CN101944563A - Led芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率芯片及其制备方法，该芯片的N型氮化镓层侧壁与衬底之间形成一定角度的倒角，从而减少了侧面出光被吸收导致的损失，并且使侧面光反射至正面射出，提高了外量子效率。本发明还提供了制备该电极的方法。

Description

LED芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及LED领域，尤其涉及一种LED芯片及其制备方法。

背景技术

随着LED芯片行业的迅猛发展，市场对于芯片的要求也随之提高，除了光电参数外，外观也逐渐为客户所重视，并且外观不良的芯片可能出现漏电，可靠性下降等问题。

芯片切割工艺对芯片的外观有一定的影响，目前常用的芯片切割方法有正面切割技术和背面切割技术。由于正面切割芯片较背面切割芯片外观有着不可比拟的优势，所以正面切割技术越来越受到人们的关注。但正面切割过的侧壁灼烧严重，大大增加了侧壁吸光，从而导致光提取效率下降。

目前，传统的蓝宝石衬底GaN大功率芯片的主要品质特征参数为光的提取效率和可靠性，而且提取效率会对可靠性有很大影响，因此光的提取效率对大功率芯片的品质特性影响较大。光的提取效率一般可分为内量子效率和外量子效率：内量子效率是指将注入的电能转化为光能量的效率，目前已能达到70-80％，对于外延生长好的芯片其内量子效率甚至能达到90％；外量子效率是指将光能量从芯片中提取出来的效率，目前只有40-50％，仍然存在很大的改善空间。

导致外量子效率低的一个方面是因为在芯片上存在侧面光的损失，侧面光的损失主要有以下几个方面，一是正面激光切割导致侧壁灼伤层呈黑色，吸光严重；二是部分侧面光由芯片射出后由于射出角度的原因被固晶胶吸收转化为热能。

所以目前的LED大功率芯片制造厂商均以提高外量子效率为首要研发目标。近年来诞生了各种提高出光效率进而提高外量子效率的方法，比如进行芯片表面粗化技术，图形化衬底技术，以及背镀反射镜等，这些方法通过提高芯片正面的出光效率或是通过提高背面反射率来提高外量子效率。

发明内容

本发明不同于现有技术采用的方法，从提高侧面出光效率入手，在N型氮化镓层侧壁与衬底之间形成倒角，增加了侧面光从正面射出的几率，提高了芯片侧面的出光效率。

本发明提供的一种LED芯片，其结构自下而上依次为衬底、N型氮化镓层、有源层、P型氮镓层、透明电极，其特征在于，所述N型氮化镓层的侧壁与所述衬底之间形成倒角，倒角的角度在40°-70°范围内。优选地，倒角的角度为45°。

本发明还提供了制备上述芯片的方法，包括在所述衬底上生长N型氮化镓层、有源层以及P型氮镓层，形成晶片；然后对其进行ICP蚀刻，随后进行以下步骤：(1)在ICP蚀刻后形成的表面上生长保护层；(2)进行正面切割；(3)将步骤(2)切割后的晶片放入加热的浓磷酸与浓硫酸混合溶液中进行腐蚀，浓磷酸和浓硫酸的体积比为1∶3，加热的温度可以在270-300℃的范围内。经过以上步骤后，N型氮化镓层的侧面与衬底之间形成了倒角，所述倒角的角度在40°-70°范围内，优选得到的倒角为45°；(4)清洗去除上述保护层，进行透明电极，金属电极以及保护层的制作，制得芯片。

