CN101640242B - 一种发光二极管芯片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管芯片的制造方法，该方法包括以下步骤：步骤一，在半导体衬底之上生长发光二极管结构的半导体外延层；步骤二，在所述半导体外延层上制备透明导电层；步骤三，对步骤二所得结构进行局部刻蚀，使部分n型氮化物半导体层露出；步骤四，对所得结构表面和透明导电层在一定条件下利用N2O进行处理；步骤五，在n型氮化物半导体层上制备n电极，在p型氮化物半导体层上制备p电极；步骤六，在步骤五所得的结构上表面制备SiO2保护膜，只露出n电极及p电极。采用N2O在一定条件下对刻蚀后的芯片结构进行处理，既可以使得由于刻蚀而损伤的部分得到恢复，还可以达到强化透明导电层的效果，从而改善了芯片的性能，提高芯片的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管芯片的制造方法，尤其是指提高芯片寿命的制造方法。
背景技术
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。
发光二极管(LED)在长时间点亮的情况下，会因为热量等一些原因导致亮度下降。因此，在发光二极管用于室内外照明时，除了发光效率，寿命也是很重要的一个参考值。LED的寿命定义为器件输出光功率P下降到初始值P0的50％(即光衰率达50％)时的总工作时间。典型寿命为11年以上。
中国专利公开号为CN101071833，公开日为2007年11月14日，名称为“发光二极管”的申请案通过使用由聚二甲基硅酮和发光二极管封装用固化剂按比例形成的调配物在发光二极管晶粒的光出射面上形成一层含有聚二甲基硅酮的透光介质，降低了发光二极管的光衰率，可达到提高发光二极管寿命的目的。有研究表明，大功率LED的光输出随时间的衰减呈指数规律，缺陷的生长和无辐射复合中心的形成，荧光粉量子效率的降低，静电的冲击，电极性能不稳定，以及封装体中各成分之间热膨胀系数失配引起的机械应力都可能导致大功率LED的失效，影响LED的寿命。通常光输出的衰减还与工作电流有关，降低工作电流会减缓光输出的退化速度，并延长工作寿命。
发光二极管一般为在蓝宝石等衬底上依次层叠了n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层的构造。另外，在p型氮化物半导体层上配置有p电极，在n型氮化物半导体层上配置有n电极，如图1所示。这种构造通常是利用光刻及刻蚀等工艺除去了p型氮化物半导体层、有源层和n型氮化物半导体层的一部分，在露出的n型氮化物半导体层上制备n电极。然而，这些半导体层在经刻蚀之后，侧壁的有源层的量子阱部分便会曝露出来，同时侧壁的n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层都会受到不同程度的损伤。这种刻蚀损伤很可能导致LED的失效，严重影响LED的寿命。
鉴于此，实有必要提供一种发光二极管芯片的制备工艺，以解决上述问题。
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，可使上述损伤的部分得到恢复，从而改善芯片的寿命。
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，在衬底上制备半导体外延层，该层至少包括n型氮化物半导体层、位于n型氮化物半导体层上的有源层、以及位于有源层上的p型氮化物半导体层；
步骤二，在所述半导体外延层的p型氮化物半导体层上制备透明导电层；
步骤三，利用光刻及刻蚀技术对步骤二所得结构进行局部刻蚀，使部分n型氮化物半导体层露出；
步骤四，利用N2O对所得结构的表面及透明导电层进行处理；
步骤五，在n型氮化物半导体层上制备n电极，在p型氮化物半导体层上制备p电极；
步骤六，在步骤五所得的结构上表面制备SiO2保护膜，只露出n电极及p电极。
进一步地，所述步骤四为利用等离子设备，对刻蚀后的芯片结构进行N2O等离子体处理。所述的等离子设备是等离子其相沉积设备或等离子刻蚀设备。
进一步地，所述步骤四中，N2O流量为400-600sccm，温度为200-400℃，工作气压为100-150Pa，功率为20-50W，时间为5-10min。
优选为N2O流量为500sccm，温度为200℃，工作气压为133Pa，功率为20W，时间为9min。
进一步地，所述的n型氮化物半导体层为n型氮化镓层，所述的p型氮化物半导体层为p型氮化镓层。
进一步地，所述的透明导电层为ITO层或Ni/Au层。
作为本发明的优选方案之一，在步骤五之前，对步骤四所得结构进行退火。
作为本发明的优选方案之一，在步骤四之前，对步骤三所得结构进行退火。
进一步地，所述退火的温度为300-600℃，时间为5-20min。
作为本发明的优选方案之一，制备半导体层、透明导电层、n电极、p电极或保护膜所采用的方法为溅射法、蒸发法、等离子体化学气相沉积法(PECVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)中的任一种方法。
