CN102956775A - 一种发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光二极管芯片及其制造方法。发光二极管芯片包括衬底、外延层、透明导电层、P电极和N电极，所述外延层包括N型GaN层、量子阱层、P型GaN层，所述芯片边缘及外延层侧面制成锯齿状，所述锯齿状部分形成于整个芯片的切割道中。制造方法是在外延层上面用光刻板进行光刻，再进行ICP刻蚀、去胶，芯片表面的切割道中形成外延层结构完整的小凸起，小凸起周围的区域被刻蚀露出N型GaN层；在芯片正面进行激光划片，形成规则的锯齿行，湿法腐蚀后完成通常芯片制作。本发明提高了发光二极管芯片出光效率，制备工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管芯片及其制造方法，特别涉及一种增加侧壁出光的发光二极管芯片及其制造方法。
背景技术
以GaN为代表的新一代半导体材料以其宽直接带隙、高热导率、高化学稳定性、低介电常数、抗辐射等特点而得到了广泛的研究和开发，尤其是以这种新型半导体材料为基础的蓝色、绿色、紫色和白色二极管的研究、生产和应用。但是由于氮化物较强的极化效应，缺乏导热的衬底材料，影响了传统的GaN LED的发光效率，导致了功率型LED在大电流密度下的发光效率和可靠性低等问题。
解决发光二极管芯片的散热问题目前采取的方法主要是外加导热金属板或添加其他散热装置进行热量的疏导，而对于发光二极管芯片出光效率的提高目前主要办法是图形衬底技术、外延粗化技术和芯片封装技术的改进，而这些改进无疑都对技术和工艺提出了更高的要求，生产成本也相应增加。公开号CN101814565A的专利文件中提出了一种通过改变激光划片频率来粗化芯片侧壁的方法，该方法在生长外延层之前对衬底进行划槽，生长外延层过程中气体容易落入划出的槽中造成参数不好；公开号为CN101789477A的专利文件中提出了一种通过改变光刻版的形状粗化芯片侧壁的方法，通过该方法做出的发光二极管芯片在裂成一个个单独芯片之前还要经过激光背面划片工艺，且该方法对改善芯片外观没有任何帮助。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种提高散热效率和出光效率的发光二极管芯片及其制造方法。
发明概述
外延片经过光刻、ICP刻蚀后，切割道中便出现了外延层完整的小凸起，而切割道中小凸起以外的区域则只剩下了N-GaN。经过激光正划、腐蚀后，切割道中就出现了规则的锯齿状，能够增加芯片出光面积，同时提高散热效率。
术语说明：
切割道：经过ICP刻蚀出现的凹槽，将外延层分割成要求的尺寸，激光在该凹槽内划片。
外延层：包括N型GaN层、量子阱层及P型GaN层。
ICP刻蚀：感应耦合等离子体刻蚀，干法刻蚀的一种，感应耦合的方式产生等离子体，用以刻蚀N区GaN，形成N台面，为电极制作做准备
发明详述
本发明的技术方案如下：
一种发光二极管芯片，包括蓝宝石衬底或SiC衬底、外延层、透明导电层(ITO)、P电极和N电极，所述外延层包括N型GaN层(N-GaN)、量子阱层、P型GaN层(P-GaN)，其特征在于，所述芯片外延层边缘及侧面制成锯齿状，所述锯齿状部分形成于整个芯片的切割道中。
优选的，芯片侧面制成正三角锯齿状，此时芯片出光效果最佳。
一种发光二极管芯片的制造方法，包括如下步骤：
(1)准备芯片：所述芯片是在衬底上生长有外延层的外延片，外延层上表面为芯片正面。
(2)光刻：在所述芯片正面用光刻板进行光刻。
(3)ICP刻蚀：对步骤(2)光刻后的芯片进行ICP刻蚀，去胶，芯片表面的切割道中形成外延层结构完整的小凸起，小凸起周围的区域则被刻蚀露出N型GaN层。
(4)激光划片：在芯片正面进行激光划片，激光划痕在相邻两行小凸起的正中间，由于P型GaN层与N型GaN层对激光的吸收不同，激光划痕产生规则的凹凸不平，在芯片正面形成规则的锯齿行。
(5)腐蚀：对划片完毕的芯片正面进行湿法腐蚀，腐蚀5-30min，使锯齿进一步扩大，形成以小凸起为顶点的锯齿状(如图2所示)。
通过控制激光划痕位置使划痕恰好位于两行小凸起之间。相对于一般芯片，本发明的芯片边缘出现了规则的锯齿状，裂片后在侧面也是规则的锯齿状，大大增加了出光面积，同时提高了散热效率。本发明特别适用于二元GaN、SiC芯片等。
步骤(1)中所述衬底为蓝宝石衬底或SiC衬底。
优选的，步骤(3)所述小凸起为圆形、正方形或菱形。
优选的，步骤(3)所述小凸起直径或边长为3-10μm，一行之内小凸起的间距为6-15μm。
