专利名称：一种发光二极管芯片的制造方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管芯片的制造方法，尤其是指一种可提高芯片亮度的发光二极管芯片制造方法。
背景技术：
随着半导体照明的不断深入发展，发光二极管(LED)以其高电光转换效率和绿色 环保的优势受到越来越广泛的关注。半导体照明产品中的核心组成部分是LED芯片，其研 究与生产技术有了飞速的发展，芯片亮度和可靠性不断提高。在LED芯片的研发和生产过 程中，器件外量子效率的提高一直是核心内容，因此，光提取效率的提高显得至关重要。LED的光提取效率是指出射到器件外可供利用的光子与外延片的有源区由电子空 穴复合所产生的光子的比例。在传统LED器件中，由于衬底吸收、电极阻挡、出光面的全反 射等因素的存在，光提取效率通常不到10%，绝大部分光子被限制在器件内部无法出射而 转变成热，成为影响器件可靠性的不良因素。为提高光提取效率，使得器件体内产生的光子更多地发射到体外，并改善器件内 部热特性，经过多年的研究和实践，人们已经提出了多种光提取效率提高的方法，比如倒装 结构、电流分布与电流扩展结构、芯片形状几何化结构、表面微结构等。然而，如何突破现有技术进一步提高出光效率仍然是本领域技术人员亟待解决的 技术课题。
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的制造方法，可提高芯片 的出光效率，从而能有效提高芯片亮度。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种发光二极管芯片的制造方法，包括以下步骤步骤一、在蓝宝石衬底上生长半导体外延层，该层至少包括N型GaN层、位于所述 N型GaN层之上的有源层，以及位于所述有源层之上的P型GaN层；步骤二、利用刻蚀技术对步骤一所得结构进行刻蚀，使部分所述N型GaN层露出， 形成凹台；步骤三、在步骤二所得结构上依次制作抗酸层和抗激光层；步骤四、对步骤三所得结构进行激光划片，划至所述蓝宝石衬底，在所述凹台处形 成划道；步骤五、去除所述抗激光层；步骤六、利用磷酸和硫酸的混合液对所述划道进行腐蚀，清除划片生成物，使所述 划道两侧的N型GaN层腐蚀形成侧壁，所述侧壁与所述蓝宝石衬底之间形成夹角θ，0° < θ < 90° ；步骤七、去除所述抗酸层；
步骤八、制作透明电极、N电极、P电极，然后在所得结构上表面制备SiO2保护膜， 只露出N电极及P电极。由于磷酸可以去除GaN的划片生成物、硫酸可以去除蓝宝石的划片生成物，所以 采用本发明的方法可以增加侧壁出光；另外由于GaN晶体是六方纤锌矿结构，磷酸对GaN各 晶面的腐蚀速率不同，能使N-GaN层形成“倒三角”结构，该结构能改变光的传播路程、增加 光子从芯片逃逸的几率、提高LED芯片的出光效率，可使LED芯片的亮度提高10%以上。图2A为常规LED芯片部分结构示意图。由于常规LED芯片侧壁是竖 直的，当辐射 出的光子P以入射角Q1到达第一壁Wl时，经反射后会以入射角θ2到达第二壁W2(即芯 片侧壁)；再次反射后会以入射角θ 3到达第三壁W3，其中入射角θ2 = 90° -θρ θ3 = θ 10对于常用GaN材料的LED芯片，其光逃逸锥形临界角(lightescape cone critical angle)约为23. 5°，所以只要光子P的入射角θ 满足条件“23. 5° < θ < 66. 5°，，时， 其会因不断地被各壁反射而导致能量在芯片内消耗，最终无法出光，出光效率较低。图2Β是采用本发明的方法制造的LED芯片部分结构示意图，当光子P到达W2 (即 芯片侧壁)时，由于W2为“倒三角”结构，在W2上的反射光线方向会发生变化，因此当光子 P到达W3时、入射角已经变小、不会发生全反射、可以逃逸出去，这样能增加光子从芯片逃 逸的几率、显著提高LED芯片的出光效率。
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照 比例绘制图IA至图IE是本发明的方法中关键制造步骤实施例示意图；图2A是常规LED芯片部分结构示意图；图2B是采用本发明的方法得到的LED芯片部分结构示意图；图3是采用本发明方法得到的LED芯片与常规LED芯片的光电参数对比图。
