CN102290505B

CN102290505B - GaN基发光二极管芯片及其制造方法

Info

Publication number: CN102290505B
Application number: CN201110268144.1A
Authority: CN
Inventors: 陈诚; 郝茂盛; 张楠
Original assignee: Shanghai Blue Light Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Blue Light Technology Co Ltd
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2031-09-09
Also published as: CN102290505A

Abstract

本发明提供了一种GaN基LED芯片的制备方法，包括如下步骤：1)提供蓝宝石衬底，其包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；2)从上述第一表面所在的一侧对所述蓝宝石衬底进行隐形切割；3)在所述蓝宝石衬底的上述第一表面上形成GaN半导体层；4)在所述GaN半导体层上形成透明导电层、P电极及N电极；5)从上述第二表面所在的一侧减薄所述蓝宝石衬底；6)在所述蓝宝石衬底的上述第二表面上形成反射层；以及7)裂片。根据该制备方法，能够同时发挥隐形切割技术以及背面蒸镀反射层技术的优点，并且与现有技术的制备工艺相比，亮度提升效果及稳定性效果明显，生产成本低并且简单易操作，适用于工业化大生产。

Description

GaN基发光二极管芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种GaN基发光二极管芯片及其制造方法。

背景技术

GaN基发光二极管(Light Emitting Diode，缩写为LED)具有寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特征，在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广泛的应用前景，成为国内外半导体领域的研究热点。目前制备GaN基LED芯片的一般工艺为：1)在平片蓝宝石衬底或者图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，缩写为PSS)上通过外延生长来制备GaN半导体层；2)对GaN基晶片进行加工来制备N电极及P电极，并进而通过研磨来减薄该晶片；3)采用背面激光划片技术进行划片工艺；4)通过进行正面裂片而获得GaN基LED芯片。但是，采用背面激光切割会在切割道内留下焦化的碎屑，由于已减薄，该碎屑采用一般化学或物理方式很难去除掉，对需从侧面发出的光有吸收作用，因此会影响GaN基LED芯片的侧面发光亮度。

为了使GaN基LED芯片从各表面发出的光均能有效收集利用，目前主要采用两种改进工艺来制备GaN基LED芯片。其中，改进工艺1的制备步骤为：1)在平片蓝宝石衬底或者PSS上通过外延生长来制备GaN半导体层；2)进行正面激光划片；3)对GaN基晶片进行加工来制备N电极及P电极，并且通过研磨来减薄该晶片；4)在所使用的蓝宝石衬底的背面蒸镀分布布拉格反射镜(Distribution Bragg Reflector，缩写为DBR)高效反射层或者蒸镀DBR高效反射层后再在其上蒸镀金属层；5)通过进行背面裂片而得到GaN基LED芯片。根据改进工艺1，通过在背面蒸镀DBR高效反射层或者蒸镀DBR高效反射层以及金属层，能够增强光的反射作用，将原本从所使用的衬底底边漏出的光反射到表面发射出。另外，背面蒸镀的材料的导热能力比蓝宝石强，可增强所制备的GaN基LED芯片的散热能力，增强稳定性，延长其寿命。

另一方面，为了增强亮度而采用的改进工艺2的制备方法如下：1)在蓝宝石衬底或者PSS上通过外延生长来制备GaN半导体层；2)对GaN基晶片进行加工来制备N电极及P电极，并且通过研磨减薄该晶片；3)进行背面隐形切割；4)通过正面裂片而得到GaN基LED芯片。通过改进工艺2可以增强GaN基LED芯片的发光亮度，但是根据该工艺无法直接背面蒸镀反射层，即无法增强所制备的GaN基LED芯片的散热能力，增强稳定性，延长其寿命。

