专利名称：基于激光器的led大面积可控表面粗化及刻蚀方法
技术领域：
本发明涉及一种基于激光器的LED大面积可控表面粗化及刻蚀方法，属于发光二 极管制造技术领域。
背景技术：
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III-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(M0CVD)技术的出现，使得高质量的III-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III-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。1969 年 Nuese 等人在 J. Electrochem Soc. Solid State Sci.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。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 (1)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。到目前为止，GaAs、GaP以及GaN等III-V族半导体材料的化学腐蚀方法屈指可 数。1998年，Stocker在Appl. Phys. Lett.发表文章，报道了利用热K0H溶液或者热H3P04 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。
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，如专利号200910061316，名称一种提高发光二极管外量子效率的方法 所描述的，发光二极管外延片结构中P型层的生长方式采用了一种新颖的粗化方法提高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。本发明方法的设计既保证了较高的空穴浓度又提供了 粗化表面，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。由于在外延过程中获得高Mg掺杂浓度的p-GaN 难度极大，此方法较难实现。并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。利用此方法得到的粗化表面粗糙度有限，难以得到理想的光引出效率提高。专利号200910046834，名称能使LED的P_GaN层表面粗化的制作方法所描述 的，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。此发明受限于ICP刻蚀 的技术瓶颈，破坏LED器件的电学性能，过多的ICP刻蚀有可能导致芯片漏电，成品率大大 下降。另外，此种方法会大大提高LED芯片产品的成本，一个原因是外延过程中要额外生长 一层用来粗化的本征GaN层，另一个原因是ICP刻蚀成本昂贵，额外的刻蚀必然使得LED生 产成本提高。专利号200910018772，名称利用PS球作模板制作发光二极管粗化表面的方法。 包括以下步骤(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L E D表面。此方法利用PS微球作为模板通过 ICP刻蚀对p-GaN表面进行粗化的设计异常繁琐，此过程引入一系列的腐蚀及化学过程，并 且使用了 PS微球这一价格昂贵的辅助耗材，使得LED芯片成本大幅提高，不适宜与LED生 产工艺相结合。并且此方法亦没有避免ICP刻蚀工艺对于LED器件的电学性能的破坏和成 本的提高。专利号200910018771，名称一种利用IT0颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方 法。利用IT0颗粒掩膜粗化红光发光二极管的方法，包括以下步骤(1)按常规利用金属有 机化学气相沉积的方法在衬底上依次外延生长N型接触层、多量子阱有源区和P型接触层， 衬底为GaAs材料；(2)在外延生长的P型接触层上用电子束溅射一层厚260nm的IT0薄膜；
(3)将覆盖有IT0的外延片浸入浓盐酸中1分钟，腐蚀掉部分IT0，残留的为颗粒状的IT0；
