CN102270714A - 发光二极管芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管芯片的制备方法，包括：提供定义图形单元的绝缘衬底；在绝缘衬底上形成含n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层的发光外延结构；去除走道处形成的外延沉积物；在图形单元第一边界，去除p型氮化物半导体层、有源层，露出n型氮化物半导体层；在走道、图形单元第一边界处、图形单元第二边界处的侧壁、以及图形单元第二边界处形成绝缘层、透明电极层；在透明电极层上形成对应图形单元第一边界的N电极、对应图形单元第二边界的P电极、以及连接N电极和P电极的电极桥接。相较于现有技术，本发明减少外延沉积时的边缘效应，有利于外延的横向沉积，提高LED芯片侧壁出光及发光效率，减小LED芯片的热效应。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片制作领域，特别地，涉及一种高压直流发光二极管芯片的制备方法。
背景技术
在全球能源危机的催生下，各种节能的光电器件应运而生，发光二极管(LED)依靠其体积小、低能耗、无污染、寿命长等特性，逐渐成为继白炽灯，荧光灯之后的第三代光源。白光LED照明耗电量低，具有节能、环保和绿色照明等独特优点。
而高压直流LED直接应用于直流高压驱动的照明市场，相对传统的LED，简化了驱动电路的设计，减少了元器件的使用，驱动电路功率损耗更低，器件可靠性更高，应用成本更是大幅度降低。
LED芯片的出光效率在于外量子效率和内量子效率，其中外量子效率大小等于内量子效率与光的逃逸率之积，当前，商业化LED的内量子效率已经接近100％，但是外量子效率仅有3％-30％，这主要是由于光的逃逸率低造成的，因此，光的逃逸率成为高亮度LED的主要技术瓶颈。引起光逃逸的因素有：晶格缺陷对光的吸收、衬底对光的吸收、光出射过程中各个界面由于全反射造成的损失等。
目前，主要采用两种制备方法来制备LED芯片。
制备方法1包括：1)、提供衬底；2)、在衬底上采用金属有机化合物化学气相淀积工艺(Metal-organic Chemical Vapor Deposition；MOCVD)工艺外延沉积形成发光外延结构，所述发光外延结构包括n型氮化镓层、有源层和p型氮化镓层；3)、对发光外延结构进行清洗；4)、通过溅射或蒸镀透明电极层；5)、刻蚀掉p型氮化镓层和有源层，直至n型氮化镓层；6)、制备透明电极；7)、制备N电极和P电极；8)、制备钝化(SiO2)层；9)、背减薄。
制备方法2包括：1)、提供衬底；2)、在衬底上采用MOCVD工艺外延沉积形成LED发光外延结构；3)、对发光外延结构进行清洗；4)、刻蚀掉p型氮化镓层和有源层，直至n型氮化镓层；5)、溅射或蒸镀透明电极层；6)、制备透明电极；7)、制备N电极和P电极；8)、制备钝化(SiO2)层；9)、背减薄。
上述制备工艺对提升LED芯片的发光效率非常有限，且LED芯片在大电流驱动下，热效应非常显著，严重影响了LED的使用寿命和器件性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管芯片的制备方法，以解决现有LED芯片制作技术中LED芯片的出光效率受限以及在大电流驱动下热效应显著的问题。
为解决上述及其他问题，本发明提供了一种发光二极管芯片的制备方法，包括：提供外延生长所需的绝缘衬底；所述绝缘衬底定义有图形单元，所述图形单元具有第一边界以及与所述第一边界相对的第二边界，相邻图形单元之间具有走道；在具有图形单元的所述绝缘衬底上形成发光外延结构；所述发光外延结构包括n型氮化物半导体层、位于所述n型氮化物半导体层上的有源层、以及位于所述有源层上的p型氮化物半导体层；去除所述相邻图形单元之间走道处形成的外延沉积物；在所述图形单元的第一边界处，去除所述发光外延结构中的p型氮化物半导体层、有源层，直至露出n型氮化物半导体层，形成n型台阶；在所述走道、所述图形单元第一边界处所述n型台阶上的部分的n型氮化物半导体层、所述图形单元第二边界处的侧壁、以及所述图形单元第二边界处的部分的p型氮化物半导体层之上形成绝缘层；在所述图形单元第一边界处所述n型台阶上的部分的n型氮化物半导体层、以及所述图形单元第二边界处的p型氮化物半导体层之上形成透明电极层；在所述透明电极层上形成对应所述图形单元第一边界的N电极、对应所述图形单元第二边界的P电极、以及连接所述N电极和所述P电极的电极桥接。
可选地，所述绝缘衬底的材料选自蓝宝石。
可选地，所述图形单元包括平行四边形、菱形、矩形或正方形。
可选地，所述发光外延结构是采用金属有机化合物化学气相淀积工艺形成的。
可选地，所述发光外延结构中的氮化物半导体层为氮化镓层。
可选地，去除所述相邻图形单元之间走道处形成的发光外延结构采用的是湿法刻蚀、感应耦合等离子刻蚀或反应离子刻蚀。
可选地，所述绝缘层的厚度为800nm至2500nm，所述绝缘层的材料为SiO2或Al2O3。
可选地，在所述图形单元第二边界处的侧壁形成的所述绝缘层覆盖了所述图形单元第二边界处的整个侧壁。
可选地，在所述图形单元第一边界处形成的所述绝缘层的面积小于等于所述N电极的面积的一半，在所述图形单元第二边界处形成的所述绝缘层的面积小于等于所述P电极的面积的一半。
