CN102487111B - 半导体发光芯片制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种半导体发光芯片制造方法，包括步骤：1)提供一具有磊晶层的基板，该磊晶层包括在基板上依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层，磊晶层具有贯穿第一半导体层、发光层及第二半导体层的缺陷；2)蚀刻第二半导体层表面，磊晶层的缺陷被蚀刻而形成深入发光层的凹槽；3)在第一半导体层及第二半导体层上分别制作电极。该制造方法可有效提升半导体发光芯片的出光效率。

Description

半导体发光芯片制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光芯片制造方法，特别是指一种半导体发光芯片制造方法。
背景技术
发光二极管作为一种新兴的光源，目前已广泛应用于多种场合之中，并大有取代传统光源的趋势。
发光二极管中最重要的元件为发光芯片，其决定了发光二极管的各种出光参数，如强度、颜色等。现有的发光芯片通常是由依次生长在蓝宝石基板的N型半导体层、发光层及P型半导体层所组成。通过外界电流的激发，发光芯片的N型半导体层的电子与P型半导体层的空穴在发光层复合而向外辐射出光线。
由于发光芯片的磊晶层(即N型半导体层、P型半导体层及发光层)的晶格常数通常与蓝宝石基板的晶格常数并不匹配，因此在其生长过程中会由于内部应力作用而出现缺陷(dislocation)。此种缺陷会捕获磊晶层内部的少数载流子(minority carriers)，使其以非辐射再结合(nonradiative recombination)的方式以热能释放，影响到发光芯片的发光效率。
发明内容
因此，有必要提供一种发光效率较高的半导体发光芯片的制造方法。
一种半导体发光芯片制造方法，包括步骤：
1)提供具有磊晶层的基板，该磊晶层包括在基板上依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层，磊晶层具有贯穿第一半导体层、发光层及第二半导体层的缺陷；
2)蚀刻第二半导体层表面，磊晶层的缺陷被蚀刻而形成深入发光层的凹槽；
3)在第一半导体层及第二半导体层上分别制作电极。
该半导体发光芯片制造方法通过蚀刻所形成的凹槽不仅去除了影响电子与空穴结合的缺陷，还可同时增加发光层的出光面积，使更多的光线从发光层辐射而出。因此，此方法可有效提升半导体发光元件的出光效率。
下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明制造半导体发光芯片方法的第一个步骤。
图2为本发明制造半导体发光芯片方法的第二个步骤。
图3为本发明制造半导体发光芯片方法的第三个步骤。
图4为本发明制造半导体发光芯片方法的第四个步骤。
图5为本发明制造半导体发光芯片方法的第五个步骤。
主要元件符号说明
  基板   10
  沟槽   12
  凸脊   14
  磊晶层   20
  缺陷   22
  凹槽   24
  第一半导体层   30
  发光层   40
  第二半导体层   50
  缓冲层   60
  绝缘层   70
  透明导电层   80
  第一电极   90
  第二电极   92
具体实施方式
本发明旨在提供一种制造半导体发光芯片的方法，其能有效提升半导体发光芯片的出光效率，主要包括如下步骤：
首先，如图1所示提供一具有磊晶层20的基板10。该基板10可由蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)等适合的材料所制成，本实施例优选采用蓝宝石作为基板10的材料。该基板10的厚度介于300μm至600μm之间，本实施例中优选为430μm。该基板10通过湿蚀刻或其他方式在其顶面形成有多道沟槽12，基板10顶面未被蚀刻的部分则形成多条凸脊14。这些沟槽12与凸脊14交替分布于基板10顶面，即每二相邻的沟槽12之间均有一凸脊14，且每二相邻的凸脊14之间均有一沟槽12。该沟槽12的深度由蚀刻时间、蚀刻材料等因素所决定，其范围介于0.3μm至1.5μm之间，优选地，本实施例中将沟槽12的深度控制在1μm左右，以在基板10表面获得较为理想的图案。为改善磊晶层20在基板10上的生长品质，基板10的沟槽12内通过低温技术生长一缓冲层60(buffer layer)。该缓冲层60的厚度优选为20nm，以利于磊晶层20生长。该缓冲层60可由氮化铝(AlN)、氮化镓等材料所制成，其具有与磊晶层20相匹配的晶格常数，以减少磊晶层20在生长时所出现的缺陷22。该磊晶层20包括依次生长的一第一半导体层30、一发光层40及一第二半导体层50。本实施例中第一半导体层30为一N型氮化镓层，第二半导体层50为一P型氮化镓层，发光层40为一多重量子阱层。该第一半导体层30的厚度优选为4μm，第二半导体层50的厚度优选为0.1μm，发光层40的厚度优选为0.125μm。为进一步减少在生长过程中所产生的缺陷22，该磊晶层20可通过ELOG(epitaxy lateral overgrowth)、FIELO(facet-initiatedELO)、PENDEO epitaxy、FACELO(facet-controlled ELO)等技术在基板10表面生长。本实施例中优选采用FIELO技术生长磊晶层20，由此在生长过程所产生的缺陷22将聚集在基板10各凸脊14上方，而沟槽12上方则由于缺陷22发生转向而仅有少量缺陷22分布。这些缺陷22从第一半导体层30底部贯穿发光层40并延伸至第二半导体层50顶部。
然后，如图2所示采用湿蚀刻的方法蚀刻第二半导体层50顶面而形成多个凹槽24。湿蚀刻所采用的溶剂可为KOH、H3PO4等腐蚀性材料。由于磊晶层20上缺陷22的表面能最低，最易与溶剂发生键结反应，因此蚀刻将首先从第二半导体层50顶面的缺陷22位置处开始并逐渐向下深入。由GaN所制成的磊晶层20的(10-1-1)晶格面的表面能相对最低，因此溶剂还将蚀刻此晶格面而形成三角状的凹槽24。通过控制蚀刻时间，可将凹槽24的深度限定在0.1μm至1μm之间。本实施例优选将凹槽24的深度控制在0.225μm，即恰好蚀刻至发光层40的底部。通过蚀刻的作用，发光层40中影响电子与空穴结合的缺陷22被去除，从而提升了电子与空穴的结合几率，使半导体发光芯片的出光效率得到提升。同时，由蚀刻所形成的凹槽24可增加发光层40的表面积，使更多的光线能从发光层40辐射至外部，因此进一步提升了半导体发光芯片的发光效率。此外，由于湿蚀刻所形成的凹槽24壁面为向下渐缩的倾斜状，相比于通过干蚀刻形成具有竖直壁面的凹槽而言，可增加光线从侧面出射的几率，进而提升半导体发光芯片的发光效率。另一方面，除为FIELO技术提供生长图案外，基板10上形成的凸脊14还可反射从发光层40向下辐射的光线，使其朝向上方射出，因此原本由于向下辐射而被浪费掉的光线也可重新得到利用，进而提升半导体发光芯片的发光效率(如图5所示)。
随后，如图3所示通过等离子体化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、溶胶-凝胶(Sol-Gel)、电子束蒸镀(E-beam gun evaporation)、离子束溅镀(Ion beam sputtering)及物理气相沉积(Physical Vapor Deposition)等方法在磊晶层20表面形成一绝缘层70。绝缘层70填满各凹槽24并覆盖住第二半导体层50的顶面。绝缘层70用于将电流路径限定在被凹槽24分割为锥状的发光层40及第二半导体层50上，防止后续制程中的导电材料进入凹槽24内而导致电流分布不均的情况发生。该绝缘层70可由二氧化硅(SiO2)所制成，其厚度(不包括填充凹槽24的部分)优选为0.1μm至0.2μm之间。
之后，移除掉绝缘层70覆盖住第二半导体层50顶面的部分，使第二半导体层50的顶面暴露在外，并保留绝缘层70填充凹槽24的部分。移除绝缘层70的方法包括但不限于化学机械研磨(CMP)、化学蚀刻(湿蚀刻)、物理蚀刻(干蚀刻)等。然后，在第二半导体层50顶面通过真空蒸镀(vacuumevaporation)、溅镀(sputtering)、化学蒸镀(chemical vapor deposition)、电子束(E-gun)等方法形成如图4所示的一透明导电层80。该透明导电层80可由氧化铟锡(ITO)、镍金合金(Ni/Au)等导电性较佳的材料所制成，以使电流能够均匀地分布在第二半导体层50内。由于凹槽24内绝缘层70的阻挡，电流将从位于凹槽24间的第二半导体层50及发光层40流过并进入第一半导体层30内，从而确保半导体发光芯片的正常发光。
最后，采用黄光微影技术蚀刻透明导电层80表面，定义出暴露第一半导体层30顶面的电极区域。再如图5所示通过电子束、蒸镀、溅镀等方法在第一半导体层30上定义出的电极区域表面形成一第一电极90，并在透明导电层80顶面形成一第二电极92。
采用上述方法制成的半导体发光芯片可获得相对较高的出光效率，因此可广泛适用于各种对于光强要求较高的场合，特别是某些大功率的照明灯具内。
可以理解地，本发明所称的“半导体发光芯片”是指发光二极管芯片(light-emitting diode chip)、镭射二极管芯片(laser diode chip)等采用半导体材料制成的具备发光功能的芯片。

