专利名称：一种提高发光芯片光出射窗口出光率的加工方法
技术领域：
本发明属于半导体发光芯片管芯加工技术领域，具体的说是一种提高 发光芯片光出射窗口出光率的加工方法，该方法可提高基于半导体外延技
术制备的半导体发光芯片如LED器件或半导体激光器等的出光率。
背景技术：
自从20世纪60年代末美国惠普(HP)公司首次实现LED产品量产 以来，LED产业己经经历了四十余年的发展历程。随着LED性能持续 地提高，应用市场也随之急速扩大，如交通信号灯、汽车刹车灯、尾灯、 第三刹车灯等，尤其是高发光效率的LED和有希望替代传统照明的白光 LED在最近几年陆续被研发出来，未来高亮度LED市场的发展将会更快 速更广泛的成长。白光LED被认为是半导体照明的基础和产业发展重 点，也是近几年发展最快的LED领域。
但遗憾的是到目前为止，LED还只能够使用在相当小的范围。因为 制备LED的半导体材料折射率很高，以GaN (氮化镓)系结晶为例，在 LED元件结晶内部发出的光并没有透出而是在内部反射，最终被材料所吸 收。例如n型掺杂的GaN层与蓝宝石基板界面的临界角是47度，p型掺 杂的GaN层与封装模具材料如树脂的界面的临界角是38度，超过临界角 度的光将被界面全反射而无法透射到芯片外部形成出射光，所以一般LED 的输出效率大约只有30%。
目前采用的方法是
1、在芯片表面制备粗化层该种技术采用对化合物半导体层表面制作粗糙表面来增加发光层出 射光的出射率，其缺点是形成了粗糙的半导体表面，虽然能增加从半导体 发光芯片管芯的出光率，但是由于表面形貌的改变降低了器件的接触性 能，导致了器件电学特性的恶化，引起电流分布和发光均匀性的改变，并 且使器件可靠性和寿命受到影响。
2、 在芯片表面制作光学结构晶体制备
该技术通过在凹凸表面生长半导体晶体或对半导体表面粗化技术的 改善，通常采用干法刻蚀方法对半导体发光芯片进行处理，在芯片表面形 成较为规则的图形结构，增加发光层出射光的出射率。其缺点是不易获得 高生长质量的晶体或是形成了粗糙的半导体表面，由于晶体质量差导致电 光转换效率不高或表面形貌的改变降低了器件的接触性能，导致了器件电 学特性的恶化，引起电流分布和发光均匀性的改变，并且使器件的效率、 可靠性和寿命受到影响。
3、 申请号200610101519.4，名称发光二极管及其制造方法， 该发明专利的特征表现为在衬底上生长的n-GaN层具有多个突起的结构 提高发光效率和实现更好的光输出性能，是在半导体材料生长过程中加以 控制而获得的特殊结构，由于在凹凸不平的图案表面生长发光结构有源层 材料会导致材料生长质量降低，从而降低器件性能。
4、 申请号200610101519.4，名称发光二极管及其制造方法， 该发明专利的特征表现为在衬底上生长的n-GaN层具有多个突起的结构 提高发光效率和实现更好的光输出性能，是在半导体材料生长过程中加以 控制而获得的特殊结构，由于在凹凸不平的图案表面生长发光结构有源层 材料会导致材料生长质量降低，从而降低器件性能。本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种在根本上增 加半导体发光芯片的出射光通量，使得半导体发光芯片的光亮度得到增 强，同时也可获得一定的光汇聚效果的提高发光芯片光出射窗口出光率的
加工方法。
本发明提供的技术解决方案在于-
在出光窗口表面的材料层生长完并经第一步刻蚀工序后，在每次进行 刻蚀工序前再每次生长一层材料层，其中在第一次生长的材料层和之后生 长的材料层定义为一种或多种材料的层叠结构形成的材料层。
本发明提供的进一步技术解决方案在于-
各向同性和各向异性的刻蚀均是当材料层一生长完，涂抹光刻胶曝光 显影并去除被显影的光刻胶后进行第一步刻蚀，在所得的材料层上再次生 长一层材料层并进行再次刻蚀，或重复多次生长刻蚀循环过程。
