CN101908505B - 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，利用掩膜技术对蓝宝石衬底进行激光划片将其划分为多个芯片单元，并利用磷酸和硫酸的混合液对划道进行腐蚀、清除划片生成物，去除掩膜后进行GaN外延层生长，从而能有效降低GaN外延层的位错密度、提高外延层晶体的质量、减少划片生成物对光的吸收、提高LED芯片的出光效率，可使LED芯片的亮度提高20％以上。

Description

一种发光二极管芯片的制造方法
技术领域
本发明涉及发光二极管芯片的制造方法，尤其是指一种可提高芯片亮度的发光二极管芯片的制造方法。
背景技术
半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，其应用领域正在迅速扩大，正带动传统照明、显示等行业的升级换代，其经济效益和社会效益巨大。正因如此，半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一，也是未来几年光电子领域最重要的制高点之一。
在LED芯片的研发和生产过程中，器件外量子效率的提高一直是核心内容，因此，光提取效率的提高显得至关重要。LED的光提取效率是指出射到器件外可供利用的光子与外延片的有源区由电子空穴复合所产生的光子的比例。在传统LED器件中，由于衬底吸收、电极阻挡、出光面的全反射等因素的存在，光提取效率通常不到10％，绝大部分光子被限制在器件内部无法出射而转变成热，成为影响器件可靠性的不良因素。为提高光提取效率，使得器件体内产生的光子更多地发射到体外，并改善器件内部热特性，经过多年的研究和实践，人们已经提出了多种光提取效率提高的方法，比如倒装结构、电流分布与电流扩展结构、芯片形状几何化结构、表面微结构等。
然而，如何突破现有技术进一步提高出光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，可提高芯片的出光效率，从而能有效提高芯片亮度。
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、在蓝宝石衬底上制作掩膜层；
步骤二、在所述掩膜层上制作光刻胶图形，所述光刻胶图形在掩膜层表面形成多个单元，各单元之间将部分掩膜层露出；
步骤三、在露出的掩膜层上进行激光划片，划至所述蓝宝石衬底，形成划道，将其划分为多个芯片单元；
步骤四、去除所述光刻胶图形；
步骤五、以所述掩膜层作为掩膜，使用磷酸和硫酸的混合液对划道侧壁进行腐蚀，清除划片生成物；
步骤六、使用清洗液去除所述掩膜层；
步骤七、在划分为多个芯片单元的蓝宝石衬底上生长薄膜，使每个芯片单元的蓝宝石衬底上形成半导体外延层，该半导体外延层至少包括N型半导体层、位于所述N型半导体层之上的有源层，以及位于所述有源层之上的P型半导体层；
步骤八、在步骤七所得结构上对每个芯片单元进行刻蚀，露出部分N型半导体层，然后制作透明电极、N电极、P电极和钝化层。
将芯片单元划开后再进行外延生长GaN有以下好处：1)避免激光划片对GaN的损伤；2)蓝宝石衬底经过划片后应力得到释放，可以有效地降低外延生长GaN的位错密度、提高外延层晶体的质量、减少由于缺陷和位错所产生的非辐射复合中心密度，从而提高内量子效率；3)磷酸、硫酸的混合液可以去除蓝宝石的划片生成物，减少划片生成物对光的吸收，增加芯片侧壁出光；4)由于蓝宝石衬底片间的致密性差异较小，所以酸液蚀刻时间较一致、工艺稳定性好，而GaN由于生长条件的不同、其致密性往往存在差异、酸液蚀刻时间不一致、工艺稳定性较差。
图2A为常规LED芯片部分结构示意图，由于划片生成物对光吸收，导致芯片的部分侧壁无法出光，出光效率较低。
图2B是采用本发明的方法制造的LED芯片部分结构示意图，由于磷酸、硫酸的混合液已经将蓝宝石的划片生成物去除、芯片侧壁干净，减少了划片生成物对光的吸收，出光效率较高。
所以采用本发明的方法可以提高LED芯片的出光效率，可使LED芯片的亮度提高20％以上。
附图说明
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：
图1A至图1G是本发明的方法中关键制造步骤实施例示意图；
图2A是常规LED芯片部分结构示意图；
图2B是采用本发明的方法得到的LED芯片部分结构示意图。
具体实施方式
请参看图1A至图1G，以10×23mil芯片为例，具体说明本发明方法的实施过程：
步骤一、在蓝宝石衬底上制作掩膜层，如图1A所示。所述蓝宝石衬底可为普通蓝宝石衬底或图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrates)。所述掩膜层一方面需与蓝宝石衬底的粘附性好、以避免脱落，另一方面需抗激光辐射、耐高温磷酸和硫酸腐蚀。掩膜层常用的材料有三种，第一种是SiO2，第二种是Si3N4，第三种是Ni、Ti、Cr、Al、Ag、Pt中的一种或多种金属和Au的组合，比如Ni/Au、Ti/Au、Cr/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ni/Ag/Au、Cr/Pt/Au等，掩膜层的厚度可选50-5000nm。在一具体实施例中所述掩膜层为SiO2，厚度为3000nm。
步骤二、在所述掩膜层上制作光刻胶图形，所述光刻胶图形在掩膜层表面形成多个单元，各单元之间有部分掩膜层露出，如图1B所示。在激光划片时所述光刻胶图形只作为识别用。
步骤三、对步骤二所得结构，在露出的掩膜层上进行激光划片，划至所述蓝宝石衬底，形成划道，将其划分为多个芯片单元，如图1C所示。激光划片所采用的激光波长为200-400nm，划道宽度为2-15μm，划片深度为15-50μm。在一具体实施例中，激光波长为355nm，划道宽度为6μm，划片深度为25μm。
步骤四、去除所述光刻胶图形，如图1D所示。采用去膜剂清洗，清洗时间为5-60min。
步骤五、以所述掩膜层作为掩膜，使用磷酸、硫酸的混合液对划道侧壁进行腐蚀，清除划片生成物，如图1E所示。所述磷酸和硫酸的体积比为X∶Y，X+Y＝1，0＜X＜1，腐蚀温度为200-350℃，腐蚀时间为1-120min。在一具体实施例中，磷酸、硫酸的体积比为1/4比3/4，腐蚀温度为230℃，腐蚀时间为60min。
步骤六、使用清洗液去除所述掩膜层，如图1F所示。使用清洗液去除所述掩膜层时，所述清洗液因掩膜层而异，SiO2、Si3N4采用BOE(Buffered Oxide Etch)溶液或氢氟酸去除，Ni采用硝酸去除，Ti采用氢氟酸、热的浓盐酸或热的浓硫酸去除，Cr采用盐酸与Cr的混合液去除，Al采用强碱或稀酸去除，Ag采用硝酸和热的浓硫酸去除，Pt、Au采用王水去除。在一具体实施例中，使用BOE去除SiO2，清洗时间为10-60min。
步骤七、在步骤六所得结构上生长半导体外延层，由于蓝宝石衬底上已形成了划道，GaN等半导体材料无法在划道上生长，所以可外延自发生长成被所述划道向上延伸形成的深划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划片，有助于释放应力、降低外延生长GaN的位错密度、提高外延层晶体的质量、减少由于缺陷和位错所产生的非辐射复合中心密度、提高内量子效率。该半导体外延层至少包括N型半导体层、位于所述N型半导体层之上的有源层，以及位于所述有源层之上的P型半导体层，如图1G所示。
其中，制备半导体外延层时，可采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)等技术。本实施例优选为利用金属有机化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上依次生长N型GaN层、有源层，以及P型GaN层。有源层通常为量子阱层。
步骤八、在步骤七所得结构上对每个芯片单元进行刻蚀，以露出部分所述N型GaN层，然后在露出的N型GaN层上制作N电极、在P型GaN层上制作透明电极和P电极。最后在芯片表面制作SiO2钝化层，并露出N电极和P电极。其中，刻蚀后制作透明电极、N/P电极和钝化层是本领域公知技术，其制作步骤并不限制于本例所述，例如，也可以先制作钝化层再制作N/P电极，钝化层的材料也不限于SiO2。
最后对所得到的LED晶片进行背面研磨减薄，再用裂片机裂片得到LED芯片；该部分为本领域技术人员所悉知，所以不再详细描述。
采用本发明的方法得到的10×23mil芯片与常规10×23mil芯片的光电参数对比，如下表所示。可看出，光功率(mW)提升20％、其他光电参数相当，所以本发明方法可以有效降低GaN外延层的位错密度、提高外延层晶体的质量、减少划片生成物对光的吸收、提高LED芯片的出光效率。
Figure BSA00000182163700051
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 (8)