具体实施例方式请参看图IA至图1E，以10X23mil芯片为例，具体说明本发明方法的实施过程步骤一、在蓝宝石衬底上生长半导体外延层，该层至少包括N型GaN层、位于所述 N型GaN层之上的有源层，以及位于所述有源层之上的P型GaN层，如图IA所示。其中，制 备半导体层时，可采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外 延(HVPE)等技术。本实施例优选为利用金属有机化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上依次 生长N型GaN层、有源层，以及P型GaN层。有源层通常为量子阱层。步骤二、利用利用ICP Etching(感应耦合等离子刻蚀)或RIE(反应离子刻蚀) 技术对步骤一所得结构进行刻蚀，使部分所述N型GaN层露出，形成凹台，如图IB所示，刻 蚀的深度为800-2000nm。在一具体实施例中所述刻蚀深度为lOOOnm。步骤三、在步骤二所得结构上依次制作抗酸层和抗激光层作为掩膜层，如图IC所 示。与GaN层接触的为抗酸层，与抗酸层接触的为抗激光层。所述抗酸层的作用是保护 GaN,使之不被磷酸、硫酸腐蚀。抗酸层常用的材料有Si02、Ni/Au, Ti/Au、Cr/Au、Cr/Pt/Au 等，抗酸层的厚度可选50-5000nm。所述抗激光层的作用是保护GaN层，使之不被激光辐射破坏。抗激光层常用的材料有正划保护胶(Protective Coating)等，抗激光层的厚度可选 1000-5000nm，正划保护胶使用旋转式涂布方法制作。步骤四、对步骤三所得结构进行激光划片将其划分为多个芯片单元，划片时划至 所述蓝宝石衬底，在所述凹台处形成划道，如图ID所示。激光划片所采用的激光波长为 200-400nm，划道宽度为2-15μπι，划片深度为15-50μπι。在一具体实施例中，激光波长为 355nm,划道宽度为6 μ m，划片深度为25 μ m。步骤五、采用去膜剂清洗，去除正划保护胶，清洗时间为20-60min。步骤六、以所述抗酸层作为掩膜，利用磷酸和硫酸的混合液对所述划道进行腐蚀， 清除划片生成物，使所述划道两侧的N型GaN层腐蚀形成侧壁，所述侧壁与所述蓝宝石衬底 之间形成夹角θ，0° < θ <90°，使N-GaN层形成“倒三角结构”，去除所述抗酸层后如图 IE所示。所述磷酸和硫酸的体积比为X Υ,Χ+Υ = 1，0 < X < 1，腐蚀温度为200-300°C， 腐蚀时间为l-60min，划道每侧的腐蚀宽度(腐蚀宽度是指划道中心线到腐蚀边缘的距离) 为1-30 μ m。在一具体实施例中，磷酸、硫酸的体积比为1/4比3/4，腐蚀温度为220°C，腐蚀 时间为5-15min，划道每侧的腐蚀宽度为4-12μπι。步骤七、去除所述抗酸层。使用清洗液去除所述抗酸层时，所述清洗液因抗酸层而 异，SiO2采用BOE (Buffered Oxide Etch)溶液或氢氟酸去除，Ni采用硝酸去除，Ti采用氢 氟酸、热的浓盐酸或热的浓硫酸去除，Cr采用盐酸与Cr的混合液，8卩“此1+(>”去除，？1八11 采用王水去除。在一具体实施例中，使用BOE去除SiO2，清洗时间为10-60min。步骤八、制作处于所述N型GaN层表面的N电极及处于所述P型GaN层表面的透 明导电层和P电极。具体为，利用镀膜技术，可利用溅射法、蒸发法等，在所述P型GaN层上 镀一层透明导电层。所述透明导电层为IT0、Ni/Au等透明导电且能与P层形成良好欧姆接 触的材料，优选为ITO层。利用光刻及蒸发法镀膜技术，在N型GaN层上制备N电极，在P 型GaN层上制备P电极。另外，还可以利用等离子体化学气相沉积技术，在最后所得的结构 上表面制备保护膜。保护膜材料为SiO2,只露出N电极及P电极。最后对所得到的LED晶片进行背面研磨减薄，再用裂片机裂片得到LED芯片；该部 分为本领域技术人员所悉知，所以不再详细描述。本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范 畴，在此不再赘述。采用本发明的方法得到的10X23mil芯片与常规10X23mil芯片的光电参数对 比，如图3所示。可看出，腐蚀宽度越大、亮度(mW)提升幅度也越大(11.5% -17. 7% )，这是 因为腐蚀宽度越大、倒三角结构越明显、光子从芯片逃逸的几率越大、芯片出光效率越高； 与此同时，腐蚀宽度越大，IR(漏电)通过率有变低的趋势，这是因为倒三角结构越明显、 N-GaN下空洞越大、芯片IR(漏电)越差；所以对于该款芯片、合适的腐蚀宽度为4_12 μ m。上述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