所说材料层的厚度为20-20000nm (纳米)。
出光窗口曝光显影后为网状分布且形状为三角形、正方形、六角形、 椭圆形、圆形和规则或不规则形状。
每次刻蚀的深度不超过材料层的厚度。
出光窗口曝光显影并经刻蚀后形成横截面轮廓侧边与衬底平面的内 夹角小于或等于90°的立体突起。
材料层可为N层，刻蚀可为N次，N位自然数。 本发明所产生的积极效果在于
本发明所描述的立体类透镜结构制作方法适用面广，是在芯片电极制作完成后对其上生长的钝化层进行改进和加工得到的，可以适用各种已完 成芯片主体制备的各类芯片，并且不会对芯片半导体层和电极层表面产生 任何的腐蚀或刻蚀，对半导体芯片的半导体表面的质量和形貌不产生影 响，不会在改善发光特性的同时引起电学特性的恶化。本发明使得芯片表 面形成不平坦的出射面且具有立体类透镜结构突起可具有一定的光会聚 作用，同时由于可以形成各种折射率材料的层叠组合结构，实现了折射率 的渐变过渡，从而增加了光从半导体层内出射的几率进而增加了半导体发 光芯片的光亮度。本发明工艺步骤简单，只需要增加很少的简单的工艺步 骤，通过采用材料生长和刻蚀相结合的方法达到需要的刻蚀效果，对所刻 蚀部分的大小尺寸、形状和轮廓均无特殊限制，可在光刻技术允许的情况 下制备多种形状和轮廓的具有立体类透镜结构突起的表面。因此本发明具 有简单易行，适用面广(可适用于任何半导体发光器件)，并且具有显著 提高半导体发光器件的光出射率和增加芯片亮度的特点，对器件等级和经 济效益有显著的提高。由于改变了介质界面的表面形状，使得半导体发光 层中点光源产生的光可以以更大的临界角度出射，从而提高了光出射率， 增加了芯片的亮度。
由于本发明中所采用的光出射窗口表面加工技术既不会对芯片表面 造成任何腐蚀或刻蚀，也不需要在不平整的表面上生长光子晶体，只是通 过增加较为简单的几步工序就可获得具有类透镜形状的表面结构，固能 够在不降低半导体发光芯片已有的性能质量的条件下增加发光芯片的出
光率达20-30%，进而增强了发光亮度。
图1是未经过表面粗化或不具备光子晶体结构的发光芯片出光窗口的平滑表面光出射示意图2是经由本发明中所描述的出光窗口表面加工技术制备后得到的 具有类似透镜形状的表面结构光出射示意图。
图3是出光窗口位置处在生长第一层材料层和涂抹光刻胶后，经曝光 显影形成的出光窗口俯视图。
图4是出光窗口位置处在生长第一层材料层和涂抹光刻胶后，未曝光 显影前的材料层结构横截面剖面示意图。
图5是出光窗口位置处在生长第一层材料层和涂抹光刻胶后，经曝光 显影并去除掉被显影的光刻胶后形成的层结构横截面剖面示意图。
图6是在由图5所获得的层结构的基础上，经过各项同性较强的刻蚀 工艺处理后获得的材料层结构示意图。
图7是在由图6所获得的材料层结构的基础上，去除掉光刻胶后的材 料层结构示意图。
图8是在由图7所获得的材料层结构的基础上，再次生长材料层后的 材料层结构示意图，此图以只生长一层材料层为例。
图9是在由图8所获得的材料层结构的基础上，经过刻蚀工艺处理后
获得的材料层结构示意图。
图10是在由图9所获得的材料层结构的基础上，再次生长材料层
的材料层结构示意图，此图以只生长一层材料层为例的。
图11是在由图5所获得的层结构的基础上，经过各项异性较强的刻
蚀工艺处理后获得的材料层结构示意图。
图12是在由图11所获得的材料层结构的基础上，去除掉光刻胶后
的材料层结构示意图。图13是在由图12所获得的材料层结构的基础上，再次生长材料层后 的材料层结构示意图，此图以只生长一层材料层为例。
图14是在由图13所获得的材料层结构的基础上，经过刻蚀工艺处理 后获得的材料层结构示意图。
图15是在由图14所获得的材料层结构的基础上，再次生长材料层后 的材料层结构示意图，此图以只生长一层材料层为例。
