CN102544248B - 发光二极管晶粒的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管晶粒的制作方法，通过在发光二极管晶粒底部形成一层二氧化硅图案层，在半导体发光结构生长完成之后，利用第一种蚀刻液把二氧化硅图案层去除。此时，在侧向蚀刻的过程中，第二种蚀刻液将进入到发光二极管晶粒的底部并从底部开始蚀刻。该方法可有效加快半导体发光结构形成倒锥状结构的过程，从而提高发光二极管晶粒的出光效率，并有效降低蚀刻过程所需的温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管晶粒的制作方法，尤其涉及一种具有高出光效率的发光二极管晶粒的制作方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种可将电流转换成特定波长范围的光的半导体元件。发光二极管以其亮度高、工作电压低、功耗小、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长等优点，从而可作为光源而广泛应用于照明领域。
传统的发光二极管晶粒通常为矩形结构。由于发光二极管晶粒所用材料与外界空气或封装材料之间的折射率相差较大，发光二极管晶粒所发出的光线很容易在界面上发生全反射而返回晶粒内部，而无法出射到外界。为提高发光二极管晶粒的光取出效率，可将发光二极管晶粒设置成倒锥状的结构，而使发光二极管晶粒的侧面与底面倾斜。该结构可破坏光线在侧面发生向下的全反射的条件，从而使光线从发光二极管晶粒中出射。形成上述倒锥状结构的一种方法是采用湿蚀刻的方法，即采用蚀刻液对发光二极管晶粒的侧面进行蚀刻。由于晶粒底部的晶格品质低于晶粒顶部的晶格品质，晶粒底部的蚀刻速度比晶粒顶部的蚀刻速度要快，从而可以形成倒锥状结构的发光二极管晶粒。然而，上述的蚀刻过程需在大于170度的温度下进行，并且其蚀刻速度也较为缓慢。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种发光二极管晶粒的制作方法，从而可在较低的温度下对发光二极管晶粒进行侧向蚀刻，以使发光二极管晶粒形成倒锥状的结构。
一种发光二极管晶粒的制作方法，其包括以下步骤：
提供一基板，基板上形成有二氧化硅图案层，该图案层将基板分割成多个外延生长区域；
在外延生长区域生长半导体发光结构，控制外延生长的条件，使相邻的半导体发光结构之间具有间隙以显露出部分二氧化硅图案层；
利用第一种蚀刻液去除二氧化硅图案层；
利用第二种蚀刻液对半导体发光结构进行侧向蚀刻，所述第二种蚀刻液注入半导体发光结构之间的间隙以及二氧化硅图案层去除后所留下的间隙中，从而使半导体发光结构形成倒锥状的结构；
在半导体发光结构的部分区域蚀刻出电极平台，然后在半导体发光结构表面制作电极；
将基板沿半导体发光结构之间的间隙进行切割，形成多个发光二极管晶粒。
与现有技术相比，本发明通过在发光二极管晶粒底部形成一层二氧化硅图案层，在半导体发光结构生长完成之后，利用第一种蚀刻液把二氧化硅图案层去除。此时，在侧向蚀刻的过程中，第二种蚀刻液将进入到发光二极管晶粒的底部并从底部开始蚀刻，加快了使半导体发光结构形成倒锥状的结构的过程，从而有效提高发光二极管晶粒的出光效率，并可有效降低蚀刻过程中所需的温度。
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是本发明实施例所提供的蓝宝石基板的截面示意图。
图2是图1中的蓝宝石基板的俯视示意图。
图3是在图1中的蓝宝石基板上生长半导体发光结构的截面示意图。
图4是对图3中的二氧化硅图案层进行腐蚀后的截面示意图。
图5是对图4中的半导体发光结构进行侧面腐蚀后的截面示意图。
图6是在图5中的半导体发光结构制作电极的过程。
图7是将图6中的基板切割而形成发光二极管晶粒的截面示意图。
图8是本发明实施例的发光二极管晶粒的光线出射示意图。
主要元件符号说明
发光二极管晶粒 100
基板 110
二氧化硅图案层 120
外延生长区域 130
半导体发光结构 140
GaN缓冲层 141
n型GaN层 142
