CN101471412A - 制作高亮度led芯片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制作高亮度LED芯片的方法，包括以下步骤：蓝宝石衬底上生长外延片；在外延片上沉积SiO2薄膜；以SiO2薄膜作掩膜，光刻出芯片的N区图形；用腐蚀溶液清洗未受光刻胶保护的SiO2；用去胶溶液清洗去除光刻胶；刻蚀N面台阶和芯片尺寸的划道，露出n－GaN台面；光辅助湿法腐蚀粗化N－GAN表面；外延片表面蒸镀沉积铟锡氧化物薄膜；蒸镀以Cr/Ni/Au为金属组合的P－N电极。本发明通过增加光从n－GaN折射到空气中的机率，提高LED器件的外量子效率。本发明可用在正装LED芯片和垂直LED芯片的制备工艺中，其工艺简单、成本低、适用于工业化生产，能大大提高外量子效率。

Description

制作高亮度LED芯片的方法
技术领域
本发明属于半导体照明技术领域，涉及一种制作LED芯片的方法。
背景技术
LED芯片的出光效率在于外量子效率和内量子效率，其中外量子效率大小等于内量子效率与光的逃逸率之积，当前，商业化LED的内量子效率已经接近100％，但是外量子效率仅有3—30％，这主要是由于光的逃逸低造成的，因此，外量子效率成为高亮度LED芯片的主要技术瓶颈。引起光逃逸的因素有：晶格缺陷对光的吸收、衬底对光的吸收、光出射过程中各个界面由于全反射造成的损失等等。对于后者，是因为GaN和空气的反射系数分别是2.5和1，因此在InGaN-GaN活性区产生的光能够传播出去的临界角约为23°，大于23°出射角的光就产生全了反射，反射回来，这大大限制了GaN基发光二极管的外量子效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、成本低、适用于工业化生产、可提高外量子效率的制作高亮度LED芯片的方法。
本发明采用以下技术方案来解决上述技术问题：一种制作正装高亮度LED芯片的方法，包括以下步骤：
(1)、在蓝宝石衬底上生长外延片；
(2)、在外延片上沉积SiO2薄膜；
(3)、以SiO2薄膜作掩膜，光刻出芯片的N区图形；
(4)、用腐蚀溶液清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(5)、用去胶溶液清洗去除光刻胶；
(6)用ICP刻蚀N面台阶和芯片尺寸的划道，露出n-GaN台面；
(7)、光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面，粗化后，n-GaN表面的粗化度为300—500nm；
(8)、在外延片表面蒸镀沉积铟锡氧化物薄膜；
(9)、蒸镀以Cr/Ni/Au为金属组合的P-N电极。
所述光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤包括以下工序：
(A)、外延片表面蒸镀Ti薄膜；
(B)、蒸镀后的外延片浸泡在腐蚀溶液中，室温下，汞灯为光源，照射腐蚀1-10分钟，其中汞灯波长为365-405nm，照射光功率密度为20-400mW/cm2，腐蚀溶液为10-30％的KOH溶液、2-5％的HCl溶液或10％H3PO4溶液；
(C)、用酸性溶液清洗去除Ti薄膜。
所述光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤优选包括以下工序：
(A)、用电子束蒸发设备在外延片表面蒸镀Ti薄膜，Ti薄膜厚度为250nm～300nm；
(B)、蒸镀后的外延片浸泡在腐蚀溶液中，室温下，汞灯为光源，照射腐蚀1-5分钟，汞灯波长为365-405nm，照射光功率密度为20-400mW/cm2；
(C)、用稀H2SO4或HCl溶液清洗去除Ti薄膜。
一种制作垂直高亮度LED芯片的方法，包括以下步骤：
(1)、在蓝宝石衬底上生长外延片；
(2)、在外延片的p-GaN层上镀金属镜子层，金属键合法反转键合在金属镜子上；
(3)、激光剥离掉蓝宝石衬底；
(4)、光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤，粗化后，n-GaN的粗化度为300—500nm；
(5)、在外延层上蒸镀沉积铟锡氧化物；
(6)、蒸镀N-金属电极。
所述光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤包括以下工序：
(A)、外延片表面蒸镀Ti薄膜；
