CN101882659A - 发光二极管芯片以及发光二极管芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管芯片以及发光二极管芯片的制作方法,其中制作方法包括在衬底材料上依次生成半导体发光结构,所述半导体发光结构包括缓冲层、N型化合物半导体材料、有源层和P型化合物半导体材料;绕各个发光二极管芯片边缘,距离边界一定距离的半导体发光结构上进行蚀刻至露出N型化合物半导体材料,形成平台区域,并将相邻发光二极管芯片之间的切割道处的半导体发光结构清除,切割道与所述平台区域之间间隔有半导体发光结构;分别在所述平台区域以及所述P型化合物半导体材料上制作N极打线盘和P极打线盘。本发明还提供了相应的发光二极管芯片。本发明实施例提供的发光二极管芯片,能够有效提高发光二极管的出光效率。
Description
技术领域
本发明实施例涉及半导体器件技术领域,尤其涉及一种发光二极管芯片以及发光二极管芯片的制作方法。
背景技术
半导体照明是一项新兴技术,它具有绿色环保、节能安全的突出优点,发光二极管(Light Emitting Diode,以下简称:LED)是一种将电能转化为光能的发光器件,广泛应用于指示、显示、装饰、照明等诸多领域,并且随着对节能要求的提高,LED更是凭借其节能环保的优势得到越来越广泛的应用,包括车用大灯、LCD背光源等应用。
在LED技术中,其中的半导体化合物材料(如氮化镓材料)的折射率普遍较高,使得半导体材料内部产生的光在出射时会在界面处发生全发射现象,从而造成大量的光线无法出射,导致LED的发光效率低下。
图1为现有技术中发光二极管芯片的剖切结构示意图,如图1所示,该发光二极管芯片包括衬底11、以及生长在其上的缓冲层12,N型氮化镓13、有源区14和P型氮化镓15,其中在P型氮化镓15表面设置有P型欧姆接触层16,同时为形成N型欧姆接触和避免漏电,会将N电极所在的位置连同切割到一起刻蚀至N型氮化镓13,露出N型氮化镓表面,并且在P型欧姆接触层和N姓氮化镓表面制作P/N打线盘17,以与外界电源连接。由于氮化镓的折射率约为2.5,因此使得光线在由氮化镓出射时,会在其与空气的界面发生全反射,造成大量的光线无法出射,从而影响芯片的发光效率。
现有技术中存在通过在氮化镓表面制作光子晶体的方法提高出光率,但上述方法会造成对透明电流扩展层或者是P型氮化镓层造成破坏,从而导致正向压降升高以及能耗的增大,同时也会对散热提出更高要求。因此现有技术中还没有能够有效提高发光二极管芯片出光率的方法。
发明内容
本发明提供了一种发光二极管芯片以及发光二极管芯片的制作方法,用于有效提高发光二极管芯片的出光率。
本发明提供了一种发光二极管芯片的制作方法,包括:
在衬底材料上依次生成半导体发光结构,所述半导体发光结构包括缓冲层、N型化合物半导体材料、有源层和P型化合物半导体材料;
绕各个发光二极管芯片边缘,距离边界一定距离的半导体发光结构上进行蚀刻至露出N型化合物半导体材料,形成平台区域,并将相邻发光二极管芯片之间的切割道处的半导体发光结构清除,所述切割道与所述平台区域之间间隔有半导体发光结构;
分别在所述平台区域以及所述P型化合物半导体材料上制作N极打线盘和P极打线盘。
本发明还提供了一种发光二极管芯片,包括衬底材料以及依次形成在所述衬底材料上的半导体发光结构,所述半导体发光结构包括缓冲层、N型化合物半导体材料、有源层和P型化合物半导体材料,所述P型化合物半导体材料上形成有P极打线盘;
在绕所述发光二极管芯片边缘,距离边界一定距离的半导体发光结构上形成有平台区域,所述平台区域露出N型化合物半导体材料,且所述平台区域上形成有N极打线盘,所述平台区域与发光二极管芯片的切割道之间间隔有半导体发光结构。
