专利名称：侧壁具有微柱透镜阵列图案的led芯片的制造方法
技术领域：
本发明属于发光器件制造领域，尤其涉及一种侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED 芯片的制造方法。
背景技术：
随着半导体集成技术的高速发展及电光效率的提高，以III族氮化物为材料的发光二极管(Light Emitting Diode, LED)作为一种新型光源,应用越来越广，已经广泛运用于交通信号灯、全彩显示屏、液晶屏的背光源、以及汽车前后灯等，这种新型光源具有节能、 环保、寿命长等诸多优点，并有望成为新一代绿色环保固态照明的发展方向。然而，LED的制造成本和电光效率是制约其替代传统光源应用于照明行业的速度的主要因素。单颗LED晶粒电光效率低下，那么大功率LED照明灯具必须由更多颗LED晶粒串并联组成，这直接导致大功率LED照明灯具的成本增加，而且电能转化为光出射的效率越低，根据能量守恒芯片材料内储存的热能就越多、器件结温上升，灯具在散热系统的材料选择、设计会导致LED产业链中的各种成本的增加。显然，若单颗LED的电光效率提高， 同样条件下光出射的数量增多，则相同的大功率LED照明灯具可少配置一些LED晶粒，由电能转化的热能更少，灯具在散热系统的材料选择、设计方面会减少成本的投入。所以，LED电光效率决定广品的制造成本，两者成反比例关系。LED电光效率主要由电流注入效率、内量子效率与取光效率的乘积决定。其中， 芯片的电极设计和欧姆接触电阻影响电流注入效率，一般较好的芯片的电流注入效率可达 90%以上。内量子效率主要由外延生长技术、材料特性与能隙结构设计所决定，当前面临的挑战主要存在着缺乏合适的衬底材料、高质量、高空穴浓度的p-GaN(P型氮化镓)掺杂困难、有源层材料InGaN(氮化镓铟)的位错密度高等问题，尽管如此，目前GaN(氮化镓)外延片一般能达到70%以上的内量子效率，并随着技术的发展还在逐年提高。相比前两者，取光效率是影响LED电光效率低下的实质性原因。由于LED照明灯具在有源区发出的光大部分从P型区的顶部出射，而半导体材料与空气的折射率差异比较大，例如GaN材料折射率为
2.5，空气折射率为I. 0，会导致光从折射率大的半导体材料到折射率小的空气时，在两者的界面处存在全反射，全反射的角度约为23°，因此，大多数光由于全发射而被限制在芯片； 同时，光在芯片中横向传输的现象很明显，又由于半导体材料对光存在一定的吸收，各界面处也对光有一定的损耗，当光在芯片中多次来回传输时，会不断被吸收而损耗掉，未经处理的LED的有源层上产生的光仅有少部分能出射出去。所以，最后导致整个芯片的取光效率较低。目前，常用的通过提高LED取光效率来提高LED光源芯片的电光效率的工艺包括芯片表面粗化工艺和微透镜技术。芯片表面粗化技术通常是利用干法或湿化学刻蚀、淀积等方法使原本平整的界面变得有周期性规则(如光子晶体)或随机的纹理结构，改变某些从有源区发出或在芯片内经反射后的光到达有源区与空气界面时的入射角，若此时入射角小于23°，光线可有望从圆形光锥内出射，提高取光效率。现有技术中针对芯片表面粗化工艺而进行的一种在P-GaN面湿化学腐蚀粗化提高光效的方法。众所周知，一般情况下生长于蓝宝石衬底的GaN晶体，朝外的晶面是抗腐蚀性很强的Ga原子面，常规的腐蚀条件很难对表面粗化。基于这种思想，该方法通过对P-GaN表面再生长一Mg(镁)高掺杂(102°atomS/ cm3)的p-GaN层，因为p_GaN层进行Mg高掺杂后,其Ga面与N (氮)面可实现反转使易腐蚀的N原子面朝外，然后运用热碱KOH(氢氧化钾)溶液可实现表面粗化。即便如此，由于高Mg掺杂的P-GaN层的导电性较差，若太厚势必会引起正向电压增大，反之太薄也不利于粗化。所以，该技术存在工艺的复杂性与稳定性问题。而微透镜技术则是利用干法刻蚀、离子束球磨或是光刻胶回流等方法在芯片表面制作微米级的周期性透镜或半圆柱形透镜阵列，由理论可知对于点光源球形凸面的出光效果最佳，这种技术已经被证明对提高LED光效有显著作用。现有技术中针对微透镜技术而进行的一种全侧壁锯齿状粗化发光二极管芯片的制备方法，分别采用锯齿状的Mesa(台面)掩膜版和锯齿状的ITO (氧化铟锡)掩膜版光刻加刻蚀得到侧壁锯齿状粗化的n-GaN台面和ITO电流扩散层，提高了 LED发光效率，但是，这种侧壁粗化技术采用两道光刻，工艺流程不够简化，成本增加且由于光刻胶的硬烤回流很难形成理想的尖状锯齿的图案，实际可控性不强。现有技术中针对微透镜技术而进行的另一种微(柱形)透镜图案的制备方法， 该方法通过在P-GaN面、蓝宝石衬底及n-GaN面制作微(柱形)凸镜图案，达到提高光效作用。但是这些工作或需另制光刻版或激光剥离，工艺繁琐、可控难度大、成本高等缺点。然而，无论是对于芯片表面粗化还是微透镜技术，目前大多是运用于p_GaN(P型氮化镓)面、n-GaN(N型氮化镓)面或是蓝宝石衬底面的工作，这些方法一般都需要附加一些工艺，如另制光刻版，或者用到昂贵的设备与复杂工艺，如需激光剥离设备等，即便提高了 LED的出光效率，但从成本来说不合算，相对便宜的湿化学腐蚀的表面粗化技术尚不成熟，行业内一般亦不采纳。