CN101789476B - 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，首先在生长衬底表面形成走道，把生长衬底表面划分成和最终芯片尺寸相同的小区间，定义芯片大小；然后对生长衬底进行清洗，去除生长衬底沟道里的脏物；再在被划分后的生长衬底上制作图形化衬底；最后在所述图形化衬底上依次生长出N型半导体层、有源层、及P型半导体层，以形成相互分隔的由N型半导体层、有源层、及P型半导体层构成的单体芯片结构。本发明的工艺方法能够降低外延生长过程中的残余应力，减小晶体缺陷，从而有利于改善芯片的波长均匀性，改善芯片的漏电，提高芯片的亮度。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管的制造方法，尤其是指可提高波长均匀性，改善光电参数的发光二极管芯片的制造方法。
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。
传统的芯片制造工艺是在一片衬底上同时制备数百个甚至数千个芯片，每个芯片之间有一定的距离，在制备好这些芯片之后，进行划片、切割将他们分离，最后经后续的封装等工艺得到发光二极管。通常发光二极管的芯片结构为在蓝宝石等衬底上依次外延了n型半导体层、有源层、p型半导体层的构造。最终的芯片可以是正装结构、倒装结构、垂直结构等。在外延芯片结构时，由于衬底的晶格常数和热膨胀系数等与外延的半导体材料会有偏差，使得生长的半导体层中存在残余应力和诸多晶体缺陷，影响了材料的晶体质量，限制了光电子器件性能的进一步提高。
目前广泛使用的是在蓝宝石等衬底上制备图形形成图形化衬底的技术，采用这种图形化衬底可以缓解外延的半导体材料由于晶格失配引起的应力，一定程度上降低其中的位错密度，提高内量子效率。然而，外延生长芯片结构中存在的残余应力和晶体缺陷，仍然对光电子器件性能如正向电压、光强、反向漏电流、波长均匀性、FWHM等有很大的影响。
因此，如何突破现有技术提高内量子效率仍然是本领域技术人员亟待解决的技术课题。
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，可提高发光二极管芯片的波长均匀性，改善光电参数。
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A、首先在生长衬底表面形成走道，所述走道直接把生长衬底表面划分成和最终芯片尺寸相同的小区间，形成的走道深度为15-50微米；
步骤B、在步骤A后对生长衬底进行清洗；
步骤C、在被走道划分后的生长衬底上形成图形，制作图形化衬底；
步骤D、在已形成走道的所述图形化衬底上依次生长出N型半导体层、有源层、及P型半导体层，以形成相互分隔的由N型半导体层、有源层、及P型半导体层构成的单体芯片结构。
进一步地，在步骤D之后还包括：在各单体芯片结构的N型半导体层上制作N电极，在P型半导体层上制作P电极。
作为本发明的优选方案之一，在步骤C之后对所得衬底进行腐蚀。较佳地，采用碱性溶液或酸性溶液作为腐蚀液对所得衬底进行腐蚀。
作为本发明的优选方案之一，步骤A中利用光刻和刻蚀或激光划片工艺形成所述走道。
作为本发明的优选方案之一，步骤B中清洗采用激光清洗的方法，或者采用加热的强酸溶液或加热的强碱溶液作为清洗剂进行清洗。
作为本发明的优选方案之一，步骤C中利用光刻和干法刻蚀技术或湿法刻蚀技术制作图形化衬底。
作为本发明的优选方案之一，步骤C中图形为周期性排列的凸状或条状图形。
作为本发明的优选方案之一，步骤D中采用外延技术依次生长出N型半导体层、有源层、及P型半导体层。
作为本发明的优选方案之一，所述生长衬底为Si衬底、SiC衬底或蓝宝石衬底。较佳地，所述生长衬底的尺寸为2英寸以上。
作为本发明的优选方案之一，N型半导体层为N型GaN层，P型半导体层为P型GaN层。
作为本发明的优选方案之一，有源层为量子阱层。
本发明还提供一种采用上述制造方法制成的芯片。所述发光二极管芯片可为正装结构、倒装结构或垂直结构。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的工艺方法能够降低外延生长过程中的残余应力，减小晶体缺陷，提高内量子效率，从而有利于改善芯片的波长均匀性，改善芯片的漏电，提高芯片的亮度。与传统工艺相比，波长的均匀性约提高6～7nm，芯片的亮度提高10％以上。该技术在采用大尺寸的生长衬底时效果更加明显，有利于减小其翘曲度。
附图说明
图1-4是本发明的发光二极管芯片的制造方法示意图。
图5是实施例一中制造正装结构发光二极管芯片电极的示意图。
图6是实施例一中正装结构发光二极管芯片的剖面结构示意图。
图7是实施例二中垂直结构发光二极管芯片的剖面结构示意图。
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
请参看图1-4，实施例一提供的发光二极管芯片的制造方法包括以下步骤：