本发明实施例提供的发光二极管芯片以及发光二极管芯片的制作方法,将高度为整个外延层厚度的切割道处的半导体发光结构清除,并且使形成的切割道侧壁延伸至P型化合物半导体材料,能够有效增加发光二极管的出光窗口。同时由于有平台区域隔开切割道与发光区域,有效减少了通过侧壁连通P、N结而导致漏电现象的发生,增加了产品的良率和寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中发光二极管的剖切结构示意图;
图2为本发明发光二极管芯片的制作方法实施例的流程示意图;
图3为本发明发光二极管芯片的剖切结构示意图;
图4为本发明发光二极管芯片的制作方法具体实施例的流程示意图;
图5为本发明实施例中氮化镓发光二极管芯片的剖切结构示意图一;
图6为本发明实施例中氮化镓发光二极管的俯视示意图;
图7为本发明实施例中氮化镓发光二极管芯片的剖切结构示意图二。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制作方法,图2为本发明发光二极管芯片的制作方法实施例的流程示意图,如图2所示,包括如下步骤:
步骤101、在衬底材料上依次生成半导体发光结构,所述半导体发光结构包括缓冲层、N型化合物半导体材料、有源层和P型化合物半导体材料;
步骤102、绕各个发光二极管芯片边缘,距离边界一定距离的半导体发光结构上进行刻蚀至露出N型化合物半导体材料,形成平台区域;本步骤具体的可以是通过光刻的方法,绕每个发光二极管芯片一周,自离开切割道边界一定距离处开始,至平台边界处,形成平台区域,其中,离开切割道边界的距离界可定为:距离切割道边界不小于5微米,同时,距离芯片的平台边界也不小于5微米,并且这片区域需要包括N极打线盘对应的位置;
步骤103、将相邻发光二极管芯片之间的切割道处的半导体发光结构清除,所述切割道与所述平台区域之间间隔有半导体发光结构;上述步骤102中是在距离边界一定距离的半导体发光结构上进行的刻蚀,主要是为了保证本步骤中将切割道处的半导体发光结构清除后,在切割道与平台区域之间仍能够保留有完整的发光二极管结构。
步骤104、分别在所述平台区域以及所述P型化合物半导体材料上形成N极打线盘和P极打线盘。
本发明实施例提供发光二极管芯片的制作方法,将高度为整个外延层厚度的切割道处的半导体发光结构清除,并且使形成的切割道侧壁延伸至P型化合物半导体材料,能够有效增加发光二极管的出光窗口。同时由于有平台区域隔开切割道与发光区域,有效减少了通过侧壁连通P、N结而导致漏电现象的发生,增加了产品的良率和寿命。
另外在本发明的具体实施例中,还可以进一步的对切割道的侧壁进行粗化处理,上述粗化处理的深度纵贯整个化合物半导体材料层,即从P型化合物半导体材料直至衬底材料处,粗化处理能够有效提高出光效率。
另外本发明上述实施例中的化合物半导体材料可以为氮化镓材料,上述实施例中的步骤101可以具体包括:利用金属有机化学汽相沉积方法,在衬底材料上依次生成包括缓冲区、N型氮化镓材料、有源区和P型氮化镓材料的半导体发光结构。
另外图2所示实施例的步骤103中的将不同发光二极管芯片之间的切割道处的半导体发光结构清除可以具体为:利用干法蚀刻或者激光切割的方法将切割道处的半导体发光结构清除,上述的干法蚀刻具体的可以是反应离子蚀刻方法,或者是采用激光切割的方法划开化合物半导体材料。
另外图2所示实施例的步骤104中可以具体的使用含有磷酸的酸性腐蚀液对所述切割道侧壁进行粗化处理。
在上述各个实施例提供的制作方法中,其中在平台区域上,除制作N极打线盘的区域外,还可以覆盖或者填充一层折射率介于化合物半导体材料和空气之间的介电材料,利用上述的介电材料,也可以有效的将发光二极管发出的光导出。并可进一步要求上述使用的化合物半导体材料发出的光的透射率至少为60%,以透射出更多的光线。
