CN102569543A - 一种发光二极管芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发光二极管芯片的制作方法，首先，生长外延结构之前在衬底表面形成沟道，所述沟道把衬底表面分割成表面积与最终芯片大小基本一致的若干生长岛；然后，通过生长的方法在生长岛形成侧壁倾斜的外延结构；最后，形成了若干发光二极管芯片。该方法不需要后期进行划片，可以减少掩膜的使用以及避免在划片过程中对外延结构的损伤，且本方法也不需要在后期对外延结构进行腐蚀工艺或者激光工艺等处理形成倾斜侧壁，节约了制作工序，降低了生产成本、提高了生产效率，并且该倾斜侧壁是自然形成，能够免除刻蚀工艺或者激光切割工艺对外延结构的影响，进一步提高出光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光技术领域，尤其涉及一种发光二极管芯片的制作方法。
背景技术
发光二极管作为新一代光源备受瞩目。发光二极管一般用通过激发电子与空穴复合将电能转化为光能，转化效率高，具有节能、光强度大等诸多优点，一般该发光二极管芯片包括衬底和位于衬底上的外延层。
一般以氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)和氮化铝铟镓(AlGaInN)为主的III-V族氮化物材料具有连续可调的直接带宽为0.7～6.2eV，覆盖了紫外到红外的广泛的光谱范围，是制作蓝光、绿光和白光发光器件的理想材料。现有的以蓝宝石为衬底的常规GaN基发光二极管芯片，如图1所示，其结构为：在一蓝宝石衬底层5的一表面形成一层n型GaN层4，n型GaN层4的相背于所述衬底层5表面的一面形成一层发光层3，发光层3的相背于所述衬底层5表面的一面形成一层p型GaN层2。在p型GaN层2的上表面设置有一p电极1。用蚀刻技术依次将部分p型GaN层2、发光层3除去，露出n型GaN层4。在露出的n型GaN层4的上表面设置有一n电极6。p电极1和n电极6位于蓝宝石衬底5的同一侧。半导体发光器件工作时，电流从p电极1经过p型GaN层2、发光层3、n型GaN层4到达n电极6，达到发光的目的。
一般该GaN基发光二极管芯片的形成方法如下：通过MOCVD(金属有机化学气相沉积工艺)方法在2英寸的蓝宝石衬底上分别形成上述各GaN层成为GaN外延层，再对该GaN外延层进行刻蚀部分P型GaN层2和发光层3，露出n型GaN层4，然后制作p电极1和n电极6；再后，在该蓝宝石的背面进行激光切割，形成若干崩裂道，最后，放入崩裂机中进行依照崩裂道崩裂，得到若干上述发光二极管芯片。这种制作方法，会存在熔渍残留影响发光二极管芯片的出光效率并且切割时的高温也会对各GaN层造成不利影响，降低内量子效率，进一步降低出光效率。
发明内容
本发明为解决现有技术中发光二极管芯片出光效率较低技术问题，提供一种发光二极管芯片的制作方法。
本发明的发光二极管芯片的制作方法，包括如下步骤：
步骤一、提供一衬底；在衬底表面通过蚀刻或者激光划片工艺形成若干沟道，所述沟道把衬底表面分割成表面积与最终芯片大小基本一致的若干生长岛；
步骤二、控制外延结构的横向生长速率与纵向生长速率比例，在所述生长岛上形成侧壁倾斜的外延结构，所述外延结构包括形成于所述生长岛上的第一半导体层、发光层和第二半导体层；
步骤三、在所述第一半导体层和第二半导体层上分别形成第一电极和第二电极；
步骤四、在衬底的另一面进行减薄处理，减薄到预设厚度；
步骤五、依照所述沟道进行崩裂，形成发光二极管芯片。
本发明提供的另一种发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
步骤一、提供一衬底；在衬底表面通过蚀刻或者激光划片工艺形成若干沟道，所述沟道把衬底表面分割成表面积与最终芯片大小基本一致的若干生长岛；
步骤二、控制外延结构的横向生长速率与纵向生长速率比例，在所述生长岛上形成侧壁倾斜的外延结构，所述外延结构包括形成于所述生长岛上的第一半导体层、发光层和第二半导体层；