步骤A、如图1、图2所示，首先在生长衬底表面利用光刻和刻蚀(如等离子刻蚀)或激光划片等工艺形成走道，所述走道直接把生长衬底表面划分成和最终芯片尺寸相同的小区间，定义芯片大小(定义衬底)，形成的走道深度为15-50微米；一般走道深度较佳的范围为15-20微米，优选走道深度为20微米左右。所述生长衬底可以为Si衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底等，本实施例优选蓝宝石衬底。所述生长衬底的尺寸为2英寸以上，本发明对大尺寸衬底的有益效果会更为明显。本实施例中采用8英寸的生长衬底，实际上衬底尺寸越大可同时制备更多的芯片，有利于节约生产成本。
在每个小区间生长外延并经过后续加工后，形成各个芯片的初始结构，在裂片工艺前，各个芯片的初始结构是独立的，经过裂片工艺后，各个芯片分离。因此，上述所指的尺寸相同，并非是完全意义上的尺寸丝毫不差，而是指小区间的尺寸基本决定了芯片的尺寸，由研磨、背减薄、裂片等造成的最终芯片尺寸与所述小区间的尺寸之间的微小差距，是可以忽略的。
步骤B、清洗经步骤A后的生长衬底，将上述走道中残留的脏物去除。清洗时可采用热的强酸溶液或热的强碱溶液作为清洗剂进行清洗，清洗剂优选为硫酸与磷酸的混合溶液。此外还可采用激光清洗的方法，通常激光清洗可以利用激光清洗装置完成，与传统的湿法清洗相比，激光清洗能有效去除亚微米级污染颗粒、有机物、油污等，对衬底不损伤、无污染。例如可利用248nm、30ns的KrF准分子激光对衬底进行清洗。
步骤C、如图3所示，在被走道划分后的生长衬底上可以利用光刻和干法刻蚀技术或湿法刻蚀技术等技术形成图形，制作图形化衬底，所述图形为周期性排列的凸状或条状等形状的图形。
步骤D、如图4所示，在所述图形化衬底上依次外延生长出N型半导体层、有源层、及P型半导体层，以形成各个相互分隔的由N型半导体层、有源层、及P型半导体层构成的单体芯片结构。所述N型半导体层优选为N型GaN层，P型半导体层优选为P型GaN层，有源层优选为GaN基量子阱层。由于衬底上已形成了走道，GaN等半导体材料无法在走道上生长，所以无需刻蚀，可外延自发生长成被所述走道向上延伸形成的深走道分隔的各个单体芯片结构。在生长外延之前对生长衬底进行刻蚀，有助于释放应力，保护芯片。
作为本实施例的优选方案，在步骤C之后，采用酸性或碱性溶液，如氢氧化钾与氢氧化钠的混合溶液或热磷酸等作为腐蚀液对生长衬底进行腐蚀。经腐蚀可达到粗化衬底的效果，减少刻蚀损伤，有利于内量子效率的提高。
在步骤D之后，如图5所示，采用光刻和刻蚀(ICP)技术对所述单体芯片结构进行刻蚀，至N型半导体层，以便拓宽所述深走道上半部宽度，经过刻蚀后所形成的深走道可呈上宽下窄的形状，其中，处于N型半导体层的部分比处于蓝宝石衬底的部分宽，以便于制造电极。然后在N型半导体层上制作N电极，在P型半导体层上制作P电极，可在所述单体芯片结构顶层上制造出透明电极，然后将透明电极制造成P电极。需注意的是，制作电极的步骤顺序可根据实际生产线进行相应调整，例如，可先在单体芯片结构顶层上制造出透明电极后再进行刻蚀至N型GaN层拓宽深走道上半部，然后将透明电极制造成P电极。此外，在制作N、P电极之前，为了增加光取出率，还可以采用酸性溶液或碱性溶液(优选氢氧化钾与氢氧化钠混合的碱性溶液)腐蚀单体芯片结构的侧壁，使芯片的侧壁被粗化，形成微结构，如图6所示。
最后得到的结构经切割、封装等后续工艺，可得到出光率高的正装结构的发光二极管芯片。同样地，在步骤D之后还可以将单体芯片结构通过键合等工艺制成倒装结构的发光二极管芯片，其中涉及的其他工艺为本领域技术人员熟悉的常规工艺，在此不再赘述。
实施例二
同样请参看图1-4，实施例二提供的发光二极管芯片的制造方法包括以下步骤：
步骤A、首先在生长衬底表面利用激光划片等工艺形成走道，所述走道直接把生长衬底表面划分成和最终芯片尺寸相同的小区间(定义衬底)，形成的走道深度为15-50微米；一般走道深度较佳的范围为15-20微米，优选走道深度为20微米左右。所述生长衬底可以为SiC衬底、蓝宝石衬底等，本实施例优选蓝宝石衬底。所述生长衬底的尺寸为2英寸以上，本实施例中采用2英寸的生长衬底。
步骤B、清洗经步骤A后的生长衬底，将上述走道中残留的脏物去除。清洗方法可采用激光清洗的方法，或者采用热的强酸溶液或热的强碱溶液作为清洗剂进行清洗，优选为硫酸与磷酸的混合溶液。
步骤C、在被走道划分后的生长衬底上可以利用光刻和干法刻蚀技术或湿法刻蚀技术等技术形成图形，制作图形化衬底，所述图形为周期性排列的凸状或条状等形状的图形。
步骤D、在所述图形化衬底上依次外延生长出N型半导体层、有源层、及P型半导体层，以形成各个相互分隔的由N型半导体层、有源层、及P型半导体层构成的单体芯片结构。所述N型半导体层优选为N型GaN层，P型半导体层优选为P型GaN层，有源层优选为GaN基量子阱层。