(4)用残留的IT0颗粒作掩膜，干法刻蚀P型接触层，形成粗化表面；(5)用浓盐酸腐蚀掉残 留的IT0。此方法需要两次蒸镀IT0电流扩展层，成本较正常LED工艺明显提高。此外，亦 没有避免ICP刻蚀工艺对于LED器件的电学性能的破坏。并且此方法需要使用浓盐酸，由 于浓盐酸具有强腐蚀性及强挥发性，可能会对其他精密设备及操作人员造成一定损害。专利号200710199280，名称GaN基发光二极管表面粗化的处理方法。该方法的实现过程为(1)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；(2)在设定的腐蚀温度和时间下用熔融的K0H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。此方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。综上所述，以上技术、专利均不具备高度可控、低成本、易于与现有LED工艺结合、 无毒害、对于LED芯片电学性能无破坏的特点，不涉及本发明提供的基于激光器的高光引 出效率、高可控性、低成本、大面积、多种形貌、无毒害、对LED芯片无损伤的LED表面粗化方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于激光器的LED大面积可控表面粗化及 刻蚀方法。一种基于激光器的LED大面积可控表面粗化及刻蚀方法，粗化及刻蚀方法如下(1)激光器选择激光波长小于待加工外延片材料带边吸收波长；激光功率密度 大于待加工外延片材料气化的阈值功率密度，对于GaN基、GaAs基LED外延片，功率密度大 于1012W/m2 ；对于GaN基材料，选用355nm激光，阈值功率为300mW ；对于GaAs基材料，选用 532nm激光，阈值功率为250mW ；(2)激光光束能量分布调节调整光束整形模块调节光斑能量分布为高斯分布或 者平头分布，实现粗化侧壁为倾斜或者陡直；(3)激光光束聚焦程度调节通过调节聚焦模块或者样品的高度，调节激光光束 在样品表面的聚焦程度，实现粗化线宽的控制；若使用焦距为100mm的透镜聚焦，最小加工 线宽为1微米；若要获得更宽的加工线宽，则通过调节样品高度，使样品表面处于欠焦状态 实现；(4)加工深度的调节通过调节激光器的输入功率控制激光的功率密度，或调节 加工的次数，实现粗化深度的调节；可以实现的粗化深度范围为lOnm至无限深；对蓝光 GaN外延层进行粗化时，若激光输出功率400mW、光斑直径10微米，一次加工的粗化深度为 150nm ；对GaAs基外延层进行粗化时，在400mW激光功率、光斑直径10微米的条件下，一次 粗化深度为250nm ；(5)不同加工图形的实现粗化图形以微米级周期的二维网状图形或同心圆环图 形光引出效果最好；LED粗化形貌的控制通过调节高速振镜或者高精度电动位移台实现， 将设计好的粗化图形导入高速振镜或者高精度电动位移台的控制软件，系统即可按照导入 的图形进行粗化加工；通过高速振镜实现的粗化图形最小分辨率为10微米，应用高精度电 动位移台最小分辨率可达1微米；(6)清洗加工完成后，室温下使用稀盐酸超声1-2分钟清洗样品表面残留的 Ga203 0所述的粗化及刻蚀方法，适用于粗化刻蚀所有GaAs基、GaN基三元、四元组分红、 绿、黄、蓝LED芯片各层外延结构的粗化及刻蚀。
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所述的粗化及刻蚀方法，适用于正装、倒装、垂直工艺、薄膜工艺的LED芯片及外 延片的粗化及刻蚀。一种实现权利要求1所述的基于激光器的LED大面积可控表面粗化及刻蚀方法的 装置，由电源供电模块、激光器模块、光束整形模块、光束聚焦模块、高速振镜或高精度电动 位移台、升降样品台以及控制高速振镜或高精度电动位移台的计算机组成；其中光束整形 模块与光束聚焦模块在光路中的位置可以互换；高速振镜和高精度电动位移台与计算机连 接。本发明的优越性1)本发明基于激光的LED表面粗化刻蚀技术选择适当激光模块可适用于所有的 半导体材料的刻蚀加工，对被加工材料的性质要求极低，可以用来粗化刻蚀GaAs基、GaP 基、GaN基三元、四元组分LED正、倒装芯片，特别是可以有效粗化p_GaN这一极难腐蚀的半 导体材料，极大的提升了蓝光LED的光提取效率，简化了生产工艺。2)本发明基于激光的LED表面粗化刻蚀技术设备及使用成本低廉。首先避免使 用ICP这一昂贵的传统刻蚀方法，其次此方法具有一次加工的特点，无需曝光、掩膜等工艺 即可加工出多种图形。3)由于避免了使用ICP刻蚀，对于LED芯片的电学性质无损伤，并且激光辐照可以 有效激活p-GaN中的Mg离子，提高p-GaN的导电能力，从而使得LED器件的电流注入效率 得到提高。4)加工速度快。以周期间距为20微米的同心圆环图形为例，加工一片2英寸GaN 基正装LED外延片仅需约15-20秒。超出目前所有粗化技术的加工速度数倍。5)加工面积大。通过改变控制软件的参数或者调节光路，可以轻松实现大尺寸样 品加工。6)粗化加工图形灵活多样。通过高速振镜或者高精度电动位移样品台的控制软件 可以实现各种自行设计的粗化刻蚀图形。7)刻蚀深度可控性高。由于激光模块的输出功率可以通过调节电源的输出功率进 行高精度控制，所以样品的刻蚀深度的控制精度可以达到lOnm以下。8)加工线宽窄，分辨率高。此方法的刻蚀线宽可以通过调节激光光束的聚焦程度 进行控制，通过聚焦技术最小可以将激光光束聚焦在1微米的范围内，这就代表此方法的 刻蚀分辨率可以达到1微米的精度。9)粗化效果好。经过此方法粗化的LED芯片光提取效率可以增加一倍以上。