作为本发明的优选方案之一，所述步骤三中的刻蚀方法为电感耦合等离子体反应离子蚀刻或湿法腐蚀。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
在n型氮化物半导体层上制备n电极时，半导体层在经刻蚀之后，侧壁的有源层的量子阱部分便会曝露出来，同时侧壁的n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层都会受到不同程度的损伤。
采用本发明所述方法制备的发光二极管芯片，在刻蚀之后，采用N2O在等离子体条件下对芯片整个表面(包括侧壁)进行处理，能使侧壁损伤的部分得到恢复，从而改善芯片的寿命。另外，由于等离子体条件下的氧化处理，能提高ITO的质量，采用N2O处理并对ITO层进行退火，还可以达到强化芯片上表面ITO层的效果。
附图说明
图1是常规的发光二极管芯片的剖面示意图；
图2a-2e是本发明方法制造发光二极管芯片的流程示意图；
图3是采用常规工艺方法与采用本发明所述工艺方法得到的发光二极管的寿命比较图。
图中标记说明：
10 衬底
20 半导体层
21n 型氮化物半导体层
22 有源层
23p 型氮化物半导体层
30 透明导电层
40n 电极
50p 电极
具体实施方式
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。
实施例一
首先参照图2a-2e所示的流程示意图，制备发光二极管芯片。本发明发光二极管芯片的制造方法包括以下步骤：
步骤一，制备半导体层20，该层包括n型氮化物半导体层21、有源层22、p型氮化物半导体层23，如图2a所示。
其中，制备半导体层20时，可采用溅射法、蒸发法、等离子体化学气相沉积法(PECVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)等方法。本实施例优选为利用有机金属气相沉积技术在衬底10上依次生长n型氮化物半导体层21、有源层22(即发光区)、p型氮化物半导体层23。所述衬底10优选为蓝宝石衬底，所述n型氮化物半导体层21为n型氮化镓(GaN)层，所述p型氮化物半导体层23为p型氮化镓(GaN)层。
步骤二，在所述半导体层20上制备透明导电层30，如图2b所示。
具体为，利用镀膜技术，可利用溅射法、蒸发法等，在上述半导体层20上镀一层透明导电层30，其厚度为200-400nm(
)，形成透明导电层30。所述透明导电层30为ITO、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(铟锡氧化物)层。
步骤三，经光刻后，利用刻蚀技术对步骤二所得结构进行局部刻蚀，使部分n型氮化物半导体层21露出，如图2c所示。所述刻蚀方法为电感耦合等离子体反应离子蚀刻。所述光刻工艺为常规工艺，其包括曝光、显影等步骤，为本领域技术人员的公知常识。
步骤四，利用等离子设备，对刻蚀后的芯片结构及透明导电层进行N2O等离子体处理。在高温高压下通入N2O对所得结构的表面(包括经步骤三刻蚀后所得到的侧壁)进行钝化，如图2d所示。
N2O流量为500sccm，温度为200℃，工作气压为133Pa，功率为20W，时间为9min。
所述的等离子设备可以是各种等离子其相沉积设备或等离子刻蚀设备，或任何可以使N2O形成等离子、并且可以对其样品承载盘进行设定温度的等离子设备。
通常半导体层在经步骤三刻蚀之后，侧壁的量子阱部分会曝露出来，同时侧壁的n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层都会受到不同程度的损伤。在刻蚀之后，采用N2O在高温高压下对芯片侧壁进行钝化，可使得损伤的部分得到恢复，从而可以改善芯片的寿命。
步骤五，利用光刻及蒸发法镀膜技术，在n型氮化物半导体层21上制备n电极40，在p型氮化物半导体层23上制备p电极50，如图2e所示。
步骤六，利用等离子体化学气相沉积技术，在步骤五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40及p电极50。
所得到的结构经研磨、抛光及切割等后续工艺，得到了长寿命的发光二极管。
实施例二
与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于增加了对ITO进行退火的步骤，本实施例为在步骤五之前，对步骤四所得结构进行退火。所述退火的温度为300-600℃，这里优选为525℃，时间为5-20min，优选15min。其中，N2O处理的时间可以在ITO退火前或者退火后，推荐退火前，可以更好地强化芯片上表面的ITO层。
实施例三
与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于在步骤四之前，对步骤三所得结构进行退火。所述退火的温度为300-600℃，这里优选为525℃，时间为5-20min，优选15min。
