CN102544247B - 半导体发光芯片制造方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体发光芯片制造方法，其包括如下步骤：提供具有第一阻挡层的基板，该基板顶面被第一阻挡层分隔出生长区域；在基板的生长区域内形成蔓延至第一阻挡层的第一半导体层；在第一半导体层顶面形成第二阻挡层，该第二阻挡层部分覆盖第一半导体层顶面；在第一半导体层顶面形成蔓延至第二阻挡层的发光结构层；去除第一阻挡层及第二阻挡层而在第一半导体层底面与基板顶面之间以及第一半导体层顶面与发光结构层底面之间形成多个空隙；沿空隙蚀刻第一半导体层及发光结构层，使第一半导体层及发光结构层均呈现出宽度自上至下逐渐增大的形状。该方法可在低温条件下进行，从而确保制程的稳定性。

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。

为提升发光芯片的出光效率，业界设计出各种方法对发光芯片的结构进行改进，其中应用较为广泛的一种为芯片侧边倾斜化处理，即将发光芯片的侧边进行蚀刻，使其呈现出上宽下窄的锥形结构。通过此种处理后的发光芯片可通过其倾斜的侧边将更多的光线朝向出光方向反射，从而使出光效率得到提升。现有蚀刻发光芯片侧边的方法通常是采用蚀刻液在高温条件(＞170摄氏度)下对发光芯片的侧边进行腐蚀。然而由于需要在高温条件下进行，导致制程的稳定性较差，容易造成发光芯片的损坏。

发明内容

因此，有必要提供一种制程稳定的半导体发光芯片的制造方法。

一种半导体发光芯片的制造方法，包括步骤：

1)提供基板，该基板顶面通过第一阻挡层分隔出生长区域；

2)在基板顶面的生长区域内生长蔓延至第一阻挡层上的第一半导体层；

3)形成部分覆盖第一半导体层顶面的第二阻挡层；

4)在暴露出的第一半导体层顶面上形成蔓延至第二阻挡层上的发光结构层；

5)去除第一阻挡层及第二阻挡层而分别在第一半导体层与基板之间以及发光结构层与第一半导体层之间留出空隙；

6)沿空隙蚀刻半导体发光芯片，使其形成上宽下窄的锥形结构。

由于采用第一阻挡层及第二阻挡层预先在第一半导体层与基板之间以及发光结构层与第一半导体层之间留出空隙，因此在后续蚀刻过程中可沿暴露在空隙中的第一半导体层底面及发光结构层底面进行蚀刻。相较现有技术而言，由于在蚀刻之前已有部分第一半导体层底面及发光结构层底面暴露在空隙中，在低温环境下亦可很好地蚀刻出上宽下窄的形状，因此本方法无需在高温条件下进行，从而确保制造过程中的稳定性。

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为本发明的制造半导体发光芯片方法的第一个步骤中的基板及第一阻挡层的俯视图。

图2为本发明的制造半导体发光芯片方法的第一个步骤中的基板及第一阻挡层的前视图。

图3为本发明的制造半导体发光芯片方法的第二个步骤。

图4为本发明的制造半导体发光芯片方法的第三个步骤。

图5为本发明的制造半导体发光芯片方法的第四个步骤。

图6为本发明的制造半导体发光芯片方法的第五个步骤。

图7为本发明的制造半导体发光芯片方法的第六个步骤。

图8为本发明的制造半导体发光芯片方法的第七个步骤。

主要元件符号说明

基板	10
		生长区域	12
第一阻挡层	20
		空隙	200
凸肋	22

第一半导体层	30
		缓冲层	40
第二阻挡层	50
		空隙	500
发光结构层	60
		第二半导体层	62
发光层	64
		第三半导体层	66
透明导电层	70
		第一电极	80
第二电极	82

具体实施方式

本发明公开了一种稳定性较高的半导体发光芯片的制造方法，其包括如下步骤：

参见图1-2，首先，提供一基板10。该基板10可由硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、蓝宝石(sapphire)等材料所制成，本实施例中优选为蓝宝石。基板10顶面通过蒸镀或溅镀等方式形成一第一阻挡层20。该第一阻挡层20在基板10顶面呈图案化设置，其包括彼此交错的若干纵向及若干横向的凸肋22。该第一阻挡层20可由二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)等材料制成，其用于阻挡半导体结构在其表面生长。本实施例当中优选采用二氧化硅作为第一阻挡层20的材料，以方便后续的腐蚀过程。基板10顶面被第一阻挡层20分隔为多个矩形的生长区域12，用于供半导体结构生长。该基板10的生长区域12的宽度优选在300μm左右，该第一阻挡层20的凸肋22的宽度优选在20μm左右，以使半导体结构以合适的尺寸进行生长。