步骤三、在第二半导体层上形成第二电极；
步骤四、去除衬底，在第一半导体层上形成第一电极，形成发光二极管芯片。
本实施例的发光二极管芯片的制作方法，首先，生长外延结构之前在衬底表面制备沟道(具有用于崩裂和形成生长岛之功效)而形成若干生长岛，然后，通过生长的方法在生长岛上形成侧壁倾斜的外延结构，最后，形成了若干发光二极管芯片，该方法不需要后期进行划片，可以减少掩膜的使用以及避免在划片过程中对外延结构的损伤，且本方法也不需要在后期对外延结构进行腐蚀工艺或者激光工艺等处理形成倾斜侧壁，节约了制作工序，降低了生产成本、提高了生产效率，并且该倾斜侧壁是自然形成，能够免除刻蚀工艺或者激光切割工艺对外延结构的影响，进一步提高出光效率。
附图说明
图1是现有技术提供的发光二极管芯片结构示意图；
图2是本发明实施例提供的衬底局部俯视图；
图3是本发明实施例的生长岛俯视图；
图41至46是本发明实施例的发光二极管芯片制作流程中结构示意图；
图5是本发明实施例的一种发光二极管芯片结构示意图；
图6是本发明实施例的发光二极管芯片的制作流程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一般发光二极管芯片分为水平结构的芯片和竖直结构的芯片。该水平结构的芯片包括衬底、形成于衬底上的外延结构以及用于向外延结构传输电能第一电极和第二电极。该竖直结构的芯片包括外延结构和用于向外延结构传输电能第一电极和第二电极。该外延结构一般包括但不限于n型半导体层、发光层和p型半导体层。该第一电极与n型半导体层电连接；该第二电极与p型半导体层电连接。该半导体层的材料有很多种，视要求而定。一般该半导体层的材料为以氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)和氮化铝铟镓(AlGaInN)为主的III-V族氮化物材料。下面以GaN材料为例进行说明。
实施例一
请参照图6以及图41至图46，本发明实施例的发光二极管芯片的制作方法具体如下：
步骤S1，提供一衬底100，如图41所示，该衬底100为适合生长GaN半导体层的衬底，一般有蓝宝石衬底、硅衬底和碳化硅衬底等。本实施例优选该衬底100为蓝宝石衬底。衬底的大小一般为2英寸、4英寸或者6英寸。本实施例优选该蓝宝石衬底的大小为4英寸，性价比较高，增加产出量，降低成本。
步骤S2，如图2和图42所示，在衬底表面通过蚀刻或者激光划片工艺形成若干沟道110，所述沟道110把衬底表面分割成表面积与最终芯片大小基本一致的若干生长岛120，所述沟道110的深度为15～40微米、宽度为5～10微米。该蚀刻工艺可以为湿法蚀刻和干法蚀刻。本实施例中表面积基本一致，是指生长岛120的表面积与最终芯片大小并非完全意义上的尺寸丝毫不差，而是指生长岛的表面积基本决定了发光二极管芯片的最终尺寸，由生长及后续步骤使发光二极管芯片的最终尺寸与所述生长岛之间的微小差距，是可以忽略的。本实施例中的沟道110的作用为限定出若干生长岛120，其具体形式可以较为灵活，只要满足要求即可。
本步骤中该沟道的形成方法优选采用激光划片，该激光波长优选355nm的紫外激光器。该紫外激光器按照预定的路径进行切割划片，在一整块衬底表面上形成若干生长岛120，该生长岛120的大小与最终形成的芯片大小相当(是指表面积大小基本一致，本实施例中的基本一致，是允许有点误差的。)。该生长岛120的形状决定了最终芯片的形状，对芯片出光效率有重要影响。一般该生长岛120的形状为矩形，如图2。为了进一步提高最终芯片的出光效率，该生长岛的侧壁可以为锯齿形或者波浪形或者其他不规则形状(如是俯视该生长岛时，可以看见该生长岛的边缘为锯齿形等不规则形状)，如图3所示，该图示出本发明实施例的另一种生长岛俯视图，该生长岛120’左右两侧形状决定了最终芯片中外延结构的侧壁在该两侧的形状，增加了出光效率。进一步，该生长岛的侧壁优选符合衬底晶体角度的锯齿形状即所述生长岛的锯齿状侧壁为蓝宝石的晶面，这样，不仅保障侧壁边缘的晶体质量，同时最终芯片的外延结构的侧壁也就随着该生长岛的侧壁而自然变动，减少光线在LED结构中发生全反射的几率，进而增加出光效率。该不规则形状的生长岛120’可以采用脉冲激光器实现，该脉冲激光器的波长与上面相同，通过调节该脉冲激光器的脉冲频率，使激光间断地作用在衬底100表面，即相当于在衬底100的表面打点，实现该不规则形状的生长岛120’。本发明的脉冲频率为8KHZ到9KHZ，切割效果好、方便操作且效率高。