在本发明提供的具体实施方式中，在进行正面切割后，正面切割痕的宽度为8-10μm，切割深度为20-25μm。

在本发明提供的具体实施方式中，在步骤(1)中生长的保护层是二氧化硅保护层，其厚度大于

在本发明提供的具体实施方式中，进行ICP蚀刻时，蚀刻的深度为

根据本发明提供的方法以及根据该方法制得的芯片，提高了侧面的外量子效率并且改善了芯片外观。

附图说明

本发明的前述和其它方面在考虑以下结合附图的详细描述后将会显而易见，附图中相同的标号在整个说明书中是指相同部件，且其中：

图1本发明提供的芯片侧面腐蚀结构示意图。

图2本发明提供的制备方法的流程图。

图3为本发明提供的芯片侧面腐蚀后芯片侧面实际图。

图4为以点测机作为测量手段，得到的侧面腐蚀芯片与无侧面腐蚀芯片亮度对比图。

图5为积分球作为测量手段，得到的侧面腐蚀芯片与无侧面腐蚀芯片亮度对比图。

具体实施方式

下面将对本发明的发明目的、技术方案和有益效果作进一步详细的说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对所要求的本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本发明提供的LED芯片，如图1所示，其结构自下而上依次为衬底1、N型氮化镓层2、有源层3、P型氮镓层4、透明电极5。如图1所示，N型氮化镓层2的四个侧面与衬底1之间形成倒角，所述倒角的角度在40°-70°范围内。对于现有大功率LED芯片，由于GaN材料折射率(大约为2.4)与封装材料-环氧树脂折射率(其折射率为1.4)之间有很大的折射率差，所以对于目前的垂直型侧面，其侧面光的全反射角的临界角为36°。入射角度为36°-90°的侧面光都会被全反射至芯片内部，被全反射回来的光会在芯片内多次反射，很大部分光最终仍然会被材料吸收，形成热能。而通过本发明提供的芯片，如图1所示，由于其N型氮化镓层2的侧面与衬底1之间呈一定角度的倒角，根据光学原理，侧面光照射到该侧面后，直接被反射至芯片的正面射出，减少了光线被反射到芯片内部而被吸收所造成的损耗。在本发明提供的具体实施方式中，倒角的角度是45°，但可以理解的是，本领域技术人员可根据生产实践的具体要求，依据GaN材料与封装材料之间的折射率而选择合适的倒角角度。

如图2所示，本发明还提供了制备上述芯片的方法，包括在所述衬底1上生长N型氮化镓层2、有源层3以及P型氮镓层4，形成晶片；在上述晶片上进行ICP蚀刻，将部分N型氮化镓层2露出，蚀刻的深度可以是

然后进行下述步骤：

(1)在ICP蚀刻后的晶片表面上生长保护层。生长的保护层是本领域常用的保护层。这里需要说明的是，本发明的设计要点在于生长的保护层以能抵抗温度为270-300℃的体积比为1∶3的浓磷酸和浓硫酸溶液混合溶液，且后续去除保护层时不损伤晶片的标准而选择。在本发明提供的具体实施方式中，生长的保护层是二氧化硅层，并且其厚度必须大于

以抵抗后续的腐蚀过程。但可以理解的是，本领域技术人员完全可以根据实践的需求，选择合适的保护层及其生长厚度。

(2)形成上述保护层后，进行正面切割；正面切割可以利用激光镭射机进行。优选地，在本发明提供的具体实施方式中，正面切割后形成的切割痕宽度为8-10μm，切割深度为20-25μm，优选宽度可控制在8-10μm，切深控制在20-25μm之间。形成这样的切割痕很容易在后续的腐蚀步骤中形成倒角。若切割宽度或深度太小，腐蚀溶液不易进入，形成倒角的速度比较慢；若切割宽度或深度太大了，会因为腐蚀速率问题难以形成角度合适的倒角。

(3)将切割后的晶片放入腐蚀液中进行腐蚀。本发明所指腐蚀液是一种浓磷酸与浓硫酸的混合溶液，其中浓磷酸和浓硫酸的体积比为1∶3，并且该混合溶液需被加热到270-300℃的温度范围内。经过一段时间的腐蚀后，N型氮化镓层2的侧面与衬底1之间形成倒角，倒角的角度在40°-70°范围内。将芯片研磨，切割，劈裂后可观察晶片侧面并拍照，本发明中采用使用的拍照工具为带CCD的徕卡金相显微镜DM2500M。图3示出了按照本发明提供的实施例进行腐蚀过程中拍摄得到的照片，从照片中可以看出倒角的形成。

在这一腐蚀过程中，GaN和蓝宝石上由于激光灼伤形成的黑色层面被腐蚀掉，大大减少了侧面的吸收，并且形成的倒角使得侧面光直接被反射至芯片的正面射出。

在本发明提供的具体实施例中，通过不断试验，确定了将晶片放入上述腐蚀液中5-10分钟，即可在侧壁形成40-70度的倒角。可以理解的是，本领域技术人员完全可以根据芯片的性能选择合适的腐蚀温度和腐蚀时间，根据具体情况而选择出的蚀刻温度和时间都应该包括在发明的保护范围内。