优选的，步骤(3)所述小凸起在每个切割道中有2-8行，位于切割道中间，与切割道平行，行与行之间的间距相等，间距为8-40μm。
优选的，步骤(3)中ICP刻蚀深度为
进一步优选，
优选的，步骤(4)中激光划片深度为20-40微米；进一步优选，30-35微米。
优选的，步骤(4)中的凹凸不平的形貌以小凸起为顶点，即有小凸起的地方为凸出的地方，没有小凸起的地方为凹陷的地方，整个外延层都是该形貌，从正面看，呈现规则的锯齿状。
优选的，步骤(5)中所述的湿法腐蚀是使用温度范围为150℃-200℃的磷酸、熔融的氢氧化钾、80℃-130℃的氢氧化钾溶液或光化学法进行腐蚀。所述湿法腐蚀的优选时间为5-15min。
根据本发明，在具有小凸起的外延层表面按现有技术制作透明导电层、P/N电极。
根据本发明，在后序裂片工序中无需激光背面划片，可直接进行背面裂片。
本发明的优良效果：
与现有技术相比，特别是CN101814565A相比本发明提供的发光二极管芯片制作更容易，且不影响芯片参数；与CN101789477A相比在后序裂片工序中裂成一个个小芯片之前无需激光划片，可直接背面裂片，节约生产成本同时大大的改善了芯片外观。本发明还显著提高了发光二极管芯片出光效率、散热效率，制备工艺步骤简单，容易操作，有利于大批量生产。本发明提供的发光二极管芯片，出光效率比传统工艺芯片提高20％以上。
附图说明
图1为整个芯片整体结构俯视图；
图2为图1中任意一个切割道点a附近光刻完毕的放大图(俯视图)；
图3为图1中任意一个激光划痕交叉点点a腐蚀完毕的放大图(侧视立体图)；
图4中步骤I-III为本发明提供的发光二极管芯片制作过程示意图；
图5为现有发光二极管芯片外延层内部光反射示意图(俯视图)；
图6为本发明提供的发光二极管芯片出光示意图(俯视图)。
图2中，1为外延层结构完整的台面，在该台面上做正常芯片工艺，例如，制作透明导电层、P/N电极等；2为切割道中的小凸起；3为被ICP刻蚀后的裸露N型GaN的外延层；4为切割道中外延层全部被腐蚀掉的部分，该处是裸露的衬底；图3中5为激光划痕，6为规则的凹凸不平的锯齿状形貌，7切割道区域(虚线椭圆所盖住的区域)；8为小凸起；图4中9为激光划痕，10为P电极，11为透明导电层，12为N电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细地说明，但不限于此。
实施例1：
一种发光二极管芯片，包括蓝宝石衬底、N型GaN层(N-GaN)、量子阱层、P型GaN层(P-GaN)、透明导电层ITO、P电极和N电极。所述芯片外延层(包括N型GaN层、量子阱层及P型GaN层)边缘被做成锯齿状，裂片后在单个芯片侧面也是规则的锯齿状，所述锯齿状的部分形成于整个芯片的切割道中，如图4所示。
制造顺序是：生长外延层-光刻-ICP刻蚀-激光划片-腐蚀-制作透明导电层、P/N电极。步骤如下：
(1)按现有技术在衬底上生长由N-GaN层、量子阱层、P型GaN层等组成的外延层。
(2)对芯片用光刻板进行光刻，使芯片切割道以外的区域、切割道中圆形小凸起上的区域均用光刻胶保护，切割道中小点以外的区域无光刻胶保护，如图2所示，图中区域1和2有光刻胶保护，区域3无光刻胶保护。小凸起直径为5μm，一行之内小凸起的间距为7μm。所述小凸起在每个切割道中有6行，位于切割道中间，与切割道平行，行与行之间的间距相等，间距为10μm。
(3)对光刻后的芯片进行ICP刻蚀，刻蚀深度为
此时，被光刻胶保护的区域仍保留有完整的外延层，无光刻胶保护的区域裸露出N-GaN层。
(4)在芯片外延层表面沿切割道进行激光划片，激光划片深度为30微米，激光划痕5在最中间两行小凸起的正中间，由于P-GaN和N-GaN对激光的吸收不一样，呈现锯齿状。
(5)使用温度范围为150℃-200℃的热磷酸，对划片完毕的芯片进行10min的湿法腐蚀，此时，芯片外延层表面激光划片留下的黑色烧蚀物被去掉，激光划痕的锯齿状被扩大，芯片外延层表面的切割道中出现规则的正三角锯齿。
(6)在具有小凸起的外延层表面按现有技术制作透明导电层、P/N电极等。
由于常规芯片的侧壁是竖直的，当辐射出的光子p以入射角θ1到达第一壁w1，经反射后会以入射角θ2到达第二壁w2(即侧壁)，再次反射后会以入射角θ3到达第三壁w3，则由入射角θ2＝90°-θ1，θ3＝θ1，而对于常用的氮化镓材料的LED芯片，其光逃逸锥形临界角约为23.5°，因此，只要光子p的入射角θ1满足条件：23.5°＜θ1＜66.5°，其会因不断地被各壁反射而导致能量在芯片内消耗，最终无法出光，降低了出光效率。参见图5。