一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤一、在蓝宝石衬底上生长半导体外延层，该层至少包括N型GaN层、位于所述N型GaN层之上的有源层，以及位于所述有源层之上的P型GaN层；步骤二、利用刻蚀技术对步骤一所得结构进行刻蚀，使部分所述N型GaN层露出，形成凹台；步骤三、在步骤二所得结构上依次制作抗酸层和抗激光层；步骤四、对步骤三所得结构进行激光划片，划至所述蓝宝石衬底，在所述凹台处形成划道；步骤五、去除所述抗激光层；步骤六、利用磷酸和硫酸的混合液对所述划道进行腐蚀，清除划片生成物，使所述划道两侧的N型GaN层腐蚀形成侧壁，所述侧壁与所述蓝宝石衬底之间形成夹角θ，0°＜θ＜90°；步骤七、去除所述抗酸层；步骤八、制作透明电极、N电极、P电极，然后在所得结构上表面制备SiO2保护膜，只露出N电极及P电极。
2.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤一利用金属 有机化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延技术生长所述半导体外延层。
3.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤二利用感应 耦合等离子刻蚀或反应离子刻蚀技术进行刻蚀。
4.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤二中刻蚀的 深度为 800-2000nm。
5.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述抗酸层为M/ Au堆栈层、Ti/Au堆栈层、Cr/Au堆栈层、Cr/Pt/Au堆栈层和Si02层中的一种。
6.根据权利要求5中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤七中所述抗 酸层为Si02层时，采用B0E溶液或氢氟酸去除；所述抗酸层为M/Au堆栈层、Ti/Au堆栈层、 Cr/Au堆栈层或Cr/Pt/Au堆栈层时，其中的M采用硝酸去除，Ti采用氢氟酸、热的浓盐酸 或热的浓硫酸去除，Cr采用盐酸与Cr的混合液去除，Pt.Au采用王水去除。
7.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述抗酸层的厚 度为 50-5000nm。
8.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述抗激光层为 正划保护胶。
9.根据权利要求8中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述正划保护胶 使用旋转式涂布方法制作。
10.根据权利要求8中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤五中所述正 划保护胶采用去膜剂去除。
11.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述抗激光层的 厚度为 1000-5000nm。
12.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤四中激光划 片所采用的激光波长为200-400nm，划道宽度为2-15 u m,划片深度为15-50 u m。
13.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤六中所述 磷酸和硫酸的体积比为X Y, X+Y = 1,0 < X < 1，腐蚀温度为200-300°C，腐蚀时间为 l_60mino
14.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤六腐蚀后， 划道每侧的腐蚀宽度为1-30 ym，所述腐蚀宽度是指划道中心线到腐蚀边缘的距离。
全文摘要
本发明公开了一种发光二极管芯片的制造方法，通过对GaN半导体外延层进行激光划片形成划道，并利用磷酸和硫酸的混合液对所述划道进行腐蚀，清除划片生成物，使划道两侧的N型GaN层腐蚀形成侧壁，且侧壁与蓝宝石衬底之间形成了大于0°小于90°的倾角，从而能改变光的传播路程，增加光子从芯片逃逸的几率，提高LED芯片的出光效率，可使LED芯片的亮度提高10％以上。
文档编号H01L33/20GK101834251SQ20101017050
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月11日 优先权日2010年5月11日
发明者刘亚柱, 张楠, 朱广敏, 李士涛, 袁根如, 郝茂盛, 陈诚 申请人:上海蓝光科技有限公司