CN101436630A - 一种氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents

一种氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法，制作方法包括下述步骤：在外延片表面规划出晶粒区域以及切割道区域；去除切割道区域的保护掩膜，再去除未显影的光刻胶；对切割道区域进行干蚀刻，露出N型氮化镓并形成侧壁，N型氮化镓的表面与外延片的衬底的表面的距离为1～1.5μm；对侧壁和N型氮化镓表面在碱性溶液中进行湿蚀刻，形成粗化的N型氮化镓侧壁和粗化的N型氮化镓表面；对N型氮化镓表面进行干蚀刻，利用外延磊晶过程中形成的晶格缺陷，使N型氮化镓表面形成纳米柱状结构，最后制作成芯片，此种芯片能提升氮化镓基发光二极管芯片的外部发光效率。

Description

一种氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法
技术领域
本发明属于氮化镓基发光二极管技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法。
背景技术
半导体发光二极管应用日益广泛，特别是在照明方面有取代白炽灯和荧光灯的趋势，但是目前还面临一些技术上的问题，特别是光取出效率比较低，通常影响光取出效率主要有三个方面的原因：一种是由于材料对光的吸收，另一种是光在穿过不同介质时产生全反射，还有一种是光的菲涅尔效应损失。
目前常规制作发光二极管芯片的技术为，在衬底1上依次外延生长得到发光二极管的结构，N型GaN层2，有源层3，P型GaN层4，通过蚀刻的方法得到芯片的切割道和N型GaN的表面5和侧壁6，然后制作透明导电层7，并形成P型欧姆电极8、N型欧姆电极9，最后用划片或切割的方法分割成单个晶粒，也即得到单个的芯片。如图1所示，为常规工艺制作成的发光二极管芯片的光路图，由于N型GaN折射系数较大，其临界角只有23°左右，因此只有一部分的侧向光可以直接射出，大部分的侧向光在芯片内部形成全反射而损失掉，从而导致芯片的外部发光效率比较低。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中存在的氮化镓基发光二极管芯片外部发光效率低的问题，本发明的主要目的在于提供一种氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法，通过降低发光二极管芯片内部的全反射，增加侧向光的取出，从而提升发光二极管芯片的外部发光效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种氮化镓基发光二极管芯片，包括露在外面的N型氮化镓的表面和侧壁，其中，该N型氮化镓的表面为纳米柱状结构，N型氮化镓的侧壁为粗化的侧壁。
制作上述氮化镓基发光二极管芯片的方法，包括下述步骤：
(1)在氮化镓基发光二极管外延片的表面先生成保护掩膜，再涂上光刻胶，接着在光刻胶表面光刻并显影，规划出晶粒区域的图形以及切割道区域的图形，
(2)去除切割道区域的保护掩膜，并去除未显影的光刻胶，
(3)在压力大于等于5毫托且小于等于10毫托的条件下，对切割道区域进行干蚀刻，露出N型氮化镓并形成侧壁，且N型氮化镓的表面与衬底表面的距离大于等于1μm且小于等于1.5μm，
(4)对侧壁和N型氮化镓表面在碱性溶液中进行时间大于等于30min且小于等于70min的湿蚀刻，形成粗化的N型氮化镓侧壁和粗化的N型氮化镓表面，
(5)在压力大于等于5毫托且小于等于30毫托的条件下，对N型氮化镓表面进行干蚀刻，利用外延生长时N型氮化镓与衬底磊晶过程中形成的晶格缺陷，使N型氮化镓的表面形成纳米柱状结构，