本发明的发光二极管芯片出光示意图参见图6，到达第二壁即侧壁w2的光子，由于侧壁是倾斜的，改变了原有路线，因此只要入射光子的角度垂直于侧壁，光子就可出去，增加出光效率。
本实施例芯片带有小凸起且外延层侧壁锯齿状，能使芯片光功率提高20％以上。
实施例2：
一种发光二极管芯片的制造方法，包括如下步骤：
(1)准备芯片：芯片是在SiC衬底上生长有外延层N型GaN层、量子阱层及P型GaN层的外延片，外延层上表面为芯片正面。
(2)光刻：在所述芯片正面用光刻板进行光刻。
(3)ICP刻蚀：对步骤(2)光刻后的芯片进行ICP刻蚀，刻蚀深度为
去胶，芯片表面的切割道中形成外延层结构完整的菱形小凸起，小凸起周围的区域则被刻蚀露出N型GaN层。小凸起边长为6μm，一行之内小凸起的间距为9μm。所述小凸起在每个切割道中有8行，位于切割道中间，与切割道平行，行与行之间的间距相等，间距为12μm。
(4)激光划片：在芯片正面进行激光划片，激光划片深度为35微米，激光划痕在相邻两行小凸起的正中间，由于P型GaN层与N型GaN层对激光的吸收不同，激光划痕产生规则的凹凸不平，形成规则的锯齿状。
(5)腐蚀：对划片完毕的芯片正面进行湿法腐蚀，所述湿法腐蚀是使用温度范围为80-130℃氢氧化钾溶液，腐蚀时间为10min，锯齿状进一步扩大，形成以小凸起一角为顶点的锯齿状。
(6)在具有小凸起的外延层表面做正常芯片工艺，制作透明导电层、P/N电极等。按现有技术即可。
Claims (10)
1.一种发光二极管芯片，包括蓝宝石衬底或SiC衬底、外延层、透明导电层(ITO)、P电极和N电极，所述外延层包括N型GaN层(N-GaN)、量子阱层、P型GaN层(P-GaN)，其特征在于，所述芯片边缘及外延层侧面制成锯齿状，所述锯齿状部分形成于整个芯片的切割道中。
2.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于所述单个芯片外延层侧面制成正三角锯齿状。
3.一种权利要求1所述的发光二极管芯片的制造方法，包括如下步骤：
(1)准备芯片：所述芯片是在衬底上生长有外延层的外延片，外延层上表面为芯片正面；
(2)光刻：在所述芯片正面用光刻板进行光刻；
(3)ICP刻蚀：对步骤(2)光刻后的芯片进行ICP刻蚀，去胶，芯片表面的切割道中形成外延层结构完整的小凸起，小凸起周围的区域则被刻蚀露出N型GaN层；
(4)激光划片：在芯片正面进行激光划片，激光划痕在相邻两行小凸起的正中间，由于P型GaN层与N型GaN层对激光的吸收不同，激光划痕产生规则的凹凸不平，在芯片正面形成规则的锯齿行；
(5)腐蚀：对划片完毕的芯片正面进行湿法腐蚀，腐蚀5-30min，激光划痕上的锯齿进一步扩大，形成以小凸起为顶点的锯齿状。
4.如权利要求3所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤(3)所述小凸起为圆形、正方形或菱形。
5.如权利要求3所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤(3)所述小凸起直径或边长为3-10μm，一行内小凸起的间距为6-15μm。
6.如权利要求3所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤(3)所述小凸起在每个切割道中有2-8行，位于切割道中间，与切割道平行，行与行之间的间距相等，间距为8-40μm。
7.如权利要求3所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤(3)中ICP刻蚀深度为
优选，
8.如权利要求3所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤(4)中的激光划痕与最中间两行小凸起的间距相等。
9.如权利要求3所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤(4)中激光划片深度为20-40微米；优选，30-35微米。
10.如权利要求3所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于步骤(5)中所述的湿法腐蚀是使用温度范围为150℃-200℃的磷酸、熔融的氢氧化钾或80℃-130℃的氢氧化钾溶液进行腐蚀；所述湿法腐蚀的时间为5-15min。
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