然后，如图3所示在基板10的生长区域12内通过有机金属化学气相沉积法(MOCVD)、分子束磊晶法(Molecular Beam Epitaxy；MBE)或卤化物化学气相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy；HVPE)等方法生长一第一半导体层30。该第一半导体层30可由N型掺杂的氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铝铟镓(AlInGaN)、砷化镓(GaAs)等半导体材料所制成，其厚度优选为2μm。由于第一阻挡层20的阻挡，第一半导体层30只能从基板10的生长区域12内进行生长，而不会直接生长在第一阻挡层20表面，由此，第一半导体层30在基板10上通过第一阻挡层20形成多个间隔的岛状区域。由于第一半导体层30在生长区域12内垂直生长的同时还具有一定程度的侧向生长，因此第一半导体层30还会蔓延至第一阻挡层20的顶面。通过控制生长条件，可使第一半导体层30的相邻岛状区域仅蔓延至第一阻挡层20的端部附近而未彼此连接，从而暴露出第一阻挡层20的顶面。为减少由于晶格错位而造成过多的缺陷，在生长第一半导体层30之前还可预先在基板10的生长区域12内形成一缓冲层40。该缓冲层40可优选采用氮化镓(GaN)或氮化铝(AlN)制成，其厚度优选为20nm。

随后，如图4所示在第一半导体层30的顶面通过溅镀或蒸镀等方法形成一第二阻挡层50。该第二阻挡层50的材料与第一阻挡层20的材料相同，也优选采用二氧化硅制成，以方便在后续过程中与第一阻挡层20一同被腐蚀掉。该第二阻挡层50的面积小于第一半导体层30的顶面积而仅覆盖各第一半导体层30岛状区域顶面的右侧部分，并暴露出各第一半导体层30岛状区域顶面的左侧部分。

之后，如图5所示在第一半导体层30的暴露的顶面左侧部分生长一发光结构层60。该发光结构层60包括通过有机金属化学气相沉积法、分子束磊晶法或卤化物化学气相磊晶法等方法依次生长的一第二半导体层62、一发光层64及一第三半导体层66。该第二半导体层62、发光层64及第三半导体层66分别优选采用N型氮化镓、多重量子井氮化镓层及P型氮化镓所制成，其可在外界电流的激发下向外辐射出光子，以获得所需的光线。该发光结构层60的厚度与第一半导体层30的厚度一致，也优选为2μm。受第二阻挡层50的阻挡，发光结构层60也只能从暴露在外的第一半导体层30顶面上进行生长。同时，由于侧向生长的作用，发光结构层60还将蔓延至第二阻挡层50的顶面。通过控制生长条件，发光结构层60仅覆盖每一第一半导体层30岛状区域上的第二阻挡层50顶面的左端而留出右端部分。

然后，如图6所示再采用缓冲蚀刻液(Buffered Oxide Etch)同时去除第一阻挡层20及第二阻挡层50。该缓冲蚀刻液由氢氟酸与氟化铵按一定的比例混合而成，其可有效地对二氧化硅进行腐蚀而不损坏其他的半导体结构。在第一阻挡层20及第二阻挡层50被蚀刻完之后，第一半导体层30底面与基板10顶面以及第一半导体层30顶面与发光结构层60底面之间分别形成多个空隙200、500。

随后，通过化学蚀刻方法对基板10上的各半导体层进行蚀刻。此过程中所使用的蚀刻溶液可采用每升含有2至7摩尔的氢氧化钾，蚀刻时间为5至30分钟左右，蚀刻温度小于100摄氏度。优选地，本实施例采用75摄氏度下浓度为2摩尔每升的氢氧化钾溶液对基板10上的半导体层蚀刻15分钟，以获得所需的芯片形状。由于在此蚀刻过程之前已经通过去除第一阻挡层20及第二阻挡层50而在第一半导体层30底面及发光结构层60底面均形成有空隙200、500，以预先暴露出相当面积的第一半导体层30底面及发光结构层60底面，因此在此蚀刻过程中蚀刻溶液可直接从暴露出的第一半导体层30底面及发光结构层60底面开始腐蚀，从而加速整个蚀刻过程。如图7所示，蚀刻之后的第一半导体层30及发光结构层60均呈现出宽度自上至下逐渐减小的锥形结构。由于氢氧化钾蚀刻溶液与氮化镓的(10-1-1)及(11-2-2)两个晶格面的反应最为缓慢，因此蚀刻过程中该两个晶格面将会残留下来，从而最终在第一半导体层30及发光结构层60的侧面形成介于57至62度之间的倾角。相比于现有技术中采用高温对发光芯片侧面蚀刻而言，由于本方法预先留出空隙200、500，蚀刻溶液在蚀刻发光芯片侧面的同时可直接从空隙200、500内腐蚀第一半导体层30及发光结构层60的底面，从而无需借助高温加速蚀刻溶液与发光芯片的反应也可得到理想的芯片形状。

