专利名称：一种发光二极管芯片及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种发光二极管芯片及其制造方法，特别涉及一种芯片侧壁被粗化的发光二 极管芯片及其制造方法。
背景技术：
以GaN为代表的新一代半导体材料以其宽直接带隙(Eg=3.4eV)、高热导率、高硬度、 高化学稳定性、低介电常数、抗辐射等特点获得了人们的广泛关注，在固态照明、固体激光 器、光信息存储、紫外探测器等领域都有巨大的应用潜力。按中国2002年的用电情况计算， 如果采用固态照明替代传统光源， 一年可以省下三峡水电站的发电量，有着巨大的经济、环 境和社会效益；而据美国能源部测算，到2010年，全美半导体照明行业产值将达500亿美元。 在光信息存储方面，以GaN为基础的固体蓝光激光器可大幅度提高光存储密度。正因为这些 优点，GaN被寄予厚望。高亮度InGaN/GaN量子阱结构LEDs已经商品化。
通常普遍的LED芯片制造工艺是先在蓝宝石衬底上形成N-GaN层、量子阱层、及P-GaN 层等的堆栈结构，然后对所述堆栈结构进行刻蚀以形成多个分离的堆栈单体，如图1A及1B 所示，各堆栈单体由走道所分隔开，其中，走道的深度可视具体工艺而定，通常不超过N-GaN 层底部，然后再在已形成的堆栈单体结构上制作各极，如图1C所示，即制作透明电极(ITO) -做N/P电极一做钝化(Si02)层保护电极(图未示)--背减薄(图未示)。当然也可先在堆栈 结构上制作出透明电极后，再采用ICP(RIE)刻蚀至N-GaN层，以形成相应的走道，如图1D 所示，接着再做N/P电极一做钝化(Si02)层保护电极(图未示)一背减薄(图未示)。然而， 现有工艺制作出的发光二极管，其发光亮度难以有较大突破，因此，有必要对现有发光二极 管芯片制造方法作进一步改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种发光二极管芯片及其制造方法，用于提升芯片 的发光效率，提高亮度、增加芯片的毫瓦数。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种发光二级管芯片，包括蓝宝石衬底、N型GaN 层、量子阱层、P型GaN层、透明电极、N电极及P电极，芯片侧壁被粗化形成凸起。作为本发明的一种优选方案之一，所述凸起呈圆形或锥形。
作为本发明的一种优选方案之一，所述粗化的芯片侧壁包括N型GaN层、量子阱层及P 型GaN层。
本发明还提供一种制造上述具有凸起的发光二级管芯片的方法，包括在蓝宝石衬底上形 成由N-GaN层、量子阱层、及P-GaN层组成的堆栈结构、及在所形成的堆栈结构上制作各电 极的步骤，该方法进一步包括以下步骤步骤l、采用掩膜技术，使用激光划片技术、ICP技 术或R正技术对所形成的堆栈结构进行刻蚀以形成多个由走道分隔开的堆栈单体，其中，各 走道深入至蓝'宝石衬底；步骤2、使用温度范围为140-300度的热磷酸或熔融的氢氧化钾或80 度-300度的氢氧化钾溶液或光化学腐蚀法，对已深入至蓝宝石衬底的走道侧壁进行3-30分钟 的湿法腐蚀，使芯片的侧壁被粗化，形成圆形或锥状凸起结构。
作为本发明的一种优选方案之一，所述所述步骤l包括步骤l)采用掩膜技术、ICP或 RIE对所形成的堆栈结构进行刻蚀使走道深入至N-GaN层；歩骤2)使用激光划片技术、ICP 技术或RIE技术对所述走道进一步刻蚀，使所述走道进一步深入至蓝宝石衬底中。
作为本发明的一种优选方案之一，所述步骤1完成后所形成的走道深入蓝宝石衬底15 — 50微米。
作为本发明的一种优选方案之一，所形成的走道呈上宽下窄的形状，其中，处于N-GaN
层的部分比处于蓝宝石衬底的部分宽。
作为本发明的一种优选方案之一，步骤1中刻入蓝宝石衬底的优选深度为15-20微米。 作为本发明的一种优选方案之一，步骤l中刻入蓝宝石衬底的优选深度为20微米。 作为本发明的一种优选方案之一，步骤2中所述热磷酸的温度优选范围为145-220度，所
述湿法腐蚀的优选时间为3-10分钟。