目前，希望将上述改进工艺1和改进工艺2整合，以此来提高GaN基LED芯片的亮度和稳定性。目前能够达到该目的的工艺流程为：1)在蓝宝石衬底或者PSS上外延生长GaN半导体层；2)采用常用的芯片工艺对GaN基晶片进行加工来制备N电极及P电极，并且对该晶片进行研磨以减小其厚度；3)在所使用的衬底的背面蒸镀DBR高效反射层或者蒸镀DBR高效反射层后再在其上蒸镀金属层；4)进行背面隐形切割；5)通过进行裂片而得到GaN基LED芯片。但是，通过该工艺制备的GaN基LED芯片，存在着成品率低且设备成本高的问题。具体而言，在仅蒸镀DBR高效反射层时成品率约为70％，且需要使用的设备的成本约为基本的隐形切割设备成本的1.3倍；在蒸镀DBR高效反射层后进而蒸镀金属层时，成品率仅为40％左右，且需要使用的设备的成本约为基本的隐形切割设备的成本的2倍。

因此，需要提出一种既能进行隐形切割又能背面蒸镀DBR高效反射层或者蒸镀DBR高效反射层以及金属层，同时与现有的制备工艺相比又能降低生产成本并且简单易操作的GaN基LED芯片的制备方法。

发明内容

鉴于上述现有技术中的GaN基LED芯片的制备方法中存在的问题，本发明的一方面在于提供一种GaN基LED芯片的制备方法，根据该制备方法，能够同时发挥隐形切割技术以及背面蒸镀技术的优点，并且与现有技术的制备工艺相比，生产成本低并且简单易操作，适用于工业化大生产。

为了达到上述目的，本发明的GaN基LED芯片的制备方法包括如下步骤：1)提供蓝宝石衬底，其包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；2)从上述第一表面所在的一侧对所述蓝宝石衬底进行隐形切割；3)在所述蓝宝石衬底的上述第一表面上形成GaN半导体层；4)在所述GaN半导体层上形成透明导电层、N电极及P电极；5)从上述第二表面所在的一侧减薄所述蓝宝石衬底；6)在所述蓝宝石衬底的上述第二表面上形成反射层；以及7)裂片。

另外，根据本发明，优选的是，所述GaN半导体层包括依次形成的N型GaN层、量子阱层以及P型GaN层。

另外，根据本发明，优选的是，所述透明导电层、所述P电极和所述N电极的形成步骤如下：在所述GaN半导体层上形成所述透明导电层；通过光刻以及刻蚀使所述N型GaN层局部露出；在所述透明导电层上形成P电极，在露出的所述N型GaN层上形成N电极；以及在除所述P电极和所述N电极外的部分沉积保护膜层。

另外，根据本发明，优选的是，所述透明导电层、所述P电极及所述N电极的形成步骤如下：通过光刻以及刻蚀使所述N型GaN层局部露出；在所述P型GaN半导体层上形成所述透明导电层；在所述透明导电层上形成P电极，在露出的所述N型GaN层上形成N电极；以及在除所述P电极和所述N电极外的部分沉积保护膜层。

另外，根据本发明，优选的是，所述蓝宝石衬底是平片蓝宝石衬底。

另外，根据本发明，优选的是，所述蓝宝石衬底是图形化蓝宝石衬底。

另外，根据本发明，优选的是，所述的反射层为分布布拉格反射镜层。

另外，根据本发明，优选的是，所述的反射层包括分布布拉格反射镜层以及形成在所述分布布拉格反射镜层上的金属层。

另外，根据本发明，优选的是，所述反射层为金属反射层。

另外，根据本发明，优选的是，所述反射层为包括介质层与金属反射层的全向反射层。

另外，根据本发明，优选的是，所述透明导电层是采用铟锡氧化物或者镍金制成的。

另外，根据本发明，优选的是，所述透明导电层是通过层叠铟锡氧化物层和镍金层制成的。

根据本发明的GaN基LED芯片的制备方法，但与采用现有技术的制备方法相比，成品率可提高至90％。并且，采用隐形切割的现有技术需要使用的设备的成本约为基本的隐形切割设备的成本的1.3倍或者2倍，与此相比，根据本发明的制备方法，使用基本的隐形切割设备即可，因此可大幅度地降低生产成本。另外，根据该制备方法，能够同时发挥隐形切割技术以及背面蒸镀反射层技术的优点，并且与现有技术的制备工艺相比，亮度提升效果及稳定性效果明显，并且简单易操作，适用于工业化大生产。

此外，本发明的另一方面在于提供一种GaN基LED芯片，其是根据本发明的GaN基LED芯片的制备方法而制备的。该GaN基LED芯片，与采用一般工艺的制备的GaN基LED芯片相比，具有发光亮度强，稳定性好且寿命长等优点。