该沟道110的深度为15～40微米，可以释放外延生长过程中应力，提高外延层的晶体质量，提高发光二极管芯片的出光效率，同时也保证生长岛120在外延生长过程中不被连接上，岛与岛之间还是具有间隙(即沟道110)，本实施例中优选该沟道110的深度为30微米。
该沟道110的宽度为5～10微米，是根据生长岛侧壁的倾斜程度与外延层的整体厚度设置，以保障生长岛120的侧壁有足够的延伸空间。若该沟道110的宽度过小的话，容易导致生长岛上的外延材料侧壁倾斜程度过小，若该沟道110的宽度过大的话，该衬底利用率又变小成本增加，因此，经过发明人研究发现：沟道110的宽度为5～10微米可以很好的满足要求。进一步，本实施例优选该沟道110的宽度为8微米。
进一步，所述步骤S1与S2之间或者步骤S2和S3之间即在形成沟道之前或者之后，还包括在生长岛上形成图形化微结构的步骤，这个步骤旨在提高底部反光和提高晶体质量之用。该图形化微结构可以通过蚀刻或者激光工艺形成。该图形有圆台，三角台等。
步骤S3，清洗衬底100。该步骤将衬底中污物去除，有利于提高外延结构的晶体质量。该清洗可以采用热的强酸溶液或者热的强碱溶液作为清洁剂进行湿法腐蚀清洗，此外，还可以采用激光清洗的方法，通常激光清洗可以利用激光清洗装置完成，该激光清洗能有效去有机物、油污等，对衬底无污染，可以利用KrF准分子激光对衬底进行清洗。本实施例优选：采用硫酸96wt％(H2SO4)和磷酸(H3PO4)86wt％以3∶1的体积比混合，在300摄氏度对衬底腐蚀清洗，时间为1-5分钟，可以清洁激光划片形成的沟道的侧壁上的熔渍及衬底相关污物，同时形成粗糙的沟道的侧壁，增加出光效率。
步骤S4，如图43所示，在所述生长岛120上生长形成侧壁倾斜的外延结构200。外延结构200的生长方法有很多种，例如采用MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)、HVPE(氢化物气象外延)、或MBE(分子束外延)等进行生长。本实施例优选采用MOCVD工艺进行生长。该外延结构200包括第一半导体层、发光层、第二半导体层。本实施例中，第一半导体层和第二半导体层可以分别为P型氮化镓和N型氮化镓中的一种，优选第一半导体层为N型氮化镓，第二半导体层P型氮化镓材料。发光层为掺铟的氮化镓和本征氮化镓组合而成的多重量子阱结构或者氮化铟镓单量子阱结构。作为更有效果的外延结构200，进一步，在该生长岛和第一半导体层之间还包括本征的氮化镓层。在发光层和第二半导体层之间包括阻碍电子运动以得到电流均匀扩散作用得P型层的氮化铝镓层。
该生长侧壁倾斜的外延结构200的思路是调节压力与原料三五族比例，控制外延结构横向生长速率与纵向生长速率比例V，控制该比例V在1∶4到4∶1范围。请参照图46或图5，一般要求该外延结构200的侧壁与生长岛的夹角(β，β’)在105度至165度之间，以减小本发明实施例生产的发光二极管芯片产生的光的全反射的概率，其中优选夹角为116度，效果更佳。该侧壁与生长岛的夹角是指侧壁的切线与生长岛的夹角。该切线是指过该侧壁与生长岛相交处的点与侧壁相切的线。
本发明实施例中，在外延结构厚度的前80％(第一段侧壁)的生长过程中，横向生长速率与纵向生长速率比例为V1，在剩下的外延结构(第二段侧壁)的生长过程中，横向生长速率与纵向生长速率比例为V2，该V1大于V2，使外延结构具有两段不同倾斜的侧壁，该第二段侧壁的倾斜度更接近于竖直，可以保证发光层边沿不存在漏电现象，增加发光二极管芯片的可靠性。控制横向生长速率与纵向生长速率比按线性规律变化，则得到倾斜平面，一般要求该横向生长速率要先小后大，形成上大下小的倒金子塔状；控制横向生长速率与纵向生长速率按曲线规律变化，则得到倾斜曲面；所以，这样得到的外延侧壁可以形成平面形状、弧面形状侧壁以及波浪状侧壁，保障晶体质量良好前提下，可以在生长岛的边缘得到有一定角度的外延侧壁结构，降低光线在LED中的反射次数，提高LED的出光效率。