作为本发明的一种优选方案之一，步骤2中所述热磷酸的温度优选范围为145度，所述
湿法腐蚀的优选时间为5分钟。
本发明提供的发光二极管芯片及其制造方法，能使芯片的亮度和毫瓦数均比常规工艺芯 片提升20%以上。
图1A至图1C是现有发光二极管芯片常规制程示意图。图1D是现有发光二极管芯片另一常规制程示意图。
图2是本发明提供的发光二极管芯片结构示意图(为了图片简洁起见，侧壁粗化仅显示 在N型GaN层)。
图3为本发明提供的发光二极管芯片制程示意图(为了图片简洁起见，侧壁粗化仅显示 在N型GaN层)。
图4为现有发光二极管芯片N型GaN层内部光线反射示意图。
图5为本发明提供的发光二极管芯片出光示意图。
具体实施例方式
下面结合附图进一步说明本发明的较佳实施例
请参阅图2，本发明提供的发光二极管芯片，包括蓝宝石衬底、N型GaN层(图中表示 为N-GaN)、量子阱层、P型GaN层(图中表示为P-GaN)、透明电极ITO (图中表示为ITO)、 P电极及N电极。所述侧壁部分被粗化，形成凸起，所述凸起的形状以圆状或锥状为佳。被 粗化的侧壁包括N型GaN层、量子阱层及P型GaN层。
以下说明上述发光二极管芯片的制造方法。
请参阅图3，上述具有凸起的发光二极管芯片的制造方法，包括以下步骤.-首先在蓝宝石衬底上形成由N-GaN层、量子阱层、及P-GaN层等组成堆栈结构。
接着，采用掩膜技术，使用激光划片技术、ICP技术或RIE技术对所形成的堆栈结构进 行刻蚀以形成多个由走道分隔开的堆栈单体(图3中所示都是堆栈单体)，其中，各走道深入 至蓝宝石衬底15 — 50微米， 一般较佳的深度范围为15-20微米，优选深度为20微米左右。须 说明地是，可一次性将走道的深度刻蚀至蓝宝石衬底中，然后再进行刻蚀至N-GaN层拓宽走 道上半部宽度，也可先采用掩膜技术、ICP或RIE对所形成的堆栈结构进行刻蚀使走道深入 至N-GaN层，然后再使用激光划片技术、ICP技术或R1E技术对所述走道进一步刻蚀，使其 进一步深入至蓝宝石衬底。经过刻蚀后所形成的走道可呈上宽下窄的形状，其中，处于N-GaN 层的部分比处于蓝宝石衬底的部分宽，以便于制作电极。
接着，使用温度范围为140-300度的热磷酸或熔融的氢氧化钾或80度-300度的氢氧化钾 溶液或光化学腐蚀法，对已深入至蓝宝石衬底的走道侧壁进行3-30分钟的湿法腐蚀，使芯片 的侧壁被粗化，形成圆形或锥状凸起结构。其中，所述热磷酸的温度优选范围为145-220度，
6选范围为80-120度，所述湿法腐蚀的优选时间为3-10分钟；而通 常所述热磷酸的温度优选范围为145度，所述湿法腐蚀的优选时间为5分钟。
最后，在具有凸起的结构上制作各电极，例如，制作透明电极、N/P电极等。
需注意的是，制作具有凸起的发光二极管芯片的步骤顺序可根据实际生产线进行相应调 整，例如，可先在堆栈结构上制作出透明电极后再进行刻蚀；也可以对堆栈结构先刻蚀至 N-GaN层，然后制作N/P电极，再对走道进一步刻蚀至蓝宝石衬底后使用热磷酸腐蚀出凸起 还可以对堆栈结构先刻蚀至蓝宝石衬底，然后采用热磷酸腐蚀出凸起，再进行刻蚀至N-GaN 层拓宽走道上半部以制作N/P电极等。经过实验证明，以对堆栈结构刻蚀至N-GaN层---进一 步刻蚀至蓝宝石衬底…采用热磷酸腐蚀出凸起--制作N/P电极，或以对堆栈结构刻蚀至蓝宝 石衬底---采用热磷酸腐蚀出凸起---进一步刻蚀至N-GaN层拓宽走道上半部---制作N/P电极的 步骤顺序为佳。
再请参阅图4，由于常规芯片的侧壁是竖直的，当辐射出的光子P以入射角A到达第一壁 wl，经反射后会以入射角&到达第二壁w2 (即侧壁)，再次反射后会以入射角A到达第三 壁w3，则由入射角&二90。一A， 而对于常用的氮化镓材料的LED芯片，其光逃逸
锥形临界角(light escape cone critical angle)约为23.5°，因此，只要光子P的入射角A满足条件 23.5°<^<66.5°时，其会因不断地被各壁反射而导致能量在芯片内的消耗，最终无法出光，降 低了光取出率。