(B)、蒸镀后的外延片浸泡在腐蚀溶液中，室温下，汞灯为光源，照射腐蚀1-10分钟，其中汞灯波长为365-405nm，照射光功率密度为20-400mW/cm2，腐蚀溶液为10-30％的KOH溶液、2-5％的HCl溶液或10％H3PO4溶液；
(C)、用酸性溶液清洗去除Ti薄膜。
所述光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤优选包括以下工序：
(A)、用电子束蒸发设备在外延片表面蒸镀Ti薄膜，Ti薄膜厚度为250nm～300nm；
(B)、蒸镀后的外延片浸泡在腐蚀溶液中，室温下，汞灯为光源，照射腐蚀1-5分钟，汞灯波长为365-405nm，照射光功率密度为20-400mW/cm2；
(C)、用稀H2SO4或HCl溶液清洗去除Ti薄膜。
本发明利用普通汞灯为光源，在室温下，采用光辅助湿法腐蚀的技术对n-GaN表面或剥离蓝宝石后的n-GaN表面进行粗化，在汞灯光照催化下，n-GaN表面被腐蚀液体腐蚀，在n-GaN表面形成很多金字塔形的微观结构，使光线在金字塔结构中经过多次反射后出光，通过增加光从n-GaN折射到空气中的机率，从而提高LED器件的外量子效率。本发明的粗化n-GaN的方法可用在正装LED芯片和垂直LED芯片的制备工艺中。本发明的工艺简单、成本低、适用于工业化生产。
对于垂直结构氮化镓基高亮度LED，经过表面粗化后，因其表面积较大，N型高掺杂层的高导电率可使电流不拥挤在周围而能均匀将电流横向分布、传播至整个元件，发光层的材料得以充分应用，增大电流密度，降低LED工作电压和电阻，给光子提供更多出射的机会，而且射出角度在临界角之外的光也可以通过多次折射，最后进入临近角内，使器件获得更多的出光，提高出光效率。
附图说明
图1是本发明实施例1结构示意图；
图2是本发明实施例2结构示意图。
具体实施方式
实施例1，如图1所示为正装高亮度LED芯片，从下向上依次包括蓝宝石衬底1、GaN缓冲层2、n型GaN层3、InGaN/GaN多量子阱(MQws)有源层4、P型GaN层5、p型欧姆接触透明电极6、P型欧姆接触金属电极7、n型欧姆接触金属电极8。
上述正装高亮度LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上，运用MOCVD外延生长GaN基的LED结构外延片；
(2)用PECVD在外延片上沉积SiO2薄膜；
(3)用SiO2薄膜作为掩膜，利用ICP干法刻蚀技术在外延片上光刻出芯片的N区图形；
(4)用腐蚀溶液(40％N4HF：40％HF：H2O体积比为3：1：1)清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(5)用剥离液清洗光刻胶；
(6)用ICP刻蚀N面台阶和芯片尺寸的划道，露出n-GaN台面；
(7)用电子束蒸发设备在外延表面沉积Ti薄膜，Ti薄膜厚度为250nm，将上述外延片浸泡在10％KOH溶液中，室温下，用普通汞灯为光源照射下腐蚀10分钟，汞灯波长为405nm，照射光功率密度为400mW/cm2，用稀H2SO4溶液清洗去除Ti；粗化后，n-GaN的粗化度为500nm；
(8)用电子束蒸发设备在外延表面沉积厚度为300nm的铟锡氧化物(ITO)薄膜；
(9)蒸镀以Cr/Ni/Au为金属组合的P-N电极。
其中，剥离液的主要成分是乙醇氨，剥离液型号是SN—01型，剥离液生产厂家是江阴市江化微电子材料有限公司。
实施例2，正装高亮度LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上，运用MOCVD外延生长GaN基的LED结构外延片；
(2)用PECVD在外延片上沉积SiO2薄膜；
(3)用SiO2薄膜作为掩膜，利用ICP干法刻蚀技术在外延片上光刻出芯片的N区图形；
(4)用腐蚀溶液(40％N4HF：40％HF：H2O体积比为3：1：1)清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(5)用剥离液清洗光刻胶；
(6)用ICP刻蚀N面台阶和芯片尺寸的划道，露出n-GaN台面；
(7)用电子束蒸发设备在外延表面沉积Ti薄膜，Ti薄膜厚度为300nm，将上述外延片浸泡在30％KOH溶液中，室温下，用普通汞灯为光源照射下腐蚀1分钟，汞灯波长为405nm，照射光功率密度为100mW/cm2，用HCl溶液清洗去除Ti，粗化后，n-GaN的粗化度为300nm；