而对芯片侧壁的粗化和微透镜技术运用的比较少，通常对侧壁的高温腐蚀(Sidewall Etching)工艺也需要特制的腐蚀设备,危险且不够稳定。为了解决上述问题，需要寻求一种能兼顾成本支出、简化工艺流程的前提下，实现 LED芯片取光效率提升的工艺方法，以解决生产LED芯片过程中成本高、技术存在工艺复杂性与稳定性不高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，以兼顾成本支出，简化工艺流程，降低工艺复杂性，提升工艺稳定性的同时，并实现LED芯片取光效率的提升。为解决上述问题，本发明提供了一种侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，包括如下步骤在一衬底上由下至上依次生长外延层和电流扩散层；利用侧壁具有圆弧形阵列和台面图案的光刻版进行光刻工艺，在所述电流扩散层上形成光刻胶，所述光刻胶侧壁具有微柱透镜阵列和台面图案；以所述光刻胶为掩膜，对电流扩散层进行湿化学过刻蚀；继续以所述光刻胶为掩膜，对外延层进行干法刻蚀，形成台面；去除所述光刻胶，分别形成侧壁具有微柱透镜阵列图案的外延层和侧壁具有圆弧形图案的电流扩散层；在所述电流扩散层上制作P电极，在所述台面上制作N电极。由上述技术方案可见，与传统通用的芯片表面粗化或是微透镜技术制造工艺相比，本发明公开的侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，先在衬底上生长外延层，将形成电流扩散层的工艺前置于台面刻蚀工艺之前，然后通过侧壁具有圆弧形阵列图案和台面图案的光刻版进行图案转移，实现了 LED芯片的侧壁微柱透镜图案化刻蚀和电流扩散层的侧壁圆弧形阵列图案化刻蚀，优化改进了芯片的工艺流程，减少光刻步骤，降低成本的同时，有效地提升了 LED的电光效率，进而提高LED芯片亮度。
图I为本发明一实施例的侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法的流程图；图2a至图2f为本发明一实施例的侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法中的器件示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制造中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。下面以图I所示的方法流程为例，结合附图2a至2f，对侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法进行详细描述。所述侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法包括SlOO :在一衬底上由下至上依次生长外延层和电流扩散层。首先，参见图2a，提供一衬底200，所述衬底200为蓝宝石衬底。在所述衬底200 上采用金属有机化学气相沉积工艺(MOV⑶)生长外延层202，所述外延层202由下至上依次包括缓冲层204、N型氮化镓层206、多量子阱层208和P型氮化镓层210。其中，多量子阱层208包括多个势垒层以及与多个势垒层相互交替生长的多个有源层即势阱层，有源层的能量带隙小于相邻的势垒层的能量带隙，且决定发光波长、颜色等。然后，参见图2b，先清洗所述外延层202，再在所述外延层202上通过蒸镀工艺沉积氧化铟锡(ITO)，形成透明的电流扩散层212，以提高后续工艺制备的LED芯片发光的出射率。SlOl :利用侧壁具有圆弧形阵列和台面图案的光刻版进行光刻工艺，在所述电流扩散层上形成光刻胶，所述光刻胶侧壁具有微柱透镜阵列和台面图案。参见图2c，在所述电流扩散层212上先旋涂光刻胶，并利用侧壁具有圆弧形阵列和台面图案的光刻版进行曝光、显影等光刻工艺，在所述电流扩散层212上形成侧壁具有紧密排列的微柱透镜阵列以及台面图案的光刻胶214。S102 以所述光刻胶为掩膜，对电流扩散层进行湿化学过刻蚀。参见图2d，以侧壁具有微柱透镜阵列和台面图案的光刻胶214为掩膜，对所述电流扩散层212进行湿化学过刻蚀，使电流扩散层212经刻蚀沿着侧壁具有微柱透镜阵列和台面图案的光刻胶214进行微微内缩，由于电流扩散层沉积的厚度相对于其侧壁圆弧形的直径，可以忽略不计，因此，在所述电流扩散层212的侧壁形成的图案可称为圆弧形阵列图案。S103 :继续以所述光刻胶为掩膜，对外延层进行刻蚀。参见图2e，继续以侧壁具有微柱透镜阵列和台面图案的光刻胶214为掩膜，对所述外延层202进行ICP (电感耦合等离子体)刻蚀，形成台面218。所述台面218由上至下依次贯穿电流扩散层212、P型氮化镓层210、多量子阱层208，刻蚀停止在所述N型氮化镓层206中。S104:去除所述光刻胶，分别形成侧壁具有微柱透镜阵列图案的外延层和侧壁具有圆弧形图案的电流扩散层。继续参见图2e，去除具有侧壁微柱透镜阵列和台面图案的光刻胶214后，在外延层202和电流扩散层212的侧壁上分别形成了微柱透镜阵列和圆弧形阵列图案。