当然，该外延结构也可以为下大上小的金字塔形。
步骤S5，在所述第一半导体层和第二半导体层上分别形成第一电极和第二电极。
请参照图44，本实施例为本发明的水平结构的芯片的示例，本步骤具体如下：首先，采用湿法蚀刻或者干法蚀刻的方法将第二半导体层和发光层部分去除露出第一半导体层，然后在露出的第一半导体层和第二半导体层上分别制备第一电极300和第二电极400。该第二电极400的材料优选金或者金合金。该第一电极300的材料为铝合金。
步骤S6，如图45所示，在衬底的另一面进行减薄处理，减薄至预设厚度。该预设厚度本实施例优选为从衬底底部到外延结构的表距离为100微米；本实施例优选采用研磨抛光的方法对衬底进行减薄处理。减薄至100微米，便于崩裂机崩裂。
步骤S7，按照所述沟道进行崩裂，形成若干发光二极管芯片。图46所示出的是水平结构的芯片结构，该水平结构的芯片包括衬底100和位于衬底上的侧壁倾斜的外延结构200以及第一电极300、第二电极400。
本实施例的发光二极管芯片的制作方法，首先，生长外延结构之前在衬底表面形成沟道(具有用于崩裂和形成生长岛之功效)，然后，通过生长的方法形成侧壁倾斜的外延结构，最后，直接崩裂形成了若干水平结构的芯片。也就是本发明实施例的具有倾斜侧壁的发光二极管芯片制作方法，不需要后期进行划片，可以减少掩膜的使用以及避免在划片过程中对外延结构的损伤，且本方法也不需要在后期对外延结构进行腐蚀工艺或者激光工艺等处理形成倾斜侧壁，节约了制作工序，降低了生产成本、提高了生产效率，并且该倾斜侧壁是自然形成，能够免除刻蚀工艺或者激光切割工艺对外延结构的影响，进一步提高出光效率。
实施例二
本实施例是提供具有倾斜侧壁的垂直结构的芯片的制作方法。
本实施例的方法中步骤S1’至S4’与实施例一中的步骤S1至步骤S4是相同的。本实施例的方法在步骤S4’之后的步骤S5’如下：
步骤S5’，对于垂直结构的芯片的示例，图5为本发明实施例的一种发光二极管芯片结构示意图，请参照图5，本步骤具体如下：首先，在每个生长岛上的第二半导体层上形成第二电极；然后，去除衬底，在第一半导体层上形成第一电极，形成垂直结构的芯片。该去除衬底的方法，可以通过激光去除或者研磨加蚀刻的方法去除。该第二电极的材料优选金或者金合金。该第一电极的材料为铝合金。
该垂直结构的芯片，不需要后期进行划片，可以减少掩膜的使用以及在划片过程中对外延结构的损伤，不用通过刻蚀或者激光切割形成倾斜侧壁，具有减少工艺步骤的优点，能够节约成本，并且该倾斜侧壁是自然形成，能够免除刻蚀工艺或者激光切割工艺对外延结构的影响，提高出光效率。因此，本发明的垂直结构芯片的制作方法具有成本低、出光效率高的优点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (17)
1.一种发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、提供一衬底；在衬底表面通过蚀刻或者激光划片工艺形成若干沟道，所述沟道把衬底表面分割成表面积与最终芯片大小基本一致的若干生长岛；
步骤二、控制外延的横向生长速率与纵向生长速率比例，在所述生长岛上形成侧壁倾斜的外延结构，所述外延结构包括形成于所述生长岛上的第一半导体层、发光层和第二半导体层；
步骤三、在所述第一半导体层和第二半导体层上分别形成第一电极和第二电极；
步骤四、在衬底的另一面进行减薄处理，减薄到预设厚度；
步骤五、依照所述沟道进行崩裂，形成发光二极管芯片。
2.如权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述沟道的深度为10～50微米、宽度为5～20微米。