本发明实施例还提供了一种发光二极管芯片,图3为本发明发光二极管芯片的剖切结构示意图,如图3所示,本发明实施例提供的发光二极管芯片包括衬底材料21以及依次形成在所述衬底材料21上的半导体发光结构,上述半导体发光结构包括缓冲层22、N型化合物半导体材料23、有源层24和P型化合物半导体材料25,所述P型化合物半导体材料25上形成有P极打线盘26,另外在绕发光二极管芯片边缘,距离边界一定距离的的半导体发光结构上形成有平台区域27,平台区域27露出N型化合物半导体材料23,且平台区域27形成有N极打线盘28,另外在所述切割道与平台区域27之间间隔有半导体发光结构,其高度为整个外延层的厚度。
本发明实施例提供发光二极管芯片,将高度为整个外延层厚度的切割道处的半导体发光结构清除,并且使形成的切割道侧壁延伸至P型化合物半导体材料,能够有效增加发光二极管的出光窗口。同时由于有平台区域隔开切割道与发光区域,有效减少了通过侧壁连通P、N结而导致漏电现象的发生,增加了产品的良率和寿命。
本发明上述实施例提供的发光二极管芯片,其中的切割道的侧壁可以为经过粗化处理后形成的切割道侧壁,上述上述粗化处理的深度纵贯整个化合物半导体材料层,即从P型化合物半导体材料直至衬底材料处,粗化处理能够有效提高出光效率。
另外在上述的平台区域上,除制作N极打线盘的区域外,还可以覆盖或者填充一层折射率介于氮化镓材料和空气之间的介电材料。利用上述的介电材料,也可以有效的将发光二极管发出的光导出。并可进一步要求上述使用的化合物半导体材料发出的光的透射率至少为60%,以透射出更多的光线。
本发明上述实施例中的衬底材料可以是蓝宝石、硅、氮化镓或碳化硅。另外本发明上述实施例中通过设置平台区域,使得将粗化处理后P型化合物半导体材料与发光区域的P型化合物半导体材料隔开,能够有效避免漏电的发生,并可避免粗化处理对于靠近切割道附近的P型化合物半导体材料以及有源区带来的破坏。
以下是以氮化镓发光二极管为例,对本发明的具体实施例进行说明,如图4所示,该氮化镓发光二极管芯片的制作方法包括如下的步骤:
步骤201、在衬底材料上生长GaN半导体发光结构。例如可以是在蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底上依次生长含有缓冲层、N型GaN、有源区和P型GaN的发光结构;
步骤202、通过光刻的方法,绕每个发光二极管一周,自离开切割道边界一定距离处开始,至平台边界处,露出GaN材料,形成平台区域,其中,离开切割道边界的距离界可以为距离切割道边界不小于5微米,同时,距离芯片的平台边界也不小于5微米,并且这片区域需要包括N极打线盘对应的位置;再通过干法刻蚀的方法刻蚀露出部分的GaN材料,即平台区域的GaN材料,直至达到N型GaN层;
步骤203、在P型GaN表面生长一层掩膜层,要求是在350℃以内不与磷酸和硫酸反应,比如SiO2、Si3N4或者TiO2等;
步骤204、通过光刻的方法露出切割道部分,但不能露出已经刻蚀出的N型GaN区域,并采用湿法或者干法刻蚀方法蚀刻掉对应部分的掩膜材料,露出下面的P型GaN表面,再采用干法刻蚀的方法刻蚀掉切割道处露出的GaN,直至露出衬底材料;
另外还可以是直接利用激光在切割道处划开掩膜材料和GaN,露出衬底;
步骤205、将整片晶圆浸入腐蚀切割侧壁的溶液中进行粗化处理,此溶液可以是浓磷酸,也可以是浓硫酸和浓磷酸混合液,腐蚀温度在170℃至350℃;
步骤206、采用湿法腐蚀的方法去掉表面掩膜材料;
步骤207、在P型GaN表面制备氧化铟锡作为欧姆接触层;
步骤208、在对应的P、N电极处蒸镀合金层作为器件的打线盘,蒸镀方法可以是电子束蒸镀、溅射法或者热蒸发法,所蒸镀的合金层可以是Cr/Pt/Au合金、Ti/Au合金、Ti/Pt/Au合金或者Cr/Au合金,其厚度为