附图中1——芯片表面，2——出光窗口， 3——光刻胶，4——材料 层，5——材料层，6——材料层。
具体实施例方式
图1的结构表示了未经过表面粗化或不具备光子晶体结构的发光芯 片出光窗口的平滑表面光出射的示意图。
图2表示了经由本发明中所描述的出光窗口表面加工技术制备后得 到的具有类似透镜形状的表面结构光出射示意图。
以下实施例均以正方形光刻曝光图形为例，即图3所示的阴影部分均 为正方形，且以只生长一层材料层为例，即在材料层4生长完后经第一步 刻蚀工序后,在再次进行刻蚀工序前每次只生长一层只由一种材料构成的 材料层。所说的材料层定义为一种或多种材料的层叠材料层结构。
本发明的技术方案实现过程为在任何一种已完成制备的半导体发光 芯片表面1上生长一层20-20000nm (纳米)的绝缘材料或其他材料的材 料层4，该材料层4包括二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiyNx)、氮氧化硅 (SiyNxOk)、多晶硅或氧化锌(ZnO)，采用光刻胶3均匀地涂抹在芯片 上，并在出光窗口2位置处曝光显影出如图3所示的图形，其中阴影部分 的图形的形状可以是正方形、三角形、六角形、椭圆形、圆形等任何规则或不规则形状，且为网状分布，相距一定间隔。曝光显影后再通过刻蚀的
方法将未被光刻胶3遮蔽的部分刻蚀掉，可以形成横截面轮廓侧边与衬底 平面的内夹角度小于或等于90。的立体结构突起，其每次刻蚀深度都不超 过材料层的生长厚度，刻蚀前后横截面剖面图如图2所示意，去除光刻胶 3后的器件表面如图3所示。此时再生长一层材料层5，其材料层5可以 是与材料层4相同或不同的材料，包括二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiyNx)、 氮氧化硅(SiyNxOk)、多晶硅或氧化锌(ZnO)，即可获得类似透镜结构 的表面凹凸结构，如图4所示意。亦可在材料层4的基础上反复生长若干 层材料层，其材料可以是二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiNx， 0<x<2)、氮 氧化硅(SiNxOy， 0<x+y<3)、多晶硅或氧化锌(ZnO)，则也可获得类似 透镜结构的表面凹凸结构，同时还可以实现材料层折射率的渐变，从而更 好的增加透光率。此时还可以将获得的具有类似透镜结构的表面凹凸状绝 缘层进行无掩模干法刻蚀，即不需要再次使用光刻胶3曝光显影形成掩 模，而是直接在芯片表面完全暴露的情况下进行干法刻蚀，对凹凸结构进 行加工以达到具体实用要求。
在反复生长材料层的过程中，每次生长的材料可以是不同的材料，包 括二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiyNx)、氮氧化硅(SiyNxO!.x)、多晶硅或 氧化锌(ZnO)。在第一次材料层4材料生长后的其他材料层5、 6生长与 刻蚀之间的先后顺序无严格限定，刻蚀工序可紧跟任何一次材料层材料生 长工序后，即可穿插在每一步材料层材料生长后进行刻蚀工序处理，也可 在生长若干层材料层材料后再进行刻蚀工序处理，以能够获得需要的表面 凹凸结构和实现材料折射率渐变为目的，其最终横截面剖面图如图5所1、 各向同性较强的刻蚀在材料层4生长完，涂抹光刻胶3曝光显 影并去除掉被显影的光刻胶3后，经第一步刻蚀后的横截面剖面图如图6 所示；去除光刻胶3后的横截面剖面图如图7所示；在图7所获得的材料 层结构的基础上再次生长材料层5后的横截面剖面图如图8所示；由图8 所得的材料层结构被刻蚀后的层结构如图9所示;在图9所获得的材料层
5结构的基础上再次生长一层材料层6的横截面剖面图如图10所示。