图1为基于激光器的LED大面积可控表面粗化及刻蚀搭配高速振镜配置示意图。图2为基于激光器的LED大面积可控表面粗化及刻蚀搭配高精度电动位移台配置 示意图。其中，1、激光模块，2、激光光束整形模块，3、激光光束聚焦模块，4、反射镜，5、高速 振镜模块，6、待加工LED外延片，7、升降样品台，8、高精度电动位移台。
具体实施例方式实施例1 以2英寸GaN基正装LED外延片为例说明本发明的实现方法(1) GaN基正装LED外延片从底部至顶部的结构依次为蓝宝石、碳化硅或硅衬底， 缓冲层GaN，本征GaN层，n-GaN限制层，多量子阱有源发光区，p-GaN限制层。(2)在p-GaN限制层进行粗化加工，p-GaN限制层的厚度约为200nm。(3)开启紫外355nm激光器，使其激光输出处于待机状态。(4)调节激光光束整形模块以获得加工所需的光束能量分布。(5)将GaN基正装LED外延片固定在升降样品台的中心位置，调节升降样品台使得 紫外355nm激光光束位于外延片的中心，并调节样品台高度保证激光光束在外延片表面合 理聚焦。(6)将所需的粗化加工图形导入到高速振镜控制软件，例如内外层间隔均为20微米 的同心圆环结构，加工占空比为50%，加工面积为覆盖全部2英寸GaN基正装LED外延片。(7)通过调节电源供电模块的输出功率控制紫外355nm激光模块的输出功率，从 而实现控制粗化加工的深度。由于P-GaN限制层的厚度为200nm，为了不破坏多量子阱有 源发光区以及保证P-GaN的空穴注入效果，加工深度小于150nm，则激光器的功率应控制在 300mffo(8)在控制高速振镜的计算机端输入开始加工的命令，则紫外355nm激光模块 的输出达到设定的300mW，高速振镜开始按照输入的加工图形开始进行加工，加工速度为 3cm2/S,整片2英寸GaN基正装LED外延片加工完毕需要15-20秒。(9)使用浓度为20%的稀盐酸超声清洗2分钟除去外延片表面的Ga203残留，并使 用丙酮、乙醇等清洗外延片。(10)将粗化后的2英寸GaN基正装LED外延片继续进行正常的电极制作工艺。实施例2 以2英寸GaN基垂直工艺LED外延片为例说明本发明的实现方法，第4、5、9、10步 与实施例1相同，差别在于(l)GaN基垂直工艺LED外延片从底部至顶部的结构依次为硅衬底，p-GaN限制层， 多量子阱有源发光区，n-GaN限制层，本征GaN。(2)在本征GaN层进行粗化加工，本征GaN层的厚度约为1. 5微米。(3)开启紫外355nm激光器，使其激光输出处于待机状态。(6)将所需的粗化加工图形导入到高精度电动位移台控制软件，例如周期为15微 米的纵横垂直条纹结构，加工占空比为50 %，加工面积为覆盖全部2英寸GaN基垂直工艺 LED外延片。(7)通过调节电源供电模块的输出功率控制紫外355nm激光模块的输出功率，从 而实现控制粗化加工的深度。由于本征GaN层的厚度为1.5微米，为了不破坏多量子阱有 源发光区以及保证n-GaN的空穴注入效果，加工深度小于1. 2微米，则激光器的功率应控制 在1W。(8)在控制高精度电动位移台的计算机端输入开始加工的命令，则紫外355nm激 光模块的输出达到设定的1. 5W，高速振镜开始按照输入的加工图形开始进行加工，加工速度为lcm2/S，整片2英寸GaN基垂直工艺LED外延片加工完毕需要30-45秒。实施例3 以2英寸GaAs红光LED外延片为例说明本发明的实现方法，第4、5、9、10步与实 施例1相同，差别在于(l)GaAs红光LED外延片从底部至顶部的结构依次为GaAs衬底，n-GaAs限制层， 多量子阱有源发光区，p-GaAs限制层，GaP窗口层。(2)在GaP窗口层进行粗化加工，GaP窗口层的厚度约为8微米。(3)开启532nm激光器，使其激光输出处于待机状态。(6)将所需的粗化加工图形导入到高速振镜控制软件，例如内外层间隔均为20微 米的同心圆环结构，加工占空比为50%，加工面积为覆盖全部2英寸GaAs红光LED外延片。(7)通过调节电源供电模块的输出功率控制532nm激光模块的输出功率，从而实 现控制粗化加工的深度。由于GaP窗口层的厚度为8微米，为了不破坏多量子阱有源发光 区以及保证P-GaAs的空穴注入效果，加工深度小于2微米，则532nm激光器的功率应控制 在2W。(8)在控制高速振镜的计算机端输入开始加工的命令，则532nm激光模块的输出 达到设定的2W，高速振镜开始按照输入的加工图形开始进行加工，加工速度为3cm2/S，整片 2英寸GaAs红光LED外延片加工完毕需要15-20秒。