(6)去除晶粒区域表面的保护掩膜，接着从P型氮化镓表面往下干蚀刻露出N型氮化镓层，再在P型氮化镓表面形成透明导电膜，进一步制备P型欧姆电极，最后在该没有经过粗化处理的N型氮化镓的表面制备N型欧姆电极，形成氮化镓基发光二极管芯片。
其中：
步骤(4)中湿蚀刻的时间大于等于50min且小于等于70min；
步骤(5)中干蚀刻的深度大于等于0.1μm且小于等于1.0μm；
步骤(5)中的压力大于等于15毫托且小于等于30毫托；
所述步骤(4)中N型氮化镓粗化侧壁的均方根粗糙度大于等于2.7nm且小于等于8.2nm；
步骤(4)中N型氮化镓粗化表面的均方根粗糙度大于等于3.6nm且小于等于13.2nm；
步骤(3)中干蚀刻的宽度大于等于10μm且小于等于30μm。
与现有技术相比，本发明先采用干蚀刻技术蚀刻切割道，再用碱性溶液浸泡此外延片，利用湿蚀刻的非等向性蚀刻特性达到粗化侧壁及N型GaN表面的目的，同时降低发光二极管芯片内部的全反射，且增加侧向光的取出。另外，通常外延片在外延生长过程中，由于衬底材料和GaN的特性不匹配，在磊晶过程中容易形成一些晶格缺陷，而且越接近衬底晶格缺陷越多。第一次干蚀刻切割道后，N型GaN层已接近衬底材料，再次干蚀刻后，可使这些晶格缺陷显现出来，从而形成具有纳米柱状结构的粗化表面，此粗化表面进一步降低发光二极管芯片内部的全反射。本发明通过干蚀刻与湿蚀刻相结合的方法，增加了光取出效率，最终提升了发光二极管芯片的外部发光效率。
附图说明
图1为常规工艺制作成的发光二极管芯片的光路图；
图2为发光二极管外延片的结构示意图；
图3为本发明的发光二极管芯片的制作流程图；
图4为本发明外延片完成光刻和第一次湿蚀刻后的俯视图；
图5为本发明外延片的单个晶粒完成第一次干蚀刻后的结构示意图；
图6为本发明外延片的单个晶粒完成第二次湿蚀刻后的结构示意图；
图7为本发明外延片的单个晶粒完成第二次干蚀刻后的结构示意图；
图8为放大倍数为80000倍的N型GaN局部纳米柱状结构的扫描电子显微镜照片；
图9为本发明氮化镓基发光二极管芯片的结构示意图；
图10为本发明氮化镓基发光二极管芯片的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
提供一GaN基发光二极管外延片，如图2所示，外延片的结构包括蓝宝石衬底II、N型GaN层12、有源层13、P型GaN层14。衬底的材料除了蓝宝石以外，也可以是碳化硅、硫化锌或砷化镓。
请参照图3，本发明所述的氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，包括下述步骤：
(1)在外延片的表面先生成保护掩膜15，再涂上光刻胶，接着利用光刻掩膜版在光刻胶表面光刻并显影，规划出晶粒区域的图形以及切割道区域16的图形，
(2)对切割道区域16进行湿蚀刻，蚀刻去除切割道区域16的保护掩膜15，最后去除未显影的光刻胶，露出晶粒区域表面的保护掩膜15，如图4所示，
(3)在5毫托的压力环境下，利用等离子刻蚀机台主要以化学蚀刻的方式对切割道区域16进行干蚀刻，露出N型GaN层12并形成侧壁，且干蚀刻后的N型GaN表面18与蓝宝石衬底11的表面的距离为1.5μm，蚀刻的宽度为10μm，如图5所示，该蚀刻的宽度与设计的晶粒尺寸大小有关，
(4)在碱性溶液中对侧壁和N型GaN表面18进行湿蚀刻50min，碱性溶液与N型GaN的反应对N型GaN的侧壁和表面能产生一定的粗化效果，湿法蚀刻的等向性蚀刻特性对侧壁和N型GaN表面18产生粗化效果，形成粗化的N型GaN侧壁17和粗化的N型GaN表面18(如图6所示)，N型GaN侧壁17的均方根粗糙度为2.7nm，N型GaN表面18的均方根粗糙度为3.6nm，此粗化的N型GaN侧壁17和表面18通过降低氮化镓基发光二极管芯片内部的全反射而可以给光线提供更多的出射机会，
