器件具有理论效率高、寿命长、抗力学冲击等特质，在世界范围内被看作新一代照明器件。但是由于II1- V族半导体的折射率普遍较高(GaAs:3.2，GaN:2.4)，这就导致LED的发光区域发出的光线在经芯片表面出射到空气中时受制于界面全反射现象，只有极少部分的光可以出射到器件外部(GaAs约为2.4%，GaN约为4%)。界面全反射现象导致LED的外量子效率低下，是制约LED替代现有照明器件的主要原因。
[0003]1969年Nuese等人在 J.Electrochem Soc.:Solid State Sc1.发表了利用环氧树脂封装LED芯片的方法，将红光GaAs基LED的外量子效率提高了 1_2倍。在GaAs材料与空气之间加入一层折射率为1.5的环氧树脂可以有效增大全反射临界角度,使得更多的光线可以出射到LED器件外部。但是此方法引入的仍旧是平整出光表面，对于外量子效率的提高有限，并且多引入了一层界面亦会导致界面菲涅尔损耗，同时树脂材料的辐照老化也会导致光提取效率下降。
[0004]1993年，Schnitzer等人在Appl.Phys.Lett.首先提出利用刻蚀的方法对半导体材料出光表面进行粗化从而提高LED芯片的外量子效率的方法，得到了 50%的光提取效率。表面粗化提高LED芯片光引出效率的原理是利用LED出光表面的凹凸结构，将全反射角度的光线散射出或者引导出芯片，从而增加可以出射到LED外部的光线比例。此后，Windisch在IEEE Trans.Electron Dev.以及Appl.Phys.Lett.等期刊报道了类似的方法对LED出光表面进行粗化。利用刻蚀的方法对LED出光表面进行粗化的不足之处在于:(I)刻蚀对于半导体材料的载流子输运性质具有很大的破坏性，使得LED的电学性能明显降低；(2)刻蚀设备的购置及使用成本异常高昂，使得LED的成本大幅度上升；(3)利用刻蚀对LED出光表面进行粗化的形貌及尺寸没有办法进行控制和优化；(4)加工时间较长，生产效率较低。
[0005]对GaAs、GaP以及GaN等II1- V族半导体材料进行化学腐蚀的方法屈指可数。1998年，Stocker在Appl.Phys.Lett.发表文章,报道了利用热KOH溶液或者热H3PO4成功实现了 GaN材料的腐蚀，对LED进行有效的粗化，并得到了 50%的光提取效率。利用化学腐蚀的方法对LED出光表面进行粗化的不足在于:(1)难以精确控制腐蚀的速率和深度，这是由化学方法的内在缺陷决定的；(2)易受外部环境温度等因素的影响，难以得到高重复性的粗化LED芯片；(3)腐蚀得到的结构单一，难以针对光提取效果进行优化。(4)加工时间较长，生产效率较低。
[0006]在半导体材料的外延过程中进行一定的设计和调控，也可以达到对LED出光表面进行粗化的结果，如中国专利文件CN101521258提供一种提高发光二极管外量子效率的方法，该方法是通过发光二极管外延片结构中P型层的生长时提高P型层Mg的掺杂浓度，从而达到外延片表面粗糙化的效果。粗化层可以是P型复合层中任意一层，或多层，或某一层某一个区域。LED表面粗化层将那些满足全反射定律的光改变方向，破坏光线在LED内部的全反射，提升出光效率，从而提高外量子效率。但在外延生长过程中获得高Mg掺杂浓度的ρ-GaN难度极大，此法较难工业化。且改变外延生长参数会导致LED芯片电学以及光学性质的下降。此法粗化表面粗糙度有限，难以达到理想的光引出效率的提高。
[0007]中国专利文件CN101494272提供一种能使LED的P-GaN层表面粗化的制作方法，首先在半导体衬底上依次生长出n-GaN层、量子阱层、p_GaN层及非掺杂的粗化GaN层，然后采用ICP或离子干法刻蚀所述非掺杂的粗化GaN层以使所述非掺杂的粗化GaN层的粗化表面形状转移至所述P-GaN层，从而使所述p-GaN层表面粗化。但该发明受限于ICP刻蚀的技术瓶颈，有损LED器件的电学性能，过多的ICP刻蚀有可能导致芯片漏电，成品率下降。另外,此方法制备LED芯片产品成本高，刻蚀成本昂贵。
[0008]中国专利文件CN101656285提供一种利用PS球作模板制作发光二极管粗化表面的方法。包括步骤:(1)按常规外延生长外延片；(2)在外延生长的P型接触层上铺设一层由PS球紧密排布组成的单层膜；(3)以硅酸四乙酯、金属的氯化物或硝酸盐为前躯体，将前躯体、乙醇和水混合后填充在单层膜的PS球与P型接触层之间的间隙中，室温静置并加热分解为相应的氧化物；(4)将外延片置于二氯甲烷中，用二氯甲烷溶解去除掉PS球，在PS球与P型接触层之间的间隙中形成的氧化物按碗状周期排列结构保留在P型接触层上；