实施例4 以2英寸AlGalnP黄、绿光LED外延片为例说明本发明的实现方法，第4、5、9、10 步与实施例1相同，差别在于(l)AlGalnP黄、绿光LED外延片从底部至顶部的结构依次为GaAs衬底，n-GaAs限 制层，多量子阱有源发光区，p-AlGaAs限制层，GaP窗口层。(2)在GaP窗口层进行粗化加工，GaP窗口层的厚度约为8微米。(3)开启532nm激光器，使其激光输出处于待机状态。(6)将所需的粗化加工图形导入到高速振镜控制软件，例如内外层间隔均为20微 米的同心圆环结构，加工占空比为50%，加工面积为覆盖全部2英寸AlGalnP黄、绿光LED 外延片。(7)通过调节电源供电模块的输出功率控制532nm激光模块的输出功率，从而实 现控制粗化加工的深度。由于GaP窗口层的厚度为8微米，为了不破坏多量子阱有源发光 区以及保证P-AlGaAs的空穴注入效果，加工深度小于2微米，则532nm激光器的功率应控 制在2W。(8)在控制高速振镜的计算机端输入开始加工的命令，则532nm激光模块的输出 达到设定的2W，高速振镜开始按照输入的加工图形开始进行加工，加工速度为3cm2/S，整片 2英寸AlGalnP黄、绿光LED外延片加工完毕需要15-20秒。
权利要求
一种基于激光器的LED大面积可控表面粗化及刻蚀方法，其特征在于，粗化及刻蚀方法如下(1)激光器选择激光波长小于待加工外延片材料带边吸收波长；激光功率密度大于待加工外延片材料气化的阈值功率密度，对于GaN基、GaAs基LED外延片，功率密度大于1012W/m2；对于GaN基材料，选用355nm激光，阈值功率为300mW；对于GaAs基材料，选用532nm激光，阈值功率为250mW；(2)激光光束能量分布调节调整光束整形模块调节光斑能量分布为高斯分布或者平头分布，实现粗化侧壁为倾斜或者陡直；(3)激光光束聚焦程度调节通过调节聚焦模块或者样品的高度，调节激光光束在样品表面的聚焦程度，实现粗化线宽的控制；若使用焦距为100mm的透镜聚焦，最小加工线宽为1微米；若要获得更宽的加工线宽，则通过调节样品高度，使样品表面处于欠焦状态实现；(4)加工深度的调节通过调节激光器的输入功率控制激光的功率密度，或调节加工的次数，实现粗化深度的调节；可以实现的粗化深度范围为10nm至无限深；对蓝光GaN外延层进行粗化时，若激光输出功率400mW、光斑直径10微米，一次加工的粗化深度为150nm；对GaAs基外延层进行粗化时，在400mW激光功率、光斑直径10微米的条件下，一次粗化深度为250nm；(5)不同加工图形的实现粗化图形以微米级周期的二维网状图形或同心圆环图形光引出效果最好；LED粗化形貌的控制通过调节高速振镜或者高精度电动位移台实现，将设计好的粗化图形导入高速振镜或者高精度电动位移台的控制软件，系统即可按照导入的图形进行粗化加工；通过高速振镜实现的粗化图形最小分辨率为10微米，应用高精度电动位移台最小分辨率可达1微米；(6)清洗加工完成后，室温下使用稀盐酸超声1-2分钟清洗样品表面残留的Ga2O3。
2.如权利要求1所述的基于激光器的LED大面积可控表面粗化及刻蚀方法，其特征在 于，所述的粗化及刻蚀方法，适用于粗化刻蚀所有GaAs基、GaN基三元、四元组分红、绿、黄、 蓝LED芯片各层外延结构的粗化及刻蚀。
3.如权利要求1所述的基于激光器的LED大面积可控表面粗化及刻蚀方法，其特征在 于，所述的粗化及刻蚀方法，适用于正装、倒装、垂直工艺、薄膜工艺的LED芯片及外延片的 粗化及刻蚀。
4.一种实现权利要求1所述的基于激光器的LED大面积可控表面粗化及刻蚀方法的装 置，其特征在于由电源供电模块、激光器模块、光束整形模块、光束聚焦模块、高速振镜或 高精度电动位移台、升降样品台以及控制高速振镜或高精度电动位移台的计算机组成；其 中光束整形模块与光束聚焦模块在光路中的位置可以互换；高速振镜和高精度电动位移台 与计算机连接。
全文摘要
基于激光器的LED大面积可控表面粗化及刻蚀方法，属于发光二极管技术领域。本发明此方法利用半导体材料对于波长小于其带边吸收波长的大功率激光强吸收发生气化，实现对LED表面半导体材料的表面粗化。高速振镜或者精密位移台控制激光加工的区域及加工图形；控制激光的功率和聚焦程度调节加工的线宽和深度。本发明可应用于各种结构的GaAs基LED、GaN基LED表面粗化及刻蚀。激光器选用以波长小于被加工半导体带边吸收波长为准。具有适用材料广，加工速度快、面积大，成本低，粗化效果好，对半导体材料损伤小，系统的加工参数可控性高等优势，可有效解决p-GaN层粗化这一难题，在高亮度LED生产中具有很大的应用潜力。
文档编号H01L33/22GK101866996SQ201010178809
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月21日 优先权日2010年5月21日
发明者何京良, 刘铎, 左致远, 张百涛, 徐现刚 申请人:山东大学