(5)在5毫托的压力环境下，利用等离子刻蚀机台主要以物理撞击的方式对完成粗化效应的N型GaN表面18进行干蚀刻，蚀刻的深度为1μm，干蚀刻的深度与外延片的磊晶结构有关，利用N型GaN12与蓝宝石衬底11磊晶过程中形成的晶格缺陷，从而使N型GaN的表面18形成纳米柱状结构(如图7所示)，进一步加大了表面18的粗化效果。图8是通过扫描电子显微镜(SEM)观察到的放大倍数为80000倍的纳米柱状结构的照片，该纳米柱状结构具有锥柱高，密度大的粗化表面，进一步降低了氮化镓基发光二极管芯片内部的全反射，
(6)去除晶粒区域表面的保护掩膜，接着从P型GaN14表面往下干蚀刻一适当深度的台阶露出N型GaN层12，再在P型GaN14表面形成透明导电膜19，进一步制备P型欧姆电极20，最后在该没有经过粗化处理的N型GaN12的表面制备N型欧姆电极21，形成高亮度氮化镓基发光二极管芯片。
实施例2
本发明所述的氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，包括下述步骤：
(1)在外延片的表面先生成保护掩膜15，再涂上光刻胶，接着利用光刻掩膜版在光刻胶表面光刻并显影，规划出晶粒区域的图形以及切割道区域16的图形，
(2)对切割道区域16进行湿蚀刻，蚀刻去除切割道区域16的保护掩膜15，最后去除未显影的光刻胶，露出晶粒区域表面的保护掩膜15，
(3)在10毫托的压力环境下，利用等离子刻蚀机台主要以化学蚀刻的方式对切割道区域16进行干蚀刻，露出N型GaN层12并形成侧壁，且干蚀刻后的N型GaN表面18与蓝宝石衬底11表面的距离为1μm，蚀刻的宽度为30μm，该蚀刻的宽度与设计的晶粒尺寸大小有关，
(4)在碱性溶液中对侧壁和N型GaN表面18进行湿蚀刻70min，碱性溶液与N型GaN12的反应对N型GaN12的侧壁和表面能产生一定的粗化效果，湿法蚀刻的等向性蚀刻特性对侧壁和N型GaN表面18产生粗化效果，形成粗化的N型GaN侧壁17和粗化的N型GaN表面18，N型GaN侧壁17的均方根粗糙度为8.2nm，N型GaN表面18的均方根粗糙度为13.2nm，
(5)在15毫托的压力环境下，利用等离子刻蚀机台主要以物理撞击的方式对完成粗化效应的N型GaN表面18进行干蚀刻，蚀刻的深度为0.8μm，利用N型GaN12与蓝宝石衬底11磊晶过程中形成的晶格缺陷，从而使N型GaN的表面18形成纳米柱状结构，
(6)去除晶粒区域表面的保护掩膜，接着从P型GaN14表面往下干蚀刻一适当深度的台阶露出N型GaN层12，再在P型GaN14表面形成透明导电膜19，进一步制备P型欧姆电极20，最后在该没有经过粗化处理的N型GaN12的表面制备N型欧姆电极21，形成高亮度氮化镓基发光二极管芯片。
实施例3
本发明所述的氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，包括下述步骤：
(1)在外延片的表面先生成保护掩膜15，再涂上光刻胶，接着利用光刻掩膜版在光刻胶表面光刻并显影，规划出晶粒区域的图形以及切割道区域16的图形，
(2)对切割道区域16进行湿蚀刻，蚀刻去除切割道区域16的保护掩膜15，最后去除未显影的光刻胶，露出晶粒区域表面的保护掩膜15，
(3)在7毫托的压力环境下，利用等离子刻蚀机台主要以化学蚀刻的方式对切割道区域16进行干蚀刻，露出N型GaN层12并形成侧壁，且干蚀刻后的N型GaN表面18与蓝宝石衬底11表面的距离为1.2μm，蚀刻的宽度为20μm，该蚀刻的宽度与设计的晶粒尺寸大小有关，
(4)在碱性溶液中对侧壁和N型GaN表面18进行湿蚀刻60min，碱性溶液与N型GaN12的反应对N型GaN12的侧壁和表面能产生一定的粗化效果，湿法蚀刻的等向性蚀刻特性对侧壁和N型GaN表面18产生粗化效果，形成粗化的N型GaN侧壁17和粗化的N型GaN表面18，N型GaN侧壁17的均方根粗糙度为4.8nm，N型GaN表面18的均方根粗糙度为9.6nm，