最后，如图8所示在发光结构层60的第三半导体层66顶面通过真空蒸镀(vacuum evaporation)、溅镀(sputtering)、化学蒸镀(chemical vapor deposition)、电子束(E-gun)等方法形成一透明导电层70，并在透明导电层70顶面及暴露出的第一半导体层30顶面通过电子束、蒸镀、溅镀等方法分别制作一第二电极82及一第一电极80，再沿基板10进行切割而形成多个独立的发光芯片。该透明导电层70可以采用氧化铟锡(ITO)、镍金合金(Ni/Au)等导电性较佳的材料所制成，其用于将电流均匀地分布在第三半导体层66表面，以使发光芯片出光均匀。该第一电极80及第二电极82则采用金属材料制成，其用于与外界进行焊接，以将发光芯片与外界进行电连接。

由于发光芯片的侧面为自下至上逐渐拓宽，其可将自发光层64发出并朝向侧面射出的光线有效地朝上进行反射，从而使更多地光线从发光芯片的顶部出射。因此，具有该种结构的发光芯片的发光效率较高，可适用于多种照明场合。

可以理解地，基板10上的第一阻挡层20还可以为在基板10上蚀刻形成的沟槽(图未示)，由此第一半导体层30在位于沟槽之间的凸脊上生长时将直接形成与基板10沟槽底部隔开的空隙。通过使用具有沟槽的基板10，可以省去后续去除第一阻挡层20的步骤。

Claims (10)

1.一种半导体发光芯片制造方法，包括如下步骤：

1)提供具有第一阻挡层的基板，该基板顶面被第一阻挡层分隔出生长区域；

2)在基板的生长区域内形成蔓延至第一阻挡层顶面的第一半导体层，基板包括多个生长区域，各生长区域形成的第一半导体层与相邻生长区域形成的第一半导体层隔开而暴露出第一阻挡层的部分顶面；

3)在第一半导体层顶面形成第二阻挡层，该第二阻挡层部分覆盖第一半导体层顶面；

4)在第一半导体层顶面形成蔓延至第二阻挡层顶面的发光结构层；

5)去除第一阻挡层及第二阻挡层而在第一半导体层底面与基板顶面之间以及第一半导体层顶面与发光结构层底面之间形成空隙；

6)沿空隙蚀刻第一半导体层及发光结构层，使第一半导体层及发光结构层均呈现出宽度自上至下逐渐减小的形状。

2.如权利要求1所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：第一阻挡层及第二阻挡层均采用二氧化硅制作，步骤5)采用缓冲蚀刻液去除第一阻挡层及第二阻挡层。

3.如权利要求1所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：发光结构层包括依次生长的第二半导体层、发光层及第三半导体层。

4.如权利要求3所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：第一半导体层与第二半导体层的掺杂类型相同。

5.如权利要求4所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：第一半导体层及第二半导体层均为N型掺杂，第三半导体层为P型掺杂。

6.如权利要求1所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：第一半导体层与基板之间还具有缓冲层。

7.如权利要求1所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：步骤6)中采用氢氧化钾蚀刻第一半导体层及发光结构层，蚀刻时间介于2～30分钟，蚀刻温度低于100摄氏度。

8.如权利要求7所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：氢氧化钾的浓度为2摩尔每升，蚀刻时间为15分钟，蚀刻温度为70摄氏度。

9.如权利要求1所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：经过步骤6)蚀刻后的第一半导体层及发光结构层的侧面的倾角介于57至62度之间。

10.如权利要求1所述的半导体发光芯片的制造方法，其特征在于：步骤6)之后还包括在发光结构层顶面形成透明导电层，并在透明导电层及第一半导体层顶面制作电极的过程。