(5)用形成的氧化物作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；(6)腐蚀掉残留的氧化物。该发明可得到刻蚀周期和深度可控的粗化LED表面。此方法利用PS微球作为模板通过ICP刻蚀对p-GaN表面进行粗化工序繁琐，使用PS微球价格贵，使得LED芯片成本大幅提高，不适宜与LED生产工艺相结合。且ICP刻蚀不利于LED器件的电学性能。
[0009]中国专利文件CN101656284公开了一种利用ITO颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方法。利用ITO颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方法，在外延生长的P型接触层上用电子束溅射一层厚260nm的ITO薄膜；腐蚀掉部分ΙΤ0，残留的颗粒状的ITO作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；此方法需要两次蒸镀ITO电流扩展层，成本较正常LED工艺明显提高。也存在ICP刻蚀工艺的问题。且此法使用的浓盐酸具有强腐蚀性及强挥发性。
[0010]中国专利文件CN101226977提供了 GaN基发光二极管表面粗化的处理方法，在600°C?750°C的低温条件下，生长GaN基发光二极管外延片中的P型GaN帽层，使该帽层的位错沿垂直于外延表面的方向传播，不发生弯曲，从而使该帽层的位错密度增大而不影响器件的光电特性；在设定的腐蚀温度和时间下用熔融的KOH腐蚀发光二极管外延片，P型GaN层内高密度的垂直于外延表面的位错被选择性腐蚀，在器件表面形成密集的形状规则的腐蚀坑。此法对于半导体材料的外延生长要求较高，不易实现，控制难度极大。
[0011]由于四元磷化物半导体材料的各向异性腐蚀特征明显，如本发明中所述的AlGaInP基，采用传统mesa腐蚀方法很难实现对其侧壁形貌的控制，无法得到优良的侧壁腐蚀形貌。
【发明内容】
[0012]针对现有技术的不足，本发明提供一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法。此方法不需要ICP刻蚀，保护LED器件的电学性能，降低生产成本，加工效率较高，无需引入额外工艺流程，可与现有LED制程无缝集成。
[0013]术语解释:
[0014]mesa图形:在晶圆上，器件与器件之间的隔离图形，也称为台面。
[0015]反极性AlGaInP基LED:经过衬底剥离与键合过程的AlGaInP基LED芯片，η电极在上，P电极在下，因此通常称为反极性LED。
[0016]本发明技术方案如下:
[0017]一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，包括步骤如下:
[0018](I)利用现有的光刻工艺对反极性AlGaInP基LED的mesa图形外延片进行曝光与显影，在所述mesa图形外延片四周形成定周期性边缘图形；
[0019](2)将Br2加至去离子水中至饱和，形成含饱和Br2去离子水，利用所述含饱和Br2去离子水对步骤(I)显影完成的所述mesa图形外延片进行腐蚀；其腐蚀深度贯穿外延结构，延伸至键合层；
[0020](3)对步骤(2)腐蚀后的mesa图形外延片按照常规工艺进行清洗、去胶处理，形成与所述周期性边缘图形形状对应的粗化侧壁。上述步骤完成后，直接进行后续LED芯片制作工艺。
[0021]根据本发明优选的，步骤(I)所述的周期性边缘图形的周期t为I μ m-20 μ m。
[0022]根据本发明优选的，所述周期性边缘图形为锥形齿，每个锥形齿的底边长度a为I μ m-20 μ m。
[0023]根据本发明优选的，所述周期性边缘图形为圆形齿，所述每个圆形齿的底边长度b为 I μ m-20 μ m。
[0024]本发明的优点在于:
[0025]本发明首次提出利用光刻技术实现LED芯片的侧壁粗化，与现有技术相比本发明的优良效果如下:
[0026]I)本发明极大的提升了 LED的光提取效率特别是LED芯片侧面的光提取效率，改善LED器件的外量子效率，降低内部发热，延长LED的工作寿命。
[0027]2 )本发明的LED侧壁粗化方法无需弓I入额外工艺流程，没有明显的成本提升。
[0028]3)本发明由于避免了使用ICP刻蚀，对于LED芯片的电学性质无损伤。
[0029]4)本发明的LED侧壁粗化方法还具有加工速度快、加工面积大、粗化效果好等特点。经过此方法粗化的LED芯片光提取效率相对于传统平板芯片可以增加30%以上。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为实施例1中未进行本发明所述侧壁粗化的mesa光刻图形结构；
[0031]图2为实施例1中进行本发明所述侧壁粗化的mesa光刻图形结构；