(5)在30毫托的压力环境下，利用等离子刻蚀机台主要以物理撞击的方式对完成粗化效应的N型GaN表面18进行干蚀刻，蚀刻的深度为0.1μm，利用N型GaN12与蓝宝石衬底11磊晶过程中形成的晶格缺陷，从而使N型GaN的表面18形成纳米柱状结构，
(6)去除晶粒区域表面的保护掩膜，接着从P型GaN14表面往下干蚀刻一适当深度的台阶露出N型GaN层12，再在P型GaN14表面形成透明导电膜19，进一步制备P型欧姆电极20，最后在该没有经过粗化处理的N型GaN12的表面制备N型欧姆电极21，形成高亮度氮化镓基发光二极管芯片。
实施例4
本发明所述的氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，包括下述步骤：
(1)在外延片的表面先生成保护掩膜15，再涂上光刻胶，接着利用光刻掩膜版在光刻胶表面光刻并显影，规划出晶粒区域的图形以及切割道区域16的图形，
(2)对切割道区域16进行湿蚀刻，蚀刻去除切割道区域16的保护掩膜15，最后去除未显影的光刻胶，露出晶粒区域表面的保护掩膜15，
(3)在9毫托的压力环境下，利用等离子刻蚀机台主要以化学蚀刻的方式对切割道区域16进行干蚀刻，露出N型GaN层12并形成侧壁，且干蚀刻后的N型GaN表面18与蓝宝石衬底11表面的距离为1.4μm，蚀刻的宽度为30μm，该蚀刻的宽度与设计的晶粒尺寸大小有关，
(4)在碱性溶液中对侧壁和N型GaN表面18进行湿蚀刻65min，碱性溶液与N型GaN12的反应对N型GaN12的侧壁和表面能产生一定的粗化效果，湿法蚀刻的等向性蚀刻特性对侧壁和N型GaN表面18产生粗化效果，形成粗化的N型GaN侧壁17和粗化的N型GaN表面18，N型GaN侧壁17的均方根粗糙度为5.7nm，N型GaN表面18的均方根粗糙度为10.8nm，
(5)在20毫托的压力环境下，利用等离子刻蚀机台主要以物理撞击的方式对完成粗化效应的N型GaN表面18进行干蚀刻，蚀刻的深度为0.7μm，利用N型GaN12与蓝宝石衬底11磊晶过程中形成的晶格缺陷，从而使N型GaN的表面18形成纳米柱状结构，
(6)去除晶粒区域表面的保护掩膜，接着从P型GaN14表面往下干蚀刻一适当深度的台阶露出N型GaN层12，再在P型GaN14表面形成透明导电膜19，进一步制备P型欧姆电极20，最后在该没有经过粗化处理的N型GaN12的表面制备N型欧姆电极21，形成高亮度氮化镓基发光二极管芯片。
在湿蚀刻步骤中，可以采用其他辅助措施，利用增加分子运动，从而提高反应速率的原理，而缩短湿蚀刻的时间，可达到相同的粗化侧壁和表面的效果。
例如：
实施例5
其他条件不变，将实施例2中步骤(4)的湿蚀刻的时间改为30min，同时以80℃的温度加热该碱性溶液，通过加热来增加分子的运动，从而提高N型GaN与碱性溶液的反应速率，缩短湿蚀刻的时间，而达到相同的粗化效果。
实施例6
其他条件不变，将实施例4中步骤(4)的湿蚀刻的时间改为40min，同时以频率为28KHz/s的超声波振荡该碱性溶液，通过超声波振荡来增加分子的运动，从而提高N型GaN与碱性溶液的反应速率，缩短湿蚀刻的时间，而达到相同的粗化效果。
在本发明的实施例中，干蚀刻都是采用等离子刻蚀机台在低压(50毫托以下)下操作，但也可以采用其他设备在高压(400毫托左右)下操作。
如图9所示，为本发明氮化镓基发光二极管芯片的结构示意图。本发明的氮化镓基发光二极管芯片，包括露在外面的N型GaN的表面18和侧壁17，该N型GaN的表面18为纳米柱状结构，N型GaN的侧壁17为粗化的侧壁。
如图10所示，为本发明的氮化镓基发光二极管芯片的光路图，本发明的N型GaN的粗化侧壁17以及N型GaN表面18的纳米柱状结构可以使光更多地进入临界角内而给光提供更多的出射机会，从而提高发光二极管芯片的外部发光效率。