可选地，所述透明电极层的材料采用铟锡氧化物或镍金。
相较于现有技术，本发明在LED芯片制备工艺中通过在绝缘衬底的走道的一侧上的发光外延结构上形成n型台阶，再在走道的两侧形成N电极和P电极，可以减少外延沉积时的边缘效应，有利于外延的横向沉积，提高LED芯片侧壁出光及发光效率，特别是在大电流驱动下可以明显减小LED芯片的热效应。
另外，在本发明中，采用了绝缘衬底，在绝缘衬底上形成有图像单元，相邻图形单元之间具有走道，再在走道上形成绝缘层和透明电极层，如此可以使得各个图像单元之间相互绝缘，确保图像单元的独立性，为LED芯片的集成化制备提供了条件。
附图说明
图1为本发明发光二极管芯片的制备方法的流程示意图；
图2至图9为根据上述流程制造发光二极管芯片的示意图。
具体实施方式
本发明的发明人发现：在现有的LED芯片制备工艺中，存在出光效率偏低以及热效应显著的问题。
因此，本发明的发明人提出了一种发光二极管芯片的制备方法，通过在绝缘衬底中相邻图形单元之间的走道的一侧的其中一个图形单元的发光外延结构上形成n型台阶，再在走道的两侧的相邻两个图形单元分别形成N电极和P电极，可以减少外延沉积时的边缘效应，有利于外延的横向沉积，提高LED芯片侧壁出光及发光效率，减小LED芯片的热效应。
以下将通过具体实施例来对发明的发光二极管的制备方法进行详细说明。
图1显示了发光二极管的制备方法的流程示意图。如图1所示，所述制备方法包括如下步骤：
步骤S100，提供绝缘衬底20。图2显示了绝缘衬底200的正面示意图，图3为图2沿着A-A线的侧剖图。
在本实施例中，绝缘衬底20的材料为蓝宝石。
特别地，在本发明中，对于绝缘衬底200，还通过图形化处理定义出图形单元200，其中的图形单元200的形状可以是四边形、菱形、矩形或正方形。相邻图形单元200之间具有走道P，每一个图形单元200具有第一边界200a以及与第一边界200a对应的第二边界200b，因此，在走道P的两侧分别为第一个图形单元200的第一边界200a和第二个图形单元200的第二边界200b。
步骤S102，在具有图形单元200的绝缘衬底20上形成发光外延结构22，形成如图4所示的结构。在本实施例中，发光外延结构22包括n型氮化镓(GaN)层221、位于n型GaN层221上的有源层223、以及位于有源层223上的p型氮化镓(GaN)层225。
在本实施例中，发光外延结构22是采用金属有机化合物化学气相淀积工艺(Metal-organicChemical Vapor Deposition；MOCVD)形成的。
步骤S104，去除相邻图形单元200之间走道P处形成的外延沉积物，完成走道P的清洗，形成如图5所示的结构。在所述清洗中，可以采用湿法刻蚀、感应耦合等离子(InductivelyCoupled Plasma，ICP)刻蚀、反应离子(Reactive Ion Etching，RIE)刻蚀或其他类似的刻蚀工艺，由于上述刻蚀工艺已为本领域技术人员所熟知的现有技术，在此不再赘述。
步骤S106，在图形单元200的第一边界200a处，去除发光外延结构22中的p型GaN层225、有源层223，直至露出n型GaN层221，形成n型台阶，形成如图6所示的结构。
在所述去除工艺中，可以采用采用感应耦合等离子(ICP)刻蚀、反应离子(RIE)刻蚀或其他类似的刻蚀工艺，由于上述刻蚀工艺已为本领域技术人员所熟知的现有技术，在此不再赘述。
另外，对于步骤S104，在实际应用中，露出n型GaN层221可以具体可以是恰好去除位于n型GaN层221之上的有源层223而到达n型GaN层221的顶面即可，也可以是去除位于n型GaN层221之上的有源层223之后，再去除部分的n型GaN层221。
步骤S108，在走道P、图形单元200的第一边界200a处n型台阶上的部分的n型GaN层221、图形单元200的第二边界200b处的侧壁、以及图形单元200的第二边界200b处的部分的p型GaN层225之上形成绝缘层24，形成如图7所示的结构。实际上，在步骤S108中，形成的绝缘层24还覆盖了图形单元200的第一边界200a处的侧壁以及走道P。为描述方便，在这里，我们将在图形单元200的第一边界200a处形成的绝缘层标记为24a，在图形单元200的第二边界200b处形成的绝缘层标记为24b，在图形单元200的第二边界200b处的侧壁形成的绝缘层标记为24c。
特别地，在步骤S108中，在图形单元200的第二边界200b处的侧壁形成的绝缘层24c覆盖了图形单元200的第二边界200b处的整个侧壁。如此，通过在图形单元200的第二边界200b处的侧壁形成的绝缘层，可以很好地隔绝图形单元200的第二边界200b处的n型氮化镓(GaN)层221和p型氮化镓(GaN)层225，避免了两者之间可能出现的短路。
在本实施例中，绝缘层24的材料为SiO2或Al2O3，其厚度为800nm至2500nm。
步骤S110，在图形单元200的第一边界200a处n型台阶上的部分的n型氮化物半导体层221以及图形单元200的第二边界200b处的p型氮化物半导体层225之上形成透明电极层26，形成如图8所示的结构。在本实施例中中，为简化工艺，是在整个绝缘层24上形成透明电极层26。