附图说明

图1是根据本发明的GaN基LED芯片的制备方法制备GaN基LED芯片的流程图；

图2是在本发明的实施方式1中所使用的平片蓝宝石衬底101的示意图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图；

图3是经隐形切割后的平片蓝宝石衬底101的示意图，其中(a)为正视图，(b)为俯视图；

图4至图10是表示根据图1所示的流程图制备GaN基LED芯片的示意图；

图11是在本发明的实施方式2中所使用的图形化蓝宝石衬底201的正视图；

图12是根据本发明的实施方式2的蒸镀反射层后的GaN基LED芯片的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，通过具体实施方式来对本发明进行详细说明。所提供的实施方式为本发明的优选实施方式，但不应被认为本发明仅限于在此阐述的实施方式中。在图中，为了更清楚的反应结构，适当放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。参考图是本发明的示意图，图中的表示只是示意性质的，不应该被认为限制本发明的范围。

实施方式1

如图1所示，本发明的GaN基LED芯片的制备方法包括如下步骤：

S101：提供蓝宝石衬底；

S103：对所述蓝宝石衬底进行隐形切割；

S105：在所述蓝宝石衬底上形成GaN半导体层；

S107：在所述GaN半导体层上形成透明导电层，P电极及N电极；

S109：减薄所述蓝宝石衬底；

S111：在所述蓝宝石衬底上形成反射层；以及

S113：裂片。

以下结合图1至图10来详细说明本发明的实施方式1的GaN基LED芯片的制备方法。具体而言，首先执行步骤S101，即提供蓝宝石衬底。在本实施方式中所使用的衬底为平片蓝宝石衬底101，其正视图如图2(a)所示，其俯视图如图2(b)所示，直径为2英寸至6英寸。对平片蓝宝石衬底101的表面进行研磨抛光，将其被抛光的一面称为第一表面(即正面)，并且将与该第一表面相对的一面称为第二表面(及背面)。

接着，从平片蓝宝石衬底101的正面一侧对其进行隐形切割，即执行步骤S103。隐形切割过程是通过基本隐形切割技术中所使用的设备来完成的。具体而言，该设备使用聚光透镜将短脉冲激光汇聚到待切割工件的内部，在所述工件内部形成变质层，通过扩展胶膜等方法将该工件分割成芯片。隐形切割是一种比较新的投入到LED行业的工艺，其能有效地提高LED亮度，但是将其与其他亮度提升方式的结合目前基本上处于真空状态，值得深入研究。与从半导体晶片外部进行切割的一般的单晶片切割法不同的是，如上所述，隐形切割是从半导体内部进行切割。采用隐形切割技术，可对没有进行过内部研磨处理的晶片至超薄晶片实施高速切割；并且，由于整个过程为全干燥处理，所以不必清洗切割后的晶片，即可降低生产成本，提高生产率。在本实施方式中，由一聚光透镜将短脉冲激光聚集到平片蓝宝石衬底101的内部，以便在从平片蓝宝石衬底101的正面起开始计算的深度为30um至150um处按隐形切割线102对其进行切割。另外，可根据实际需要的隐形切割线102在平片蓝宝石衬底101中的深度位置，实施隐形切割两次。经隐形切割后的平片蓝宝石衬底101的正视图如图3(a)所示，其俯视图如图3(b)。

在实施隐形切割时，若短脉冲激光未破坏平片蓝宝石衬底101的表面晶格的情况下，进行形成GaN半导体层的步骤S105。另一方面，若脉冲激光破坏了平片蓝宝石衬底101的表面晶格，则使用高温酸液对其进行表面处理，以便除去晶格受到破坏的平片蓝宝石衬底101的表层。优选的是，高温酸液为硫酸和磷酸的混合酸溶液，硫酸和磷酸的比例为1∶1、2∶1、3∶1或者为4∶1。进一步优选的是，硫酸和磷酸的比例为3∶1。此外，对平片蓝宝石衬底101的表面处理，可在完成硫酸和磷酸的配液时的温度下进行，或者可在100℃至250℃的温度范围内进行。在完成对平片蓝宝石衬底101的表面处理后，实施步骤S105。