实施例四
与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于步骤四中，N2O流量为500s ccm，温度为300℃，工作气压为120Pa，功率为30W，时间为8min。
实施例五
与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于步骤四中，N2O流量为550sccm，温度为350℃，工作气压为130Pa，功率为40W，时间为6min。
实施例六
与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于步骤四中，N2O流量为600sccm，温度为400℃，工作气压为150Pa，功率为50W，时间为5min。
实施例七
与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于步骤四中，N2O流量为450sccm，温度为400℃，工作气压为110Pa，功率为50W，时间为10min。
实施例八
与实施例一采用相同的技术方案，不同之处在于步骤四中，N2O流量为400sccm，温度为200℃，压强为100Pa，射频功率为20W，时间为10min。
图3为采用常规工艺与采用本发明所述N2O钝化技术得到的发光二极管的寿命比较图。图中横坐标为时间，单位是小时；纵坐标为光衰率，即器件输出光功率P与初始值P0相比的降低程度，为百分比值。小方块表示正常生产片的寿命情况，椭圆点表示相同外延片采用N2O处理后的寿命情况。通过对比可明显发现，采用本发明所述方法制造的芯片，其寿命从原本的基本直线下降趋势变成了先降后升趋势，168小时后反而比之前有提升。可见，采用本发明所述方法改善了LED芯片的寿命。
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。
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。
Claims (9)
1.一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，在衬底上制备半导体外延层，该层至少包括n型氮化物半导体层、位于n型氮化物半导体层上的有源层、以及位于有源层上的p型氮化物半导体层；
步骤二，在所述半导体外延层的p型氮化物半导体层上制备透明导电层；
步骤三，利用光刻及刻蚀技术对步骤二所得结构进行局部刻蚀，使部分n型氮化物半导体层露出；
步骤四，使用等离子设备，利用N2O等离子体对所得结构的表面及透明导电层进行处理；
步骤五，在n型氮化物半导体层上制备n电极，在p型氮化物半导体层上制备p电极；
步骤六，在步骤五所得的结构上表面制备SiO2保护膜，只露出n电极及p电极；
其中，在步骤五之前，对步骤四所得结构进行退火。
2.根据权利要求1中所述的一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述的等离子设备是等离子气相沉积设备或等离子刻蚀设备。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述步骤四中，N2O流量为400-600sccm，温度为200-400℃，工作气压为100-150Pa，功率为20-50W，时间为5-10min。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述步骤四中，N2O流量为500sccm，温度为200℃，工作气压为133Pa，功率为20W，时间为9min。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述的n型氮化物半导体层为n型氮化镓层，所述的p型氮化物半导体层为p型氮化镓层。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述的透明导电层为ITO层或Ni/Au层。
7.根据权利要求1或6所述的一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述退火的温度为300-600℃，时间为5-20min。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：制备半导体层、透明导电层、n电极、p电极或保护膜所采用的方法为溅射法、蒸发法、等离子体化学气相沉积法(PECVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)中的任一种方法。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述步骤三中的刻蚀方法为电感耦合等离子体反应离子蚀刻或湿法腐蚀。
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