CN102468376A - 三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法，该工艺的技术特征在于制作铝电极之前，先对芯片正面(发光面)进行粗化处理，使得光线从内部经由发光面能均匀折射出来；并在完成铝电极制作完成后，对该电极进行保护，再对发光二极管(LED)芯片侧面进行粗化处理，使得光线从内部经由侧面能均匀折射出来。从而在保持外延层结构不变的前提下明显提高了发光二极管(LED)芯片的出光效率。
Description
技术领域
本发明专利涉及半导体芯片制造技术，特别涉及一种三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法。
背景技术
发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。当我们在LED PN结两端加上正向偏置时，PN结两端就有电流流过。此时，在PN结中，受激发的电子从N层向PN结(过渡层)移动，而P型层中受激发的空穴也会向PN结移动，电子与空穴在PN结中复合，产生载流子。由于这是一种从高能级向低能级的跃迁，复合载流子会产生光子，形成发光，这就是人们称之为LED的电-光转换。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
从LED的发光机理了解到，当在LED PN结施加正向电压时，LED会产生光子，发射特定波长的光。很显然，LED是实现电能转换成光能的一种半导体器件，由于其良好的抗震性能，而被日益广泛的应用。
通常，我们用转换效率来表示电能到光能的转换百分比。假设施加到LED上的电功率为Pe＝VF·IF，此时LED产生的光的功率为PLight，则用下式定义它的电-光转换效率：
ηe＝(PLight/Pe)×100％
由于能量守恒，当ηe＜100％时，说明有相当部分复合载流子并没有产生光子而是被无端损耗成为PN结中的热能。又会因为折射角度的问题，使转换成的光能有一部分被芯片发光面和侧面挡在芯片内部无法出射，在芯片内部无限循环而损耗掉。LED电-光转换效率越高，PN结上因加置电功率后转化成的光能越多；出射的光线越多，发光效率也高。但事实上LED目前电光转换效率并不是很高。因此，在目前电光转换效率有限的水平下，制作理想的芯片发光面和侧出射光面是提高出光效率的一个有效途径。
作为环保节能的新一代三元系GaAsP发光二极管由于其性能稳定可靠，尤其是抗静电性能优异。使用寿命长而被广泛应用于单灯、数码、时钟板、背光源、点阵、显示屏等领域。但是由于三元GaAsP表面不易被制成漫反射表面，以至于光线在芯片内部持续反射，大部分光被无端损耗掉，导致芯片出光率不高，而出光效率低则直接制约了新一代三元系GaAsP LED的发展。
传统的二元GaP铝电极芯片通常采用煮盐酸的方式制作漫反射出光面，但对于三元GaAsP来讲，煮盐酸效果差之甚远，对三元GaAsP外延层表面粗化研究未有报道，三元GaAsP橙色、琥珀色发光二极管(LED)金电极产品工艺成熟，而铝电极产品工艺欠缺，故目前三元GaAsP芯片只有金电极而未出现铝电极产品。
鉴于此，实有必要提供一种新型的提高出光效率的三元GaAsP发光二极管铝电极发光二极管芯片制造方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法，使其在保持外延层结构不变的前提下明显提高了LED芯片的出光效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法，该方法依次包括以下步骤：
步骤S100，对芯片正面进行粗化；
步骤S200，对划片后的芯片侧面进行粗化。
所述步骤S100包括以下步骤：
步骤一，在做好P/N面欧姆接触电极之后对芯片进行背面保护；
步骤二，配置NaOH溶液和民用漂白水腐蚀液，所述NaOH溶液按NaOH和H2O比例为1g∶100ml至1g∶200ml配置，民用漂白水腐蚀液采用体积比为1∶5至1∶9之间的民用漂白水溶液与水配制，NaOH腐蚀液和民用漂白水腐蚀液的温度分别控制在25-30℃和30-40℃；