(8)用电子束蒸发设备在外延表面沉积厚度为300nm的铟锡氧化物(ITO)薄膜；
(9)蒸镀以Cr/Ni/Au为金属组合的P-N电极。
实施例3，正装高亮度LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上，运用MOCVD外延生长GaN基的LED结构外延片；
(2)用PECVD在外延片上沉积SiO2薄膜；
(3)用SiO2薄膜作为掩膜，利用ICP干法刻蚀技术在外延片上光刻出芯片的N区图形；
(4)用腐蚀溶液(40％N4HF：40％HF：H2O体积比为3：1：1)清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(5)用剥离液清洗光刻胶；
(6)用ICP刻蚀N面台阶和芯片尺寸的划道，露出n-GaN台面；
(7)用电子束蒸发设备在外延表面沉积Ti薄膜，Ti薄膜厚度为280nm，将上述外延片浸泡在5％盐酸溶液中，室温下，用普通汞灯为光源照射下腐蚀5分钟，汞灯波长为365nm，照射光功率密度为20mW/cm2，用HCl溶液清洗去除Ti，粗化后，n-GaN的粗化度为400nm；
(8)用电子束蒸发设备在外延表面沉积厚度为300nm的铟锡氧化物(ITO)薄膜；
(9)蒸镀以Cr/Ni/Au为金属组合的P-N电极。
实施例4，如图2所示为本发明垂直结构氮化镓基高亮度LED芯片，从下至上包括n型GaN层1、InGaN/GaN多量子阱(MQws)有源层2、P型GaN层3、P型欧姆接触电极和金属镜子4、n型透明电极5、n型欧姆接触电极6。
上述垂直结构高亮度氮化镓基LED芯片的制备方法包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上，运用MOCVD外延生长GaN基的LED结构外延片；
(2)在外延层的P-GaN层上镀金属镜子层，金属键合法反转键合在金属镜子上；
(3)激光剥离掉蓝宝石衬底；
(4)用电子束蒸发设备在剥离掉蓝宝石衬底的外延表面沉积Ti薄膜，Ti薄膜厚度为300nm，将上述外延片浸泡在2％盐酸溶液中，用普通汞灯为光源催化下，腐蚀5分钟，汞灯波长为365nm，照射光功率密度为20mW/cm2，用HCl溶液清洗去除Ti，粗化后，n-GaN的粗化度为300—500nm；
(5)用电子束蒸发在粗化后的n-GAN外延层上沉积ITO；ITO薄膜厚度为250nm；
(6)蒸镀N-金属电极。
实施例5，垂直结构高亮度氮化镓基LED芯片的制备方法包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上，运用MOCVD外延生长GaN基的LED结构外延片；
(2)在外延层的P-GaN层上镀金属镜子层，金属键合法反转键合在金属镜子上；
(3)激光剥离掉蓝宝石衬底；
(4)用电子束蒸发设备在剥离掉蓝宝石衬底的外延表面沉积Ti薄膜，Ti薄膜厚度为300nm，将上述外延片浸泡在10％磷酸中，用普通汞灯为光源催化下，腐蚀2分钟，汞灯波长为365nm，照射光功率密度为400mW/cm2，用HCl溶液清洗去除Ti，粗化后，n-GaN的粗化度为500nm；
(5)用电子束蒸发在粗化后的n-GAN外延层上沉积ITO；ITO薄膜厚度为250nm；
(6)蒸镀N-金属电极。
实施例6，垂直结构高亮度氮化镓基LED芯片的制备方法包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上，运用MOCVD外延生长GaN基的LED结构外延片；
(2)在外延层的P-GaN层上镀金属镜子层，金属键合法反转键合在金属镜子上；
(3)激光剥离掉蓝宝石衬底；
(4)用电子束蒸发设备在剥离掉蓝宝石衬底的外延表面沉积Ti薄膜，Ti薄膜厚度为260nm，将上述外延片浸泡在10％硝酸溶液中，用普通汞灯为光源催化下，腐蚀8分钟，汞灯波长为400nm，照射光功率密度为200mW/cm2，用HCl溶液清洗去除Ti，粗化后，n-GaN的粗化度为450nm；
(5)用电子束蒸发在粗化后的n-GAN外延层上沉积ITO；ITO薄膜厚度为250nm；
(6)蒸镀N-金属电极。
本发明的高亮度LED芯片与传统的LED芯片测试：
测试仪器：亮度的检测采用台湾旺矽科技股份有限公司生产的点测机，型号为LEDA-8S，测试条件：正向20mA的电流。
本发明粗化后的高亮度LED芯片与传统的LED芯片测试结果如下：
表1 正装LED芯片测试结果对比表
 