表1是采用本发明实施例1至实施例6的芯片被封装成绿光发光二极管后，注入电流为350mA时的光通量，芯片的尺寸均为1000μm×1000μm，即40mil×40mil。
 
实施例 1 2 3 4 5 6 光通量的平均值
光通量(流明) 32.3 34.4 32.7 33.5 33.9 33.1 33.32
表1
通过表1中数据的比较，可以发现，采用本发明制作得到的发光二极管的光通量的平均值为33.32流明，而相同条件下采用常规工艺制作得到的发光二极管的光通量的平均值仅为25.94流明左右，因此，相比较之下，本发明制作的发光二极管的光通量提升了约28.45％。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1、一种氮化镓基发光二极管芯片，包括露在外面的N型氮化镓的表面和侧壁，其特征在于，所述N型氮化镓的表面为纳米柱状结构，N型氮化镓的侧壁为粗化的侧壁。
2、一种制作权利要求1的氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
(1)在氮化镓基发光二极管外延片的表面先生成保护掩膜，再涂上光刻胶，接着在光刻胶表面光刻并显影，规划出晶粒区域的图形以及切割道区域的图形，
(2)去除切割道区域的保护掩膜，并去除未显影的光刻胶，
(3)在压力大于等于5毫托且小于等于10毫托的条件下，对切割道区域进行干蚀刻，露出N型氮化镓并形成侧壁，且N型氮化镓的表面与衬底表面的距离大于等于1μm且小于等于1.5μm，
(4)对侧壁和N型氮化镓表面在碱性溶液中进行时间大于等于30min且小于等于70min的湿蚀刻，形成粗化的N型氮化镓侧壁和粗化的N型氮化镓表面，
(5)在压力大于等于5毫托且小于等于30毫托的条件下，对N型氮化镓表面进行干蚀刻，利用外延生长时N型氮化镓与衬底磊晶过程中形成的晶格缺陷，使N型氮化镓的表面形成纳米柱状结构，
(6)去除晶粒区域表面的保护掩膜，接着从P型氮化镓表面往下干蚀刻露出N型氮化镓层，再在P型氮化镓表面形成透明导电膜，进一步制备P型欧姆电极，最后在该没有经过粗化处理的N型氮化镓的表面制备N型欧姆电极，形成氮化镓基发光二极管芯片。
3、根据权利要求2所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述步骤(4)中湿蚀刻的时间大于等于50min且小于等于70min。
4、根据权利要求3所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述步骤(5)中干蚀刻的深度大于等于0.1μm且小于等于1.0μm。
5、根据权利要求4所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述步骤(5)中的压力大于等于15毫托且小于等于30毫托。
6、根据权利要求5所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述步骤(4)中N型氮化镓粗化侧壁的均方根粗糙度大于等于2.7nm且小于等于8.2nm。
7、根据权利要求6所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述步骤(4)中N型氮化镓粗化表面的均方根粗糙度大于等于3.6nm且小于等于13.2nm。
8、根据权利要求2、3、4、5、6或7所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述步骤(3)中干蚀刻的宽度大于等于10μm且小于等于30μm。
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