(4)根据生长的保护层的性质，采用本领域常用的清洗方法去掉保护层。例如，对于洗去二氧化硅保护层可以采用BOE溶液(HF∶NH₄F体积比1∶6溶液)进行清洗。然后进一步进行透明电极5，金属电极6以及保护层7的制作。这里所指的透明电极5、金属电极6、保护层7的制作都是本领域技术人员通常采用的材料和方法，在这里就不作详细描述了。例如透明电极5的制作采用ITO，金属电极6采用Cr-Pt-Au，保护层7可以是SiO₂。

通过以上步骤，制成了一种N型氮化镓层的四个侧壁与衬底之间形成倒角的芯片，并且侧壁被激光灼伤形成的黑色层面被腐蚀掉，大大减少了侧面吸收，从而提高了芯片的外量子效率。

实施例

按照本发明所提供的方法，同时制作5片晶片，具体制作方法如下：

一、运用AIXTRON的MOCVD机台在蓝宝石衬底1上生长LED结构外延片，具体步骤如下：

(1)以高纯的H₂、N₂作为载气，在压力为550Torr，1000℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底1共15分钟；

(2)将温度降至500℃，在蓝宝石衬底1上生长厚度为30nm的低温缓冲氮化镓层，并进一步将温度升高至1000℃，持续生长2.0μm的N型氮化镓层，形成N型氮化镓层2；

(3)升高温度至710℃-880℃，生长掺铟的氮化镓阱层，升高温度至830℃-1000℃生长不掺杂氮化镓垒层，形成有源层3；

(4)在完成有源层的生长后，将温度升高到950℃持续生长0.1-0.5um的P型氮化镓层4；

外延片生长后，将5片晶片一分为二，5个半片作为实施例进行后续操作，5个半片作为对比例。

二、使用ABM光刻机做MESA光刻后进行ICP蚀刻(牛津ICP)，在晶片上形成台阶，将N-GaN露出。具体光刻方法如下：

(1)在清洗后的晶片表面涂布光刻胶(型号为AZ4620，厚度3.5-4.5μm)，然后进行软烤工艺1-2分钟，工艺条件为90-110℃；

(2)使用ABM光刻机做MESA图形曝光，光强90-120mJ/cm²。

(3)将曝光完成的晶片在显影液(浓度为1％-2％的KOH溶液)中显影，显影完成后清洗烘干后再执行硬烤工艺，工艺条件为100-120℃，进行3-5分钟。

(4)在ICP设备中，通入BCl₃、Cl₂，流量分别为10-15sccm和60-70sccm，RF功率为200-250W，ICP功率为400-450W，刻蚀10-12分钟，刻蚀深度为

三、生长SiO₂保护层，上述生长SiO₂保护层的方法为常规方法，即在PECVD中，用硅烷(SiH4)和笑气(N₂O)生长而得到，具体步骤在这里就不赘述了。但为了抵抗后续的高温腐蚀工艺，SiO₂保护层的厚度一定大于

四、使用NEW WAVE 2112激光镭射机进行正面切割。切割痕的宽度控制在8-12μm，切割深度为18-30μm。优选地，宽度可控制在8-10μm，切深控制在20-25μm之间。

五、使用千腾半导体设备制造公司的高温磷酸槽加热浓磷酸与浓硫酸的混合溶液至270-300℃，浓磷酸与浓硫酸的体积比为1∶3，将已切割晶片进行腐蚀10分钟。

六、腐蚀完成后清洗去掉SiO₂保护层，在本实施例采用BOE溶液(HF∶NH₄F体积比1∶6溶液)去除保护层。将晶片放入该溶液中腐蚀3分钟后，用去离子水冲放5分钟，甩干机甩干即可。

七、进行透明电极5的制作。使用真空蒸发设备，生长一层ITO，厚度为

之后进行ITO蚀刻，在P-GaN上得到希望保留的透明电极5；之后进行金属电极6的制作；最后在芯片表面生长一层SiO₂保护层7。上述制作透明电极5，金属电极6以及保护层7的方法为常规方法，在这里就不赘述了。