在本实施例中，透明电极层26的材料可以是铟锡氧化物(Tin-doped Indium Oxide，ITO)或镍金。
步骤S112，在透明电极层26上形成对应图形单元200的第一边界20a的N电极27、对应图形单元200的第二边界20b的P电极29、以及连接N电极27和P电极29的电极桥接28，形成如图9所示的结构。
特别地，在本发明中，绝缘层204a的面积小于等于N电极27的面积的一半，即：绝缘层204a的宽度h小于等于N电极27的宽度H的一半(h≤1/2H)；同样，绝缘层204b的面积小于等于P电极29的面积的一半，即：绝缘层204b的宽度h’小于等于N电极27的宽度H’的一半(h’≤1/2H’)。
综上所述，本发明在LED芯片制备工艺中通过在绝缘衬底的走道的一侧上的发光外延结构上形成n型台阶，再在走道的两侧形成N电极和P电极，可以减少外延沉积时的边缘效应，有利于外延的横向沉积，提高LED芯片侧壁出光及发光效率，特别是在大电流驱动下可以明显减小LED芯片的热效应。
另外，在本发明中，采用了绝缘衬底，在绝缘衬底上形成有图像单元，相邻图形单元之间具有走道，再在走道上形成绝缘层和透明电极层，如此可以使得各个图像单元之间相互绝缘，确保图像单元的独立性，为LED芯片的集成化制备提供了条件。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
Claims (10)
1.一种发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，包括：
提供外延生长所需的绝缘衬底；所述绝缘衬底定义有图形单元，所述图形单元具有第一边界以及与所述第一边界相对的第二边界，相邻图形单元之间具有走道；
在具有图形单元的所述绝缘衬底上形成发光外延结构；所述发光外延结构包括n型氮化物半导体层、位于所述n型氮化物半导体层上的有源层、以及位于所述有源层上的p型氮化物半导体层；
去除所述相邻图形单元之间走道处形成的外延沉积物；
在所述图形单元的第一边界处，去除所述发光外延结构中的p型氮化物半导体层、有源层，直至露出n型氮化物半导体层，形成n型台阶；
在所述走道、所述图形单元第一边界处所述n型台阶上的部分的n型氮化物半导体层之上、所述图形单元第二边界处的侧壁、以及所述图形单元第二边界处的部分的p型氮化物半导体层之上形成绝缘层；
在所述图形单元第一边界处所述n型台阶上的部分的n型氮化物半导体层、以及所述图形单元第二边界处的p型氮化物半导体层之上形成透明电极层；
在所述透明电极层上形成对应所述图形单元第一边界的N电极、对应所述图形单元第二边界的P电极、以及连接所述N电极和所述P电极的电极桥接。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述绝缘衬底的材料选自蓝宝石。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述图形单元包括平行四边形、菱形、矩形或正方形。
4.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述发光外延结构是采用金属有机化合物化学气相淀积工艺形成的。
5.根据权利要求1或4所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述发光外延结构中的氮化物半导体层为氮化镓层。
6.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，去除所述相邻图形单元之间走道处形成的外延沉积物采用的是湿法刻蚀、感应耦合等离子刻蚀或反应离子刻蚀。
7.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述绝缘层的厚度为800nm至2500nm，所述绝缘层的材料为SiO2或Al2O3。
8.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，在所述图形单元第二边界处的侧壁形成的所述绝缘层覆盖了所述图形单元第二边界处的整个侧壁。
9.根据权利要求1或8所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，在所述图形单元第一边界处形成的所述绝缘层的面积小于等于所述N电极的面积的一半，在所述图形单元第二边界处形成的所述绝缘层的面积小于等于所述P电极的面积的一半。
10.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述透明电极层的材料采用铟锡氧化物或镍金。
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| Date | Code | Title | Description |
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Granted publication date: 20131127 |
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