InGaN/GaN多量子阱结构 143
p型GaN层 144
间隙 150
空隙 160
电极平台 170
p型接触电极 171
n型接触电极 172
具体实施方式
图1-图5为本发明的发光二极管晶粒的制作过程示意图。
如图1所示，首先提供一基板110，该基板110选自蓝宝石基板、碳化硅基板和氮化硅基板其中之一。然后在基板110上制作二氧化硅图案层120。该二氧化硅图案层120将基板110分割成多个外延生长区域130。在本实施例中，基板110的厚度为430微米。所述二氧化硅图案层120由多条交叉排列形成栅格结构的直线组成，如图2所示。所述二氧化硅图案层120围成多个正方形的外延生长区域130，所述直线的线宽为20微米，所述外延生长区域130的边长为300微米。根据需要，该基板110亦可为图案化蓝宝石基板(patterned sapphire substrate，PSS)。
如图3所示，在外延生长区域130生长半导体发光结构140。该半导体发光结构140包括沿远离基板110方向依次排列的GaN缓冲层141、n型GaN层142、InGaN/GaN多量子阱结构143以及p型GaN层144。其中，n型GaN层142的厚度为4微米，p型GaN层144的厚度为0.1微米。控制外延生长的条件，使相邻的半导体发光结构140之间形成间隙150，用以显露出部分二氧化硅图案层120。
如图4所示，使用缓冲蚀刻液(Buffered Oxide Etch)去除二氧化硅图案层120。该缓冲蚀刻液由氢氟酸与氟化铵按一定的比例混合而成，其可有效对二氧化硅图案层120进行蚀刻。当二氧化硅图案层120被完全去除后，在原二氧化硅图案层120所在的位置形成有空隙160。
如图5所示，使用氢氧化钾溶液对半导体发光结构140进行侧向蚀刻。该氢氧化钾溶液的浓度为2摩尔每升(mol/L)到7摩尔每升(mol/L)之间，所述蚀刻的温度小于100度，蚀刻时间在5分钟到30分钟之间。该氢氧化钾溶液注入到半导体发光结构140之间的间隙150中，由于液体的流动性，该氢氧化钾溶液可进入二氧化硅图案层120去除后所留下的空隙160中。因此，氢氧化钾溶液可以从半导体发光结构140的侧面和底部同时进行蚀刻，可有效地使半导体发光结构140形成倒锥状的结构。所述氢氧化钾溶液对GaN的蚀刻过程的化学反应式如下：
优选地，使用2摩尔每升(mol/L)的氢氧化钾溶液，在75度的温度下对半导体发光结构140侧向蚀刻15分钟，可使半导体发光结构140形成倒锥状结构，以提高半导体发光结构140的出光效率。其中，半导体发光结构140的侧面与底板所在平面的夹角范围为57度到62度之间。
如图6所示，在半导体发光结构140的部分区域蚀刻出电极平台170。即将半导体发光结构140从p型GaN层144延伸到n型GaN层142，显露出n型GaN层142的表面。然后分别在p型GaN层144和n型GaN层142的表面制作p型接触电极171和n型接触电极172。该p型接触电极171和n型接触电极172与外界电源相连接，为半导体发光结构140提供驱动电流而使其发光。
如图7所示，将基板110沿半导体发光结构140之间的间隙进行切割，从而形成多个发光二极管晶粒100。
如图8所示，当在p型接触电极171和n型接触电极172两端施加正向电压时，p型GaN层144中的空穴和n型GaN层142中的电子将在电场的作用下在InGaN/GaN多量子阱结构143中复合，能量以光线的形式释放。当发出的光线传输到半导体发光结构140的侧面时，由于半导体发光结构140呈倒锥状结构，该结构可减小光线在半导体发光结构140侧面的入射角，从而减少光线在侧面发生的向下的全反射。因此，该倒锥状的半导体发光结构140可以避免因光线在侧面发生向下的全反射而返回发光二极管晶粒100内部的情况，提高了发光二极管晶粒100的光出射效率。如，从InGaN/GaN多量子阱结构143中发出的朝向半导体发光结构140顶部的入射角大于24.6度的光线将可以在半导体发光结构140的顶部发生全反射，然后入射到半导体发光结构140的侧面，然后从侧面出射。同时，从InGaN/GaN多量子阱结构143中发出的朝向半导体发光结构140底部的入射角大于48.6度的光线将可以在半导体发光结构140的底部发生全反射，然后再经由半导体发光结构140的侧面发生全反射后，从半导体发光结构140的顶面出射。