请参阅图5，到达第二壁，即侧壁w2的光子，由于侧壁被粗化，改变了原有路线，因此 只要入射光子的角度垂直于侧壁,光子就可逃逸出去，增加光子的逃逸率，即，增加了光取出 率。同时通过优化磷酸腐蚀技术，发现当芯片侧壁形成凸形圆孢或锥状凸起，出光效果最佳。
上述凸起能够使芯片侧壁的光取出效率增加1倍多，芯片的亮度和毫瓦数均比常规工艺 芯片提升20%以上。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技 术方案，均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
权利要求
1、一种发光二级管芯片，包括蓝宝石衬底、N型GaN层、量子阱层、P型GaN层、透明电极、N电极及P电极，其特征在于芯片侧壁被粗化形成凸起。
2、 如权利要求l所述的发光二级管芯片，其特征在于所述凸起呈圆形或锥形。
3、 如权利要求1所述的发光二级管芯片，其特征在于所述粗化的芯片侧壁包括N型GaN层、量子阱层及P型GaN层。
4、 一种发光二级管芯片的制造方法，包括在蓝宝石衬底上形成由N-GaN层、量子阱层、及P-GaN层组成的堆栈结构、及在所形成的堆栈结构上制作各电极的步骤，该方法的特征在于，进一步包括以下步骤步骤l、采用掩膜技术，使用激光划片技术、ICP技术或RIE技术对所形成的堆栈结构进行刻蚀以形成多个由走道分隔开的堆栈单体，其中，各走道深入至蓝宝石衬底；步骤2、使用温度范围为140-300度的热磷酸或熔融的氢氧化钾或80度-300度的氢氧化钾溶液或光化学腐蚀法，对已深入至蓝宝石衬底的走道侧壁进行3-30分钟的湿法腐蚀，使芯片的侧壁被粗化，形成圆形或锥状凸起结构。
5、 如权利要求4所述的发光二级管芯片的制造方法，其特征在于所述步骤l包括步骤1)采用掩膜技术、ICP或RIE对所形成的堆栈结构进行刻蚀使走道深入至N-GaN层；步骤2)使用激光划片技术、ICP技术或RIE技术对所述走道进一步刻蚀，使所述走道进一步深入至蓝宝石衬底中。
6、 如权利要求4或5所述的发光二级管芯片的制造方法，其特征在于所述步骤1完成后所形成的走道深入蓝宝石衬底15 — 50微米。
7、 如权利要求4或5所述的发光二级管芯片的制造方法，其特征在于所形成的走道呈上宽下窄的形状，其中，处于N-GaN层的部分比处于蓝宝石衬底的部分宽。
8、 如权利要求4或5所述的发光二级管芯片的制造方法，其特征在于步骤l中刻入蓝宝石衬底的优选深度为15-20微米。
9、 如权利要求4或5所述的发光二级管芯片的制造方法，其特征在于步骤1中刻入蓝宝石衬底的优选深度为20微米。
10、 如权利要求4所述的发光二级管芯片的制造方法，其特征在于步骤2中所述热磷酸的温度优选范围为145-220度，所述氢氧化钾溶液的温度优选范围为80-120度，所述湿法腐蚀的优选时间为3-10分钟。
11、 如权利要求4或IO所述的发光二级管芯片的制造方法，其特征在于步骤2中所述热磷酸的温度优选范围为145度，所述湿法腐蚀的优选时间为5分钟。
全文摘要
一种具有侧壁粗化的发光二级管芯片，包括蓝宝石衬底、N型GaN层、量子阱、P型GaN层、透明电极、N电极及P电极，芯片侧壁被粗化形成圆形或锥状凸起结构。一种制造上述具有侧壁粗化的发光二级管芯片的方法，除常规工艺外，该方法进一步包括以下步骤步骤1.采用掩膜技术，使用激光划片技术、ICP技术或RIE技术对所形成的堆栈结构进行刻蚀以形成多个由走道分隔开的堆栈单体，其中，各走道深入至蓝宝石衬底；步骤2.使用温度范围为140-300度的热磷酸或熔融的氢氧化钾或80度-300度的氢氧化钾溶液或光化学腐蚀法对已深入至蓝宝石衬底的走道侧壁进行3-30分钟的湿法腐蚀，使侧壁部分被粗化，形成圆形或锥状凸起结构。实验结果表明，芯片的出光效率大大提升，其亮度和毫瓦数均比常规工艺芯片提升20％以上。
文档编号H01L33/00GK101494273SQ200910046839
公开日2009年7月29日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者楠 张, 朱广敏, 郝茂盛 申请人:上海蓝光科技有限公司;彩虹集团公司