步骤三，将完成步骤一的芯片间隔放置于石英花篮内，先用上述NaOH溶液浸泡，时间控制在1-5s，然后立刻用上述民用漂白水腐蚀液对芯片正面进行腐蚀，时间控制在30-60秒，期间以1-5秒/次的速度上下晃动；并时刻观察芯片表面颜色变化；当观察到芯片表面呈漫反射状态时停止，即发光面呈现理想的粗化效果，如未观察到此状态重复步骤二；
步骤四，用去离子水清洗步骤三后获得的芯片，再用干燥氮气吹干。
所述步骤S200包括以下步骤：
步骤五，进行铝电极蒸镀、光刻、腐蚀，最后采用接触划片工艺对芯片进行划片至衬底；
步骤六，自制夹具，其包括旋转的底盘、在底盘上方的水龙头以及与水龙头连接的盛液槽，
步骤七，扩片，将塑料膜固定在扩片环，将划片后的芯片贴在塑料膜上，对划片后的芯片按1∶0.4-1∶0.7的比例进行微扩，将扩片环安装于旋转的底盘上；
步骤八，配制NaCLO腐蚀液，所述NaCLO腐蚀液采用NaCLO溶液与水按体积比为1∶5至1∶12之间配制，该NaCLO腐蚀液的PH值在4-8之间、温度在55-65℃；
步骤九，将配制好的NaCLO腐蚀液倒入腐蚀夹具的盛液槽里，开启转动底盘及水龙头喷洒NaCLO腐蚀液开始腐蚀，每片腐蚀40-70秒；
步骤十，腐蚀后，用去离子水清洗，再用干燥氮气吹干。
作为本发明的优选方式之一，NaCLO腐蚀液的PH值为5。
作为本发明的优选方式之一，NaCLO腐蚀液采用NaCLO溶液与水按体积比为1∶9。
作为本发明的优选方式之一，该NaCLO腐蚀液温度为60℃。
本发明通过对三元GaAsP铝电极芯片进行摸索试验，在保持外延层结构不变的前提下，制造出三元铝电极芯片并且明显提高了发光二极管(LED)芯片的出光效率。实施二步法对芯片正面进行粗化，溶液采取普通碱和民用漂白水，利用瞬间改变漂白水PH值，激活漂白水氧化能力，达到出光面粗化效果。
该工艺的技术特征在于制作铝PAD之前，先对芯片发光表面进行处理，使得光线从内部经由发光面能均匀折射出来；并在完成铝PAD电极制作后，先对PAD电极进行保护，再对发光二极管(LED)芯片侧面进行处理，使得光线从内部经由侧面能均匀折射出来。从而在保持外延层结构不变的前提下明显提高了发光二极管(LED)芯片的出光效率。
附图说明
图1是本发明三元GaAsP铝电极芯片制备方法的工艺流程图；
图2是本发明步骤S100的工艺流程图；
图3是本发明步骤S200的工艺流程图；
图4是本发明中自制夹具的结构示意图；
图5是现有的在20倍率显微镜下检查三元GaAsP发光二极管(LED)芯片表面微结构图；
图6是本发明在20倍率显微镜下检查三元GaAsP发光二极管(LED)芯片表面微结构图。
具体实施方式
三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法，该方法依次包括以下步骤：
步骤S100，对芯片正面(即出光面)进行粗化；
步骤S200，对划片后的芯片侧面进行粗化。
所述步骤S100包括以下步骤：
步骤一，在做好P/N面欧姆接触电极之后对芯片进行背面保护；
步骤二，配置NaOH溶液和民用漂白水腐蚀液，所述NaOH溶液按NaOH和H2O比例为1g∶100ml至1g∶200ml配置，民用漂白水腐蚀液采用体积比为1∶5至1∶9之间的民用漂白水溶液与水配制，NaOH腐蚀液和民用漂白水腐蚀液的温度分别控制在25-30℃和30-40℃；
步骤三，将完成步骤一的芯片间隔放置于石英花篮内，先用上述NaOH溶液浸泡，时间控制在1-5s，然后立刻用上述民用漂白水腐蚀液对芯片正面进行腐蚀，时间控制在30-60秒，期间以1-5秒/次的速度上下晃动；并时刻观察芯片表面颜色变化；当观察到芯片表面呈漫反射状态时停止，即发光面呈现理想的粗化效果，如未观察到此状态重复步骤三；
步骤四，用去离子水清洗步骤三后获得的芯片，再用干燥氮气吹干。
其中，NaOH、民用漂白水腐蚀液的配比、温度和粗化时间，其中最关键是用NaOH溶液浸泡1-5s，利用其瞬间改变民用漂白水的PH值，提高漂白水的活性即氧化能力来达到粗化的目的。在用漂白水腐蚀液腐蚀期间，最好以1秒/次的速度上下晃动，来达到粗化均匀性。
所述步骤S200包括以下步骤：
步骤五，进行铝电极蒸镀、光刻、腐蚀，最后采用接触划片工艺对芯片进行划片至衬底；
步骤六，自制夹具，其包括旋转的底盘、在底盘上方的水龙头以及与水龙头连接的盛液槽，