3.如权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述横向生长速率与纵向生长速率比为V，控制V在4∶1～1∶4之间。
4.如权利要求3所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，在外延结构厚度的前80％的生长过程中，所述横向生长速率与纵向生长速率比为V1；在外延结构剩下的生长过程中，所述横向生长速率与纵向生长速率比为V2，所述V1大于V2。
5.如权利要求1-4任一项所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述外延生长的工艺为金属有机化学气象沉积工艺或者氢化物气象外延工艺。
6.如权利要求1-4任一项所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，步骤一与步骤二之间还包括将衬底进行清洗的步骤。
7.如权利要求1-4任一项所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，步骤一采用频率为8KHZ至9KHZ的脉冲式激光器进行划片形成沟道。
8.如权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述生长岛的侧壁为锯齿状或者波浪状。
9.如权利要求8所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底，所述生长岛的锯齿状侧壁为蓝宝石的晶面。
10.如权利要求1-4任一项所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述步骤一中还包括在形成沟道之前或者之后，在生长岛上形成图形化微结构的步骤。
11.如权利要求1-4任一项所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述外延结构的侧壁与生长岛之间的角度为105度至165度之间。
12.一种发光二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、提供一衬底；在衬底表面通过蚀刻或者激光划片工艺形成若干沟道，所述沟道把衬底表面分割成表面积与最终芯片大小基本一致的若干生长岛；
步骤二、控制外延的横向生长速率与纵向生长速率比例，在所述生长岛上形成侧壁倾斜的外延结构，所述外延结构包括形成于所述生长岛上的第一半导体层、发光层和第二半导体层；
步骤三、在第二半导体层上形成第二电极；
步骤四、去除衬底，在第一半导体层上形成第一电极，形成发光二极管芯片。
13.如权利要求12所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述沟道的深度为10～50微米、宽度为5～20微米。
14.如权利要求12所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述步骤一中还包括在形成沟道之前或者之后，在生长岛上形成图形化微结构的步骤。
15.如权利要求12所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述横向生长速率与纵向生长速率比为V，控制V在4∶1～1∶4之间。
16.如权利要求15所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，在外延结构厚度的前80％的生长过程中，所述横向生长速率与纵向生长速率比为V1；在外延结构剩下的生长过程中，所述横向生长速率与纵向生长速率比为V2，所述V1大于V2。
17.如权利要求12-16任一项所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述外延结构的侧壁与生长岛之间的角度为105度至165度之间。
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