本发明上述实施例提供的氮化镓发光二极管的制作方法,通过在切割道处采用干法蚀刻或者激光划片剖开氮化镓层直至衬底表面,再采用湿法腐蚀的方式将剖开处的侧壁进行粗化处理,通过粗化具有整个外延层高度的侧壁的表面积达到增加出光的效果。同时,在氮化镓表面距离切割道一定距离的地方绕着芯片一周和在N电极设计的位置都蚀刻掉P型氮化镓和有源区,直至露出N型氮化镓,即为N电极的制备做准备,同时,也将内部发光区域与芯片的周边有效分割开来,能够有效避免因p-n结在芯片周边暴露而导致的漏电风险。因此本发明上述实施例提供的氮化镓发光二极管的制作方法,即达到了增加出光的效果,又去除了通常表面湿法腐蚀粗化技术带来的正向电压高的副作用,同时还能够有效避免漏电风险。
参照图5和图6,其中图5为本发明实施例中氮化镓发光二极管的剖切结构示意图,图6为本发明实施例中氮化镓发光二极管的俯视示意图,如图所示,所述氮化镓发光二极管包括蓝宝石衬底31、缓冲层32、N型GaN33、有源层34、P型GaN35以及P型欧姆接触层36,P型欧姆接触层36为氧化铟锡(ITO),P、N极打线盘37为Cr/Pt/Au合金,切割道侧壁38被粗化处理,平台区域39与切割道侧壁38之间间隔有P型GaN35和有源层34,另外其上还镀有一层SiO2膜层40。如图6所示,具体上述实施例是以整片晶圆中的一小部分原胞进行说明,具体的各个氮化镓发光二极管芯片由切割道分开,其中501表示芯片切割道边界,502表示切割道中线处将被刻蚀至蓝宝石衬底的区域,503是平台区域的外边界,504是平台区域,505是平台边界,506是N极打线盘所对应的区域,507是P极打线盘所对应的区域,508是比P极打线盘稍小的被腐蚀掉ITO的区域。具体的包括如下步骤:
步骤一、在蓝宝石衬底201上依次生长缓冲层、N型氮化镓、有源层和P型氮化镓。
步骤二、利用光刻的方法,绕芯片切割道边界501一周,距离芯片切割道边界向内5微米处,该距离可以根据不同的芯片尺寸具体设定,以不超过芯片对应边长的1/10为宜,常见的尺寸一般在5至50微米之间,例如可以设为10微米、15微米等值;绕芯片的四周作为平台区域的外边界503,直至平台边界505处露出一片小平台区域504,其中包括N极打线盘所对应的区域506,其余用光刻胶掩蔽好。
步骤三、通过干法刻蚀的方法向下刻蚀掉露出部分的P型氮化镓、有源层和小部分N型氮化镓,并露出N型氮化镓表面。
步骤五、通过BOE将芯片切割道中线处宽5微米的区域502的SiO2膜蚀刻掉,露出下面的GaN层,再采用ICP-RIE干法蚀刻技术将露出的GaN层完全蚀刻掉,直至蓝宝石衬底层;
上述步骤中是利用干法蚀刻技术对GaN层进行蚀刻,另外还可以是利用激光进行剖切处理,例如用波长为365nm的激光束沿着芯片切割道边界501进行划片,聚焦位置在蓝宝石与GaN的界面处,激光从GaN面入射,将切割道边界附近区域502处的SiO2膜连同GaN层完全划开。
步骤六、将晶圆浸入170℃的浓磷酸中,对步骤五形成的侧壁509进行粗化处理,时间10分钟,再用BOE腐蚀掉SiO2掩膜层;还可以使用体积比为1∶2的浓磷酸和浓硫酸混合液进行粗化处理,且腐蚀液的温度可以调节,以在150℃至350℃的范围内,具体的上述腐蚀液的温度可以取170℃、200℃、250℃或300℃等值,并且处理时间可以为不超过1小时,该处理时间与腐蚀液的温度成反比,即温度较高时,则相应的处理时间可以缩短。
步骤七、利用电子束蒸镀或者化学气相沉积等方法在整片晶圆上沉积一层折射率在2左右的氮化硅薄膜,使其填充在平台之内包括平台侧壁上的位置,并通过光刻的方法掩膜住平台区域除了N极打线盘对应位置之外的所有部位,并利用湿法腐蚀的方法将未掩盖住的氮化硅腐蚀掉,这样即为制备N极打线盘做好了准备,同时留在平台其他区域内的氮化硅可以作为折射率过渡层减少全反射,增加从平台中和侧壁处的出光几率。此薄膜的厚度不低于不超过平台的高度,具体的结构可参见图7所示。