在上述实施例中，由于预先在半导体发光结构140的底部形成了二氧化硅图案层120。当使用缓冲蚀刻液(BOE)去除二氧化硅图案层120后，半导体发光结构140底部GaN结构的N原子表面(000-1)将可以显露出来。然后再利用氢氧化钾溶液对半导体发光结构140进行侧向蚀刻。此时，由于氢氧化钾溶液可进入半导体发光结构140的底部，该溶液可从半导体发光结构140的侧面和底部同时进行蚀刻，加快半导体发光结构140形成倒锥状结构的过程。一般情况下上述蚀刻所遗留下的蚀刻面为(10-1-1)和(11-2-2)，这两个面与(000-1)平面之间的夹角分别为57度和62度左右。因此，由于上述蚀刻过程是在半导体发光结构140的底部和侧面同时进行的，其可以在较低的温度下(小于100度)进行，从而缩短了蚀刻所用的时间。
应该指出，上述实施方式仅为本发明的较佳实施方式，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管晶粒的制作方法，其包括以下步骤：
提供一基板，基板上形成有二氧化硅图案层，该图案层将基板分割成多个外延生长区域；
在外延生长区域生长半导体发光结构，控制外延生长的条件，使相邻的半导体发光结构之间具有间隙以显露出部分二氧化硅图案层；
利用第一种蚀刻液去除二氧化硅图案层；
利用第二种蚀刻液对半导体发光结构进行侧向蚀刻，所述第二种蚀刻液注入半导体发光结构之间的间隙以及二氧化硅图案层去除后所留下的间隙中，从而使半导体发光结构形成倒锥状的结构；
在半导体发光结构的部分区域上蚀刻出电极平台，然后在半导体发光结构表面制作电极；
将基板沿半导体发光结构之间的间隙进行切割，形成多个发光二极管晶粒。
2.如权利要求1所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于，所述基板选自蓝宝石基板、碳化硅基板和氮化硅基板其中之一。
3.如权利要求2所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于，所述基板为图形化蓝宝石基板。
4.如权利要求1所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于，所述第一种蚀刻液为氢氟酸与氟化铵混合而成的缓冲蚀刻液。
5.如权利要求1所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于，所述第二种蚀刻液为氢氧化钾溶液。
6.如权利要求5所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于，在对半导体发光结构进行侧向蚀刻的过程中，所述蚀刻过程在低于100度的温度下进行。
7.如权利要求6所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于，在对半导体发光结构进行侧向蚀刻的过程中，所述氢氧化钾溶液的浓度为2摩尔每升到7摩尔每升之间，蚀刻的时间在5分钟至30分钟之间。
8.如权利要求7所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于，在温度为75度情况下，利用浓度为2摩尔每升的氢氧化钾溶液对半导体发光结构侧向蚀刻15分钟。
9.如权利要求1所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于，所述半导体结构包括沿远离基板方向依次排列的GaN缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱结构以及p型GaN层。
10.如权利要求9所述的发光二极管晶粒的制作方法，其特征在于，在电极的制作过程中，将部分半导体结构蚀刻至n型GaN层，然后在p型GaN层和n型GaN层表面分别制作p型接触电极和n型接触电极。
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