Claims (8)

1.一种半导体发光芯片制造方法，包括步骤：
1)提供具有磊晶层的基板，该磊晶层包括依次生长的第一半导体层、发光层及第二半导体层，磊晶层具有贯穿其第一半导体层、发光层及第二半导体层的缺陷；
2)湿蚀刻磊晶层，磊晶层的第二半导体层顶面的缺陷首先与湿蚀刻的溶剂发生键结反应被蚀刻而形成深入到发光层的凹槽,凹槽从第二半导体顶面延伸并终止于发光层底面；
3)分别形成电连接第一半导体层及第二半导体层的第一电极及第二电极。
2.如权利要求1所述的半导体发光芯片制造方法，其特征在于：基板顶面具有多个沟槽及多个凸脊，缺陷位于凸脊上方。
3.如权利要求2所述的半导体发光芯片制造方法，其特征在于：沟槽与凸脊交替分布于基板顶面。
4.如权利要求1所述的半导体发光芯片制造方法，其特征在于：沟槽内部形成缓冲层，缓冲层的厚度小于沟槽的深度，缓冲层位于磊晶层及基板之间。
5.如权利要求1所述的半导体发光芯片制造方法，其特征在于：凹槽的宽度自第二半导体层朝向发光层逐渐减小而形成倾斜的内壁。
6.如权利要求1所述的半导体发光芯片制造方法，其特征在于：步骤2)与步骤3)之间还包括在磊晶层表面形成绝缘层的过程，绝缘层包括填满凹槽的部分。
7.如权利要求6所述的半导体发光芯片制造方法，其特征在于：绝缘层还包括覆盖第二半导体层顶面的部分。
8.如权利要求7所述的半导体发光芯片制造方法，其特征在于：步骤2)与步骤3)之间还包括去除绝缘层覆盖第二半导体层顶面的部分，并在暴露出的第二半导体层表面形成透明导电层的步骤。
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