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、在蓝宝石衬底上制作掩膜层；
步骤二、在所述掩膜层上制作光刻胶图形，所述光刻胶图形在掩膜层表面形成多个单元，各单元之间将部分掩膜层露出；
步骤三、在露出的掩膜层上进行激光划片，划至所述蓝宝石衬底，形成划道，将其划分为多个芯片单元；
步骤四、去除所述光刻胶图形；
步骤五、以所述掩膜层作为掩膜，使用磷酸和硫酸的混合液对划道侧壁进行腐蚀，清除划片生成物；
步骤六、使用清洗液去除所述掩膜层；
步骤七、在划分为多个芯片单元的蓝宝石衬底上生长薄膜，使每个芯片单元的蓝宝石衬底上形成半导体外延层，该半导体外延层至少包括N型半导体层、位于所述N型半导体层之上的有源层，以及位于所述有源层之上的P型半导体层；
步骤八、在步骤七所得结构上对每个芯片单元进行刻蚀，露出部分N型半导体层，然后制作透明电极、N电极、P电极和钝化层。
2.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述蓝宝石衬底为图形化蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述掩膜层的材料为SiO2，或Si3N4，或Ni、Ti、Cr、Al、Ag、Pt中的一种或多种金属与Au的组合。
4.根据权利要求1或3中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述掩膜层的厚度为50-5000nm。
5.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤三中所述激光划片所采用的激光波长为200-400nm，划道宽度为2-15μm，划片深度为15-50μm。
6.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤五中所述磷酸和硫酸的体积比为X∶Y，X+Y＝1，0＜X＜1，腐蚀温度为200-350℃，腐蚀时间为1-120min。
7.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤七利用金属有机化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延技术生长所述半导体外延层。
8.根据权利要求1中所述发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：步骤七中所述N型半导体层为N型GaN层，P型半导体层为P型GaN层，有源层为GaN基量子阱层。
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