步骤八、通过电子束蒸发的方法在氮化镓外延片的P型GaN层上蒸镀一层氧化铟锡(ITO),厚度为然后通过湿法蚀刻将对应P极打线盘507的位置但比其稍小的区域508和平台区域504上面的ITO去掉,接着在空气环境中退火,温度为530℃,时间为30分钟。
步骤九、通过光刻的方法在对应P、N极打线盘的位置,即区域506和区域507的位置,形成打线盘形状的窗口,并在窗口处采用电子束蒸发的方法蒸镀上一层Cr/Pt/Au合金407,厚度为作为打线盘,本步骤中上述的P、N极打线盘上合金厚度具体可为
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种发光二极管芯片的制作方法,其特征在于,包括:
在衬底材料上依次生成半导体发光结构,所述半导体发光结构包括缓冲层、N型化合物半导体材料、有源层和P型化合物半导体材料;
绕各个发光二极管芯片边缘,距离边界一定距离的半导体发光结构上进行蚀刻至露出N型化合物半导体材料,形成平台区域,并将相邻发光二极管芯片之间的切割道处的半导体发光结构清除,所述切割道与所述平台区域之间间隔有半导体发光结构;
分别在所述平台区域以及所述P型化合物半导体材料上制作N极打线盘和P极打线盘。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制作方法,其特征在于,还包括:
对所述切割道的侧壁进行粗化处理。
3.根据权利要求2所述的发光二极管芯片的制作方法,其特征在于,所述对切割道的侧壁进行粗化处理包括:
使用含有磷酸的酸性腐蚀液对所述切割道侧壁进行粗化处理。
4.根据权利要求1、2或3所述的发光二极管芯片的制作方法,其特征在于,所述化合物半导体材料为氮化镓材料,所述在衬底材料上依次生成半导体发光结构包括:
利用金属有机化学汽相沉积方法,在衬底材料上依次生成包括缓冲区、N型氮化镓材料、有源区和P型氮化镓材料的半导体发光结构。
5.根据权利要求1、2或3所述的发光二极管芯片的制作方法,其特征在于,所述将相邻发光二极管芯片之间的切割道处的半导体发光结构清除包括:
利用干法蚀刻或者激光切割的方法将切割道处的半导体发光结构清除。
6.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制作方法,其特征在于,所述平台区域上,除制作N极打线盘的区域外,覆盖或者填充一层折射率介于化合物半导体材料和空气之间的介电材料。
7.根据权利要求6所述的发光二极管芯片的制作方法,其特征在于,所述介电材料对于所述化合物半导体材料发出的光的透射率至少为60%。
8.一种发光二极管芯片,其特征在于,包括衬底材料以及依次形成在所述衬底材料上的半导体发光结构,所述半导体发光结构包括缓冲层、N型化合物半导体材料、有源层和P型化合物半导体材料,所述P型化合物半导体材料上形成有P极打线盘;
在绕所述发光二极管芯片边缘,距离边界一定距离的半导体发光结构上形成有平台区域,所述平台区域露出N型化合物半导体材料,且所述平台区域上形成有N极打线盘,所述平台区域与发光二极管芯片的切割道之间间隔有半导体发光结构。
9.根据权利要求8所述的发光二级管芯片,其特征在于,所述切割道的侧壁为经过粗化处理形成的切割道侧壁。
10.根据权利要求8所述的发光二极管芯片,其特征在于,所述衬底材料为蓝宝石、硅、氮化镓或碳化硅。
11.根据权利要求8所述的发光二极管芯片,其特征在于,所述P极打线盘以及所述N极打线盘的材料为Ti/Au合金、Ti/Pt/Au合金、Cr/Au合金或Cr/Pt/Au合金。
12.根据权利要求8所述的发光二极管芯片,其特征在于,所述平台区域上,除制作N极打线盘的区域外,覆盖或者填充一层折射率介于氮化镓材料和空气之间的介电材料,所述介电材料对于所述化合物半导体材料发出的光的透射率至少为60%。
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