[0032]图3为实施例1中进行本发明所述侧壁粗化的mesa光刻图形结构中圆形齿的尺寸标示图；
[0033]图4为实施例2中进行本发明所述侧壁粗化的mesa光刻图形结构；
[0034]图5为实施例2中进行本发明所述侧壁粗化的mesa光刻图形结构中锥形齿的尺寸标示图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0036]实施例1、
[0037]如图1-3所示。
[0038]一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，包括步骤如下:
[0039](I)利用现有的光刻工艺对反极性AlGaInP基LED的mesa图形外延片进行曝光与显影，在所述mesa图形外延片四周形成定周期性边缘图形；所述的周期性边缘图形的周期t为I μ m ;所述周期性边缘图形为圆形齿,所述每个圆形齿的底边长度b为I μ m ;
[0040](2)将Br2加至去离子水中至饱和，形成含饱和Br2去离子水，利用所述含饱和Br2去离子水对步骤(I)显影完成的所述mesa图形外延片进行腐蚀；其腐蚀深度贯穿外延结构，延伸至键合层；
[0041](3)对步骤(2)腐蚀后的mesa图形外延片按照常规工艺进行清洗、去胶处理，形成与所述周期性边缘图形形状对应的粗化侧壁。上述步骤完成后，直接进行后续LED芯片制作工艺。
[0042]实施例2、
[0043]如图4、5所示。一种如实施例1所述的一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，其区别在于，
[0044]步骤(I)所述的周期性边缘图形的周期t为20μπι。所述周期性边缘图形为锥形齿，每个锥形齿的底边长度a为20 μ m ;所述锥形齿的高度h为35 μ m。
[0045]实施例3、
[0046]一种如实施例1所述的一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，其区别在于，所述的周期性边缘图形的周期t为10 μ m ;所述周期性边缘图形为圆形齿，所述每个圆形齿的底边长度b为10 μ m。
[0047]实施例4、
[0048]一种如实施例1所述的一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，其区别在于，步骤(I)所述的周期性边缘图形的周期t为10 μ m。所述周期性边缘图形为锥形齿，每个锥形齿的底边长度a为10 μ m ;所述锥形齿的高度h为10 μ m。
[0049]实施例5、
[0050]一种如实施例1所述的一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，其区别在于，步骤(I)所述的周期性边缘图形的周期t为Ιμπι。所述周期性边缘图形为锥形齿，每个锥形齿的底边长度a为I μ m ;所述锥形齿的高度h为3 μ m。
【权利要求】
1.一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，其特征在于，该方法包括步骤如下: (1)利用现有的光刻工艺对反极性AlGaInP基LED的mesa图形外延片进行曝光与显影，在所述mesa图形外延片四周形成定周期性边缘图形； (2)将Br2加至去离子水中至饱和，形成含饱和Br2去离子水，利用所述含饱和Br2去离子水对步骤(I)显影完成的所述mesa图形外延片进行腐蚀；其腐蚀深度贯穿外延结构，延伸至键合层； (3)对步骤(2)腐蚀后的mesa图形外延片按照常规工艺进行清洗、去胶处理，形成与所述周期性边缘图形形状对应的粗化侧壁。上述步骤完成后，直接进行后续LED芯片制作工艺。
2.根据权利要求1所述的一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，其特征在于，步骤(I)所述的周期性边缘图形的周期t为I μ m-20 μ m。
3.根据权利要求1所述的一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，其特征在于，所述周期性边缘图形为锥形齿，每个锥形齿的底边长度a为I μ m-20 μ m。
4.根据权利要求1所述的一种反极性AlGaInP基LED侧壁粗化方法，其特征在于，所述周期性边缘图形为圆形齿，所述每个圆形齿的底边长度b为I μ m-20 μ m。
【文档编号】H01L33/00GK104078535SQ201310108349
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2013年3月31日 优先权日:2013年3月31日
【发明者】左致远, 陈康, 夏伟 申请人:山东华光光电子有限公司