步骤七，扩片，将塑料膜固定在扩片环，将划片后的芯片贴在塑料膜上，对划片后的芯片按1∶0.4-1∶0.7的比例进行微扩，将扩片环安装于旋转的底盘上；
步骤八，配制NaCLO腐蚀液，所述NaCLO腐蚀液采用NaCLO溶液与水按体积比为1∶5至1∶12之间配制，该NaCLO腐蚀液的PH值在4-8之间、温度在55-65°C；
步骤九，将配制好的NaCLO腐蚀液倒入腐蚀夹具的盛液槽里，开启转动底盘及水龙头喷洒NaCLO腐蚀液开始腐蚀，每片腐蚀40-70秒；
步骤十，腐蚀后，用去离子水清洗，再用干燥氮气吹干。
具体的，首先，采用接触划片工艺对芯片(晶片)进行划片，接触划片工艺主要有锯片、刀片切割等多种方法，由于划片后芯片侧面被刀片磨的光滑，以至于光线在芯片内部持续反射，大部分光被损耗掉，导致出光效率低。
其次，自制夹具，该夹具包括可以均匀旋转的底盘3、设置于底盘3上方的水龙头2以及与水龙头2连接的盛液槽1，所述水龙头2通过水泵4可以均匀喷洒盛液槽3内的溶液，水龙头2出水口距离底盘1大约5公分。
再次，扩片，将塑料膜固定在扩片环，将划片后的芯片贴在塑料膜上，对划片后的芯片按1∶0.4-1∶0.7的比例进行微扩(优选为1∶0.4、1∶0.5或1∶0.7的比例)，将扩片环安装于旋转的底盘上，
再次，配制NaCLO腐蚀液，所述NaCLO腐蚀液采用NaCLO溶液与水按体积比为1∶5至1∶12配制(优选的未1∶5、或1∶9或1∶12)，该NaCLO腐蚀液的PH值为4-8之间(优选为4、5或8)、温度在55-65℃之间(优选为58℃、63℃)；
最后，将配制好的NaCLO腐蚀液倒入腐蚀夹具的盛液槽3里，开启转动底盘1及水龙头2喷洒NaCLO腐蚀液开始腐蚀，每片腐蚀40至70秒(优选为40秒、50秒或70秒)，腐蚀后，用去离子水清洗，再用干燥氮气吹干。
| 样品 | 正向电压(V)20mA | 亮度(mcd) | 反向电流(μA)-5V |
| 未粗化 | 2.06 | 6.528 | 0.012 |
| 两步法粗化后 | 2.12 | 16.726 | 0.056 |
表一芯片的光电性能参数比较
参照上表实验数据，芯片光强提高相对未做处理的提高150％以上。
实验结果
1.1三元GaAsP琥珀色和橙色铝电极芯片处理前后参数对比
现从编号分别为A和B的两片三元GaAsP琥珀色和橙色发光二极管(LED)外延片上同一区域分别切下两小片，编号分别为Aa、Ab和Ba、Bb。其中Aa和Ba不做粗化处理，Ab和Bb按照该工艺制作漫反射表面和侧面，芯片大小为215×215um，每片30点光电参数最小值、中间值和最大值如表1：
表1光电参数对比
| Aa | A6 | 提高率(％) | Ba | Bb | 提高率(％) | ||
| Vf(V) | Min | 1.97 | 1.98 | / | 2.05 | 2.03 | / |
| Avg | 1.98 | 1.99 | / | 2.06 | 2.04 | / | |
| Max | 2.01 | 2.02 | / | 2.06 | 2.05 | / | |
| Iv(mcd) | Min | 5.720 | 14.320 | 133.63 | 6.282 | 15.335 | 144.11 |
| Avg | 6.980 | 18.212 | 160.91 | 7.353 | 19.685 | 167.71 | |
| Max | 7.350 | 20.485 | 178.71 | 8.562 | 23.987 | 180.16 | |
| Vbr(V) | Min | -102 | -99 | / | -99 | -98 | / |
| Avg | -68 | -61 | / | -70 | -65 | / | |
| Max | -30 | -28 | / | -28 | -29 | / | |
| Min | 605.2 | 605.7 | / | 615.1 | 615.6 | / | |
| WD(nm) | Avg | 606.4 | 606.8 | / | 616.4 | 616.8 | / |
| Max | 607.7 | 608. | / | 617.5 | 618.1 | / |
根据每片30点，两片共60点的统计数据来看，光强最小值提升133％-144％、光强中间值提升160％-167％、光强最大值提升178％-180％。