对比例

将上述5片晶片一分为二得到的另外5个半片，按照实施例中提供的后续步骤制备晶片，只是不实施浓磷酸和浓硫酸混合酸的腐蚀步骤(即步骤五)，制得对比晶片5片。

亮度测定实验

1.用点测机测试芯片的全测亮度值

崩裂全测后取每个半片的点测机LOP2平均值，步骤如下：

使用台湾致茂的A581501点测机台全测10个半片，这里所指的10个半片包括实施例中的5个半片以及对照例中的5个半片。全测亮度(LOP2)值的测试条件为：350mA正向电流，10ms后读取LOP2值。

将10个半片中每片晶片上所有芯片LOP2值取电压在3.0-3.6之间芯片的LOP2平均值，即可得到10个半片的平均亮度。

图4为侧面腐蚀芯片与无侧面腐蚀芯片亮度对比图。如图4所示，以点测机作为测量手段，同等条件下有侧面腐蚀芯片亮度较无侧面腐蚀芯片亮度提升5.0％。

2.积分球亮度平均值

崩裂全测后取每个半片的积分球亮度平均值，具体步骤如下：

使用威控LS-326分选机台在10个半片晶片中每片挑出10颗芯片，亮度范围在LOP2典型值附近即可；

对于10颗芯片的挑选，当10个半片在点测机上全测后，所有芯片的各种参数将会呈一个分布，在这里针对亮度参数分档(一般5mw分为一档)，认定其中百分比最高的一档为这个半片的典型亮度，即可代表这个晶片的亮度水平。每个半片中的10颗芯片均挑选典型亮度档里面的，其他参数保证10片一致即可，比如正向电压在3.2-3.3V，波长为455-457nm之间，漏电流1uA以下。挑选芯片的方法为使用威控的LS-326分选机，输入挑选条件和挑选颗数即可实现挑选。

将每半片晶片上的10颗芯片固晶在TO-CAN支架上，然后进行焊线作业，最后在杭州远方PMS-50积分球上测量芯片亮度(350mA正向电流)，将每半片晶片上的10颗芯片亮度取平均值。

图5为侧面腐蚀芯片与无侧面腐蚀芯片亮度对比图。如图5所示，以积分球作为测量手段，同等条件下有侧面腐蚀芯片亮度较无侧面腐蚀芯片亮度提升5.2％。

从以上结果可以看出，通过本发明提供的技术方案具有以下优点：

(1)根据本发明提供的制备方法制得的芯片，其亮度有明显的提高。无论利用点测机或者积分球法测试，都可以确定芯片的亮度值提高了5％左右；

(2)本发明提供的制备方法工艺简单易行，采用的腐蚀液原料来源也很便利，价格便宜，非常适于工业生产。

以上说明仅为本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种LED芯片，其结构自下而上依次为衬底(1)、N型氮化镓层(2)、有源层(3)、P型氮镓层(4)、透明电极(5)，其特征在于，所述N型氮化镓层(2)的侧面与所述衬底(1)之间形成倒角，所述倒角在40°-70°的范围内。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述倒角为45°。

3.一种权利要求1或2所述芯片的制备方法，包括在衬底(1)上生长N型氮化镓层(2)、有源层(3)以及P型氮镓层(4)，进行ICP蚀刻，其特征在于，进一步包括以下步骤：

(1)在所述ICP蚀刻后形成的表面上生长保护层；

(2)对所述步骤(1)形成的晶片进行正面切割；

(3)将所述步骤(2)切割后的晶片放入温度在270-300℃的浓磷酸与浓硫酸混合溶液中进行腐蚀，其浓磷酸和浓硫酸的体积比为1∶3，所述N型氮化镓层(2)的侧面与所述衬底(1)之间形成倒角，所述倒角在40°-70°范围内。

(4)清洗去掉所述保护层，进行透明电极，金属电极制作以及保护层的制作，制得所述芯片。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述倒角为45°。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)形成的正面切割痕宽度为8-10μm，切割深度为20-25μm。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)生长的保护层是二氧化硅保护层，所述二氧化硅保护层的厚度大于

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述ICP蚀刻深度为

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