其中，所述圆弧形的直径大小为微米级别，且其大小在光刻精度保证的条件下可以根据光刻机的分辨率进行调整，从而通过四周紧密排列的圆弧形阵列图案转移制备的微柱透镜阵列图案的大小也可以通过圆弧形的调整而进行调整。由于所述电流扩散层212在以侧壁具有微柱透镜阵列和台面图案的光刻胶214为掩膜进行刻蚀工艺之前形成，因此，对后续LED芯片的形成进行了工艺流程的优化改进，减少了光刻步骤，降低了成本的同时，实现了 LED芯片的侧壁微柱透镜阵列图案化刻蚀和透明电流扩散层的侧壁圆弧形阵列图案化刻蚀，有效地提升了 LED的电光效率，进而提高了 LED芯片亮度。S105 :在所述电流扩散层上制作P电极，在所述台面上制作N电极。参见图2f，以通用的光刻工艺、离子束蒸镀工艺、剥离(lift-off)工艺及退火工艺，在所述电流扩散层212上制作P电极220，在所述台面218制作N电极222，形成LED芯片。其中，所述P电极220和N电极222的材料可以为铬金(Cr/Au)合金、或铬钼合金 (Cr/Pt/Au)、或镍金(Ni/Au)合金、或其他金属。当然，在所述LED芯片结构中的外延层202侧壁和表面上、电流扩散层212的表面上及所述台面218上还可以沉积钝化层(图中未示)，以避免LED芯片表面的损坏，所述钝化层的材料可以为氧化硅(SiO2)。由上述技术方案可见，与传统通用的芯片表面粗化或是微透镜技术制造工艺相比，本发明公开的侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，先在衬底上生长外延层，将形成电流扩散层的工艺前置于刻蚀工艺之前，然后通过侧壁具有圆弧形阵列图案和台面图案的光刻版进行图案转印，现了 LED芯片的侧壁微柱透镜阵列图案化刻蚀和透明电流扩散层的侧壁圆弧形阵列图案化刻蚀，优化改进了芯片的工艺流程，减少光刻步骤，降低成本的同时，有效地提升了 LED的电光效率，进而提高LED芯片亮度。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1.一种侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，包括在一衬底上由下至上依次生长外延层和电流扩散层；利用侧壁具有圆弧形阵列和台面图案的光刻版进行光刻工艺，在所述电流扩散层上形成光刻胶，所述光刻胶侧壁具有微柱透镜阵列和台面图案；以所述光刻胶为掩膜，对电流扩散层进行湿化学过刻蚀；继续以所述光刻胶为掩膜，对外延层进行干法刻蚀，形成台面；去除所述光刻胶，分别形成侧壁具有微柱透镜阵列图案的外延层和侧壁具有圆弧形阵列图案的电流扩散层；在所述电流扩散层上制作P电极，在所述台面上制作N电极。
2.根据权利要求I所述的侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，其特征在于所述外延层由下至上依次包括缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层。
3.根据权利要求2所述的侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，其特征在于对外延层进行刻蚀的步骤中，刻蚀停止在所述N型氮化镓层中。
4.根据权利要求I所述的侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，其特征在于对电流扩散层进行湿化学过刻蚀使所述电流扩散层进行内缩。
5.根据权利要求I所述的侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，其特征在于在所述电流扩散层上制作P电极，在所述台面上制作N电极之后，还包括在所述外延层的侧壁和表面上、电流扩散层上及台面上形成钝化层。
6.根据权利要求I所述的侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，其特征在于所述电流扩散层使用的材料为氧化铟锡。
全文摘要
本发明提出一种侧壁具有微柱透镜阵列图案的LED芯片的制造方法，步骤如下在一衬底上由下至上依次生长外延层和电流扩散层；利用侧壁具有圆弧形阵列和台面图案的光刻版进行光刻工艺，在所述电流扩散层上形成光刻胶，所述光刻胶具有侧壁微柱透镜阵列和台面图案；以所述光刻胶为掩膜，对电流扩散层进行湿化学过刻蚀；继续以所述光刻胶为掩膜，对外延层进行干法刻蚀，形成台面；去除所述光刻胶，分别形成侧壁具有微柱透镜阵列图案的外延层和侧壁具有圆弧形阵列图案的电流扩散层；在所述电流扩散层上制作P电极，在所述台面上制作N电极。本发明兼顾成本支出，简化工艺流程，降低工艺复杂性，提升了工艺稳定性，并实现LED芯片取光效率的提升。
文档编号H01L33/00GK102544269SQ201210055790
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者姚陆军, 张汝京, 缪炳有, 肖德元 申请人:映瑞光电科技(上海)有限公司