作为本实施例的优选方案，在步骤C之后采用酸性或碱性溶液，如氢氧化钾与氢氧化钠的混合溶液或热磷酸等作为腐蚀液对图形化衬底进行腐蚀。
在步骤D之后，在这些单体芯片结构各自的P型半导体层上制作包括电流扩散层、P反射镜、及P电极的P键合层，所述电流扩散层的材料为ITO材料，能够起到电流扩散的作用，所述P反射镜为Ag或Al材料，所述P电极为金或合金材料。接着制作转移衬底，并在所述转移衬底的一面制作金锡层，将所述转移衬底制作金锡的一面与P键合层电极键合，采用激光剥离所述衬底，清洗各单体芯片结构各自的N型半导体层，在键合工艺后进行激光剥离，可以防止芯片受损；在各N型半导体层上制作N电极。在所述转移衬底的另一面制作金锡层。此外，在步骤D之后，还可以先采用酸性溶液或碱性溶液(优选氢氧化钾与氢氧化钠混合的碱性溶液)腐蚀单体芯片结构的侧壁，使芯片的侧壁被粗化，形成微结构。
最后得到的结构经切割、封装等后续工艺，可得到出光率较高的垂直结构的发光二极管芯片。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。
由于本发明的工艺方法能够降低外延生长过程中的残余应力，减小晶体缺陷，提高内量子效率，采用本发明制作的发光二极管具有良好的波长均匀性，亮度明显提高。下表为本发明各实施例的LED与传统工艺制作的LED的对比数据：
表1本发明各实施例与传统工艺的实验数据对比表
| 电压(v) | 光功率(mw) | 波长均匀性(nm) | |
| 实施例一 | 3.33 | 200.2 | 7 |
| 实施例二 | 3.32 | 190.6 | 8 |
| 传统工艺 | 3.33 | 88.9 | 14 |
由表1可见，与传统工艺相比，本发明方法制作的LED的波长均匀性均有所提高(约6～7nm)，芯片的亮度提高10％以上。本技术在采用大尺寸的生长衬底时(如5～12英寸)还可减小其翘曲度，有益效果更加明显。
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 (12)
1.一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、首先在生长衬底表面形成走道，所述走道直接把生长衬底表面划分成和最终芯片尺寸相同的小区间，形成的走道深度为15-50微米；
步骤B、在步骤A后对生长衬底进行清洗；
步骤C、在被走道划分后的生长衬底上形成图形，制作图形化衬底；所述图形为周期性排列的凸状或条状图形；
步骤D、在已形成走道的所述图形化衬底上依次生长出N型半导体层、有源层、及P型半导体层，以形成相互分隔的由N型半导体层、有源层、及P型半导体层构成的单体芯片结构。
2.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：在步骤D之后还包括：在各单体芯片结构的N型半导体层上制作N电极，在P型半导体层上制作P电极。
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：在步骤C之后对所得图形化衬底进行腐蚀。
4.根据权利要求3所述的一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：采用碱性溶液或酸性溶液作为腐蚀液对所得衬底进行腐蚀。
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：步骤A中利用光刻和刻蚀或激光划片工艺形成所述走道。
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：步骤B中清洗采用激光清洗的方法，或者采用强酸溶液或强碱溶液作为清洗剂进行清洗。
7.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：步骤C中利用光刻和干法刻蚀技术或湿法刻蚀技术制作图形化衬底。
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：步骤D中采用外延技术依次生长出N型半导体层、有源层、及P型半导体层。
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：所述生长衬底为Si衬底、SiC衬底或蓝宝石衬底。
10.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：所述生长衬底的尺寸为2英寸以上。
11.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：N型半导体层为N型GaN层，P型半导体层为P型GaN层。
12.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：有源层为量子阱层。
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