2、 各向异性较强的刻蚀在材料层4生长完，涂抹光刻胶3曝光 显影并去除掉被显影的光刻胶3后，经第一步刻蚀后的横截面剖面图如图 11所示；去除光刻胶3后的横截面剖面图如图12所示；在由图12所获 得的材料层4结构的基础上再次生长材料层5后的横截面剖面图如图13 所示；由图13所得的材料层4、 5结构被刻蚀后的层结构如图14所示； 在图14所获得的材料层4、5结构的基础上再次生长一层材料层6的横截 面剖面图如图15所示。
所说的材料层4、 5、 6可以是二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiyNx)、 氮氧化硅(SiyNxOk)、多晶硅或氧化锌(ZnO)其中的一种，也可以是 其中几种材料的混合材料。
所说材料的生长、曝光显影、刻蚀方式均采用通常的方式，只要通 过本发明方法形成如图2——图15所示的表面形状即可满足本发明所述 的技术效果。
权利要求
1、一种提高发光芯片光出射窗口出光率的加工方法，包括对出光窗口上钝化层的刻蚀，其特征是在出光窗口(2)表面的材料层(4)生长完并经第一步刻蚀工序后，在每次进行刻蚀工序前再每次生长一层材料层(5、6)，其中材料层(4、5、6)定义为一种或多种材料的层叠材料层结构。
2、 如权利要求l所述的一种提高发光芯片光出射窗口出光率的加 工方法，其特征是各向同性和各向异性的刻蚀均是当第一次生长的材料层(4)生长完，涂抹光刻胶(3)曝光显影并去除被显影的光刻胶(3)后 进行第一步刻蚀，在所得的材料层(4)结构上再次生长一层材料层(5) 并进行再次刻蚀，也可在所获得的材料层(5)的基础上再次生长一层材 料层(6)，或重复多次生长刻蚀循环过程。
3、 如权利要求1所述的一种提高发光芯片光出射窗口出光率的加 工方法，其特征是所说材料层的厚度为20-20000nm (纳米)。
4、 如权利要求1所述的一种提高发光芯片光出射窗口出光率的加 工方法，其特征是出光窗口 (2)曝光显影后为网状分布且形状为三角形、 正方形、六角形、椭圆形、圆形和规则或不规则形状。
5、 如权利要求1所述的一种提高发光芯片光出射窗口出光率的加 工方法，其特征是每次刻蚀的深度不超过材料层的厚度。
6、 如权利要求1所述的一种提高发光芯片光出射窗口出光率的加 工方法，其特征是出光窗口 (2)曝光显影并经刻蚀后形成横截面轮廓侧 边与出光窗口 (2)表面的内夹角小于或等于9(T的立体突起。
7、 如权利要求1所述的一种提高发光芯片光出射窗口出光率的加 工方法，其特征是每次刻蚀的深度不超过刻蚀前生长的材料层的厚度。
8、 如权利要求1所述的一种提高发光芯片光出射窗口出光率的加 工方法，其特征是出光窗口经光刻胶曝光显影并经刻蚀后可形戍横截面轮 廓侧边与衬底平面的内夹角小于或等于90°的立体突起。
全文摘要
一种提高发光芯片光出射窗口出光率的加工方法，包括对出光窗口上钝化层的刻蚀，其特征是在第一次生长的材料层生长完并经第一步刻蚀工序后，在每次进行刻蚀工序前每次生长一层材料层，其中第一次生长的材料层和之后生长的材料层定义为一种或多种材料的材料层层叠结构。各向同性和各向异性的刻蚀均是当第一次生长的材料层生长完，涂抹光刻胶曝光显影并去除被显影的光刻胶后进行的第一步刻蚀，在所得的材料层上再次生长一层材料层并进行再次刻蚀，并在所获得的材料层的基础上再次生长一层材料层。本发明中所采用的光出射窗口表面加工技术能够在不降低半导体发光芯片已有的性能质量的条件下增加发光芯片的出光率达20-30％，进而增强了发光亮度。
文档编号H01S5/00GK101599516SQ200810018358
公开日2009年12月9日 申请日期2008年6月3日 优先权日2008年6月3日
发明者涛 姜 申请人:涛 姜