在步骤S105中，在平片蓝宝石衬底101上形成GaN半导体层，其包括依次形成的N型GaN层103、量子阱层104以及P型GaN层105，如图4所示。在本实施方式中，上述GaN半导体层的形成可采用现有技术中的常用的外延生长GaN层的方法，例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)或者气相外延(VPE)法来完成，在此不予赘述。

接着，实施步骤S107，在上述GaN半导体层上形成透明导电层106，N电极107及P电极108。具体而言，1)在上述GaN半导体层上形成透明导电层106，如图5所示，其厚度在2000埃至4000埃的范围内；2)利用光刻及刻蚀技术对N型GaN层进行局部刻蚀，以使N型GaN层局部露出，如图6所示；3)在露出的N型GaN层103上形成N电极107，在透明导电层106上形成P电极108，如图7所示；4)利用等离子体化学气相沉积技术，在除P电极108和N电极107的顶层外的部分沉积保护膜层109，如图8所示。其中，透明导电层106是通过电子束蒸发镀膜技术采用铟锡氧化物或者镍金而制成，或者也可通过层叠铟锡氧化物层和镍金层而制成。但并不局限于此，也可采用其他常用的用于形成导电层的方法来生成透明导电层106。N电极107和P电极108是采用光刻及蒸镀技术来层叠两种以上金属层来得到的，其中上述两种以上金属是选自于主要由铬、镍、铂金、金、铝这几种材料组成的群中。另外，保护膜层109是采用二氧化硅或者氮化硅来制成的。

接着执行步骤S109，减薄平片蓝宝石衬底101。即，可根据实际需要对平片蓝宝石衬底101的背面进行研磨，以便减小平片蓝宝石衬底101的厚度。在本实施方式中，如图9所示，通过研磨来将平片蓝宝石衬底101减薄至70um至200um的厚度范围内。

之后，进行在平片蓝宝石衬底101的背面形成反射层的步骤S111。在本实施方式中，通过蒸镀技术在平片蓝宝石衬底101的背面蒸镀反射层110，如图10所示。反射层110也可以通过其他常用的形成薄膜的方法来完成。优选的是，反射层110为DBR高效发射层。或者，反射层110可包括DBR高效反射层以及蒸镀在DBR高效反射层上的金属层。或者，反射层110可为金属反射层。或者，反射层110为采用介质与金属形成的全向反射层。DBR高效反射层的反射性能由结构中的层数，每层的厚度，结构中所用两种材料的折射率，以及每一层的吸收和散射特性决定。通常情况下，构成DBR高效反射层对的两层材料间折射率差别越大，该层对的反射率就越高。在本实施方式中，使用的是TiO₂和SiO₂，但并不局限于此，也可以使用常用的其他材料对。全向反射层由介质层与金属反射层共同组成，其反射性能由介质层的折射率、厚度、吸收与散射特性及金属的反射系数和消光系数决定。通常情况下，构成全向反射镜的介质层的折射率需要低于蓝宝石的折射率。在本实施方式中，使用的是SiO₂，但并不局限于此，也可以使用常用的其他材料。另外，上述金属层是采用Al、Ti、Ag、Rh等材料制成。

最后，执行进行裂片的步骤S113，以隐形切割线102为起点进行裂片后，即可制备出GaN基LED芯片。

实施方式2

实施方式2与实施方式1的不同之处在于，采用图形化蓝宝石衬底PSS 201取代了实施方式1中的平片蓝宝石衬底101。PSS 201的正视图如图11所示。通过蒸镀技术在PSS 201的背面蒸镀反射层210后的结构如图12所示，包括N型GaN层203，量子阱层204，P型GaN层205，N电极207，P电极208，保护膜层209以及反射层210，其制备方法、相互间位置关系以及结构分别与实施方式1中的对应组成部相同，所以在此省略相关说明。另外，在图12中，隐形切割线由附图标记12来标记出。

实施方式3

在实施方式1和2中，在实施步骤S107时，即在上述GaN半导体层上形成上述透明导电层、上述N电极及上述P电极时，先在上述GaN半导体层上形成透明导电层后，再利用光刻及刻蚀技术对上述透明导电层和GaN半导体层进行局部刻蚀，以使上述N型GaN层局部露出，如图5和6所示。