芯片号 粗化后亮度 芯片号 传统LED亮度
29560 55 24693 33
41325 59 24702 36
30420 63 24697 35
29477 55 42452 37
30449 54 47678 35
30455 54 47676 34
 
24234 52 42486 34
60052 60 42612 35
24193 62 42489 36
表2 垂直结构LED芯片测试结果对比表
 
芯片号 粗化后亮度 芯片号 传统LED亮度
24699 55 47675 38
24255 57 43608 33
24686 58 43604 36
31880 57 42460 40
24223 52 49004 36
24720 50 49009 34
60070 63 45377 35
24222 58 48981 38
从以上数据可知，通过对n-GaN粗化，使芯片的亮度提升有大幅提高，亮度提高在50％～60％。

Claims (6)

1、一种制作高亮度LED芯片的方法，包括以下步骤：
(1)、在蓝宝石衬底上生长外延片；
(2)、在外延片上沉积SiO2薄膜；
(3)、以SiO2薄膜作掩膜，光刻出芯片的N区图形；
(4)、用腐蚀溶液清洗未受光刻胶保护的SiO2；
(5)、用去胶溶液清洗去除光刻胶；
(6)用ICP刻蚀N面台阶和芯片尺寸的划道，露出n-GaN台面；
(7)、在外延片表面蒸镀沉积铟锡氧化物薄膜；
(8)、蒸镀以Cr/Ni/Au为金属组合的P-N电极；
其特征在于，在步骤(6)与(7)之间增加光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤，粗化后，n-GaN表面的粗化度为300—500nm。
2、如权利要求1所述的制作高亮度LED芯片的方法，其特征在于，所述光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤包括以下工序：
(A)、外延片表面蒸镀Ti薄膜；
(B)、蒸镀后的外延片浸泡在腐蚀溶液中，室温下，汞灯为光源，照射腐蚀1-10分钟，其中汞灯波长为365-405nm，照射光功率密度为20-400mW/cm2，腐蚀溶液为10-30％的KOH溶液、2-5％的HCl溶液或10％H3PO4溶液；
(C)、用酸性溶液清洗去除Ti薄膜。
3、如权利要求2所述的制作高亮度LED芯片的方法，其特征在于，所述光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤包括以下工序：
(A)、用电子束蒸发设备在外延片表面蒸镀Ti薄膜，Ti薄膜厚度为250nm～300nm；
(B)、蒸镀后的外延片浸泡在腐蚀溶液中，室温下，汞灯为光源，照射腐蚀1-5分钟，汞灯波长为365-405nm，照射光功率密度为20-400mW/cm2；
(C)、用稀H2SO4或HCl溶液清洗去除Ti薄膜。
4、一种制作高亮度LED芯片的方法，包括以下步骤：
(1)、在蓝宝石衬底上生长外延片；
(2)、在外延片的p-GaN层上镀金属镜子层，金属键合法反转键合在金属镜子上；
(3)、激光剥离掉蓝宝石衬底；
(4)、在外延层上蒸镀沉积铟锡氧化物；
(5)、蒸镀N-金属电极；
其特征在于，在步骤(3)与(4)之间增加光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤，粗化后，n-GaN的粗化度为300—500nm。
5、如权利要求4所述的制作高亮度LED芯片的方法，其特征在于，所述光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤包括以下工序：
(A)、外延片表面蒸镀Ti薄膜；
(B)、蒸镀后的外延片浸泡在腐蚀溶液中，室温下，汞灯为光源，照射腐蚀1-10分钟，其中汞灯波长为365-405nm，照射光功率密度为20-400mW/cm2，腐蚀溶液为10-30％的KOH溶液、2-5％的HCl溶液或10％H3PO4溶液；
(C)、用酸性溶液清洗去除Ti薄膜。
6、如权利要求5所述的制作高亮度LED芯片的方法，其特征在于，所述光辅助湿法腐蚀粗化n-GaN表面步骤包括以下工序：
(A)、用电子束蒸发设备在外延片表面蒸镀Ti薄膜，Ti薄膜厚度为250nm～300nm；
(B)、蒸镀后的外延片浸泡在腐蚀溶液中，室温下，汞灯为光源，照射腐蚀1-5分钟，汞灯波长为365-405nm，照射光功率密度为20-400mW/cm2；
(C)、用稀H2SO4或HCl溶液清洗去除Ti薄膜。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090701