结论：针对三元GaAsP黄色、橙色和琥珀色发光二极管(LED)芯片，将发光表面和侧面制作成漫反射表面可大大提高出光效率。顺利完成以提高发光强度制造出三元铝电极产品为目的研究，同时发现铝电极产品比相应金电极产品亮度高6-15％。该产品目前已量产化，而且市场需求正大幅增加。
图4是处理前的外延片表面，其在20倍率显微镜下，该表面光滑，背面电极清晰可见。经对比可明显看出，制作漫反射表面后，PN结发出光线的折射面积增大，折射角度增多。图5是在20倍率显微镜下检查三元GaAsP发光二极管(LED)芯片表面，该表面不再光滑，而是呈现均匀颗粒状，且背面电极不可见，即达到理想漫反射表面状态。
本发明采取两步腐蚀可以达到粗化效果，提高芯片亮度，具有独创性和新颖性。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法，其特征在于：该方法依次包括以下步骤：
步骤S100，对芯片正面进行粗化；
步骤S200，对划片后的芯片侧面进行粗化。
2.如权利要求1所述的三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法，其特征在于：所述步骤S100包括以下步骤：
步骤一，在做好P/N面欧姆接触电极之后对芯片进行背面保护；
步骤二，配置NaOH溶液和民用漂白水腐蚀液，所述NaOH溶液按NaOH和H2O比例为1g∶100ml至1g∶200ml配置，民用漂白水腐蚀液采用体积比为1∶5至1∶9之间的民用漂白水溶液与水配制，NaOH腐蚀液和民用漂白水腐蚀液的温度分别控制在25-30℃和30-40℃；
步骤三，将完成步骤一的芯片间隔放置于石英花篮内，先用上述NaOH溶液浸泡，时间控制在1-5s，然后立刻用上述民用漂白水腐蚀液对芯片正面进行腐蚀，时间控制在30-60秒，期间以1-5秒/次的速度上下晃动；并时刻观察芯片表面颜色变化；当观察到芯片表面呈漫反射状态时停止，即发光面呈现理想的粗化效果，如未观察到此状态重复步骤三；
步骤四，用去离子水清洗步骤三后获得的芯片，再用干燥氮气吹干。
3.如权利要求2所述的三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法，其特征在于：所述步骤S200包括以下步骤：
步骤五，进行铝电极蒸镀、光刻、腐蚀，最后采用接触划片工艺对芯片进行划片至衬底；
步骤六，自制夹具，其包括旋转的底盘、在底盘上方的水龙头以及与水龙头连接的盛液槽，
步骤七，扩片，将塑料膜固定在扩片环，将划片后的芯片贴在塑料膜上，对划片后的芯片按1∶0.4-1∶0.7的比例进行微扩，将扩片环安装于旋转的底盘上；
步骤八，配制NaCLO腐蚀液，所述NaCLO腐蚀液采用NaCLO溶液与水按体积比为1∶5至1∶12之间配制，该NaCLO腐蚀液的PH值在4-8之间、温度在55-65°C；
步骤九，将配制好的NaCLO腐蚀液倒入腐蚀夹具的盛液槽里，开启转动底盘及水龙头喷洒NaCLO腐蚀液开始腐蚀，每片腐蚀40-70秒；
步骤十，腐蚀后，用去离子水清洗，再用干燥氮气吹干。
4.如权利要求3所述的三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法，其特征在于：NaCLO腐蚀液的PH值为5。
5.如权利要求3所述的三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法，其特征在于：NaCLO腐蚀液采用NaCLO溶液与水按体积比为1∶9。
6.如权利要求3所述的三元GaAsP铝电极发光二极管芯片制备方法，其特征在于：该NaCLO腐蚀液温度为60℃。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
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Granted publication date: 20131009 Termination date: 20141116 |
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