与实施方式1和2不同的是，在本实施方式中，在形成上述透明导电层、上述N电极和上述P电极的步骤S107中，先利用光刻和刻蚀技术对上述GaN半导体层进行局部刻蚀，以使上述N型GaN层局部露出，再在未经刻蚀的GaN半导体层上利用镀膜技术蒸镀上述透明导电层。除此之外，实施方式3的其余部分与实施方式1和2相同，在此省略相关说明。

如表1所示，与根据上述制备GaN基LED芯片的一般生长工艺、上述改进工艺1以及上述改进工艺2制备的GaN基LED芯片相比，将根据本发明的GaN基LED芯片的制备方法制备的芯片，按照现有技术中的常用LED制备流程封装制备成LED后，其发光亮度更高。其中，LED所发射的光的波长为300nm至600nm。

表1基于本发明的制备方法的LED与基于现有技术的制备工艺的LED的亮度对比表

工艺	亮度(mW)	亮度增加幅度
			一般工艺	6	---
改进工艺1	6.6	10％
			改进工艺2	6.6	10％
本发明的方法	7.2	20％

根据本发明的GaN基发光二极管的制备方法，在进行背面蒸镀所述反射层时，虽然存在裂片的可能，但与采用现有技术的制备方法相比，成品率可提高至90％。并且，采用隐形切割的现有技术需要使用的设备的成本约为基本的隐形切割设备的成本的1.3倍或者2倍，与此相比，根据本发明的制备方法，使用基本的隐形切割设备即可，因此可大幅度地降低生产成本。另外，根据本发明的制备方法，能够同时发挥隐形切割技术以及背面蒸镀反射层技术的优点，并且与现有技术的制备工艺相比，亮度提升效果及稳定性效果明显，并且简单易操作，适用于工业化大生产。

上述实施方式仅示例性地说明了本发明的原理以及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施方式进行修改、变形。

因此，本发明的权利保护范围，应如本发明的权利要求书所列。

Claims

1.一种GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1）提供蓝宝石衬底，其包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；

2）从上述第一表面所在的一侧对所述蓝宝石衬底进行隐形切割；

3）在所述蓝宝石衬底的上述第一表面上形成GaN半导体层；

4）在所述GaN半导体层上形成透明导电层、N电极及P电极；

5）从上述第二表面所在的一侧减薄所述蓝宝石衬底；

6）在所述蓝宝石衬底的上述第二表面上形成反射层；以及

7）裂片。

2.根据权利要求1所述的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于，

所述GaN半导体层包括依次形成的N型GaN层、量子阱层以及P型GaN层，

所述透明导电层、所述P电极和所述N电极的形成步骤如下：

在所述GaN半导体层上形成所述透明导电层；

通过光刻以及刻蚀使所述N型GaN层局部露出；

在所述透明导电层上形成P电极，在露出的所述N型GaN层上形成N电极；以及

在除所述P电极和所述N电极外的部分沉积保护膜层。

3.根据权利要求1所述的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于，

所述透明导电层、所述P电极及所述N电极的形成步骤如下：

通过光刻以及刻蚀使所述N型GaN层局部露出；

在所述P型GaN半导体层上形成所述透明导电层；

在除所述P电极和所述N电极外的部分沉积保护膜层。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底是平片蓝宝石衬底。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底是图形化蓝宝石衬底。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的GaN基LED芯片的制备方法，所述的反射层为分布布拉格反射镜层。

7.根据权利要求1至3中的任一项所述的GaN基LED芯片的制备方法，所述的反射层包括分布布拉格反射镜层以及形成在所述分布布拉格反射镜层上的金属层。

8.根据权利要求1至3中的任一项所述的GaN基LED芯片的制备方法，所述反射层为金属反射层。

9.根据权利要求1至3中的任一项所述的GaN基LED芯片的制备方法，所述反射层为包括介质层与金属反射层的全向反射层。

10.根据权利要求1至3中的任一项所述的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于，所述透明导电层是采用铟锡氧化物或者镍金制成的。

11.根据权利要求1至3中的任一项所述的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于，所述透明导电层是通过层叠铟锡氧化物层和镍金层制成的。