CN103000770A - 一种控制阵列式高压led侧壁倾斜角度的新工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造阵列式高压LED芯片(HV-LED)过程中控制侧壁倾斜角度的新工艺，通过湿法刻蚀的方法在二氧化硅掩膜的侧壁形成大角度倾斜，然后再复制到LED外延层上，实现HV-LED中微单元的倾斜侧壁结构。

Description

一种控制阵列式高压LED侧壁倾斜角度的新工艺

技术领域

本专利涉及一种制造阵列式高压LED芯片(HV-LED)过程中控制侧壁倾斜角度的新工艺。 

背景技术

最近发展起来的阵列式高压LED芯片(HV-LED)技术采用了新型的微单元阵列结构，构成LED芯片的每一个微单元因为被通过离子束刻蚀形成的沟槽环绕，而独立发光，同时，相互之间又经金属桥联取得电流级联，通过串-并联组合的方式构成预先设计的电路结构，承载预定的交直流(高)电压，工作发光，因此，虽然单晶粒LED发光芯片驱动电压在4V以内，HV-LED的阵列设计方案可以通过改变微单元的数量和串并联电路结构，满足更高的驱动电压要求。其功能和性价比大幅度超越了普通的半导体二极管光源：由于无需(像普通二极管那样)通过恒定低压(≤4伏)直流(DC)供电，HV-LED芯片产品可以在没有任何额外变压稳流设施的条件下，直接连接10-220伏范围内的交直流(AC/DC)电源来实现驱动，且具备高效、大功率、高功率因数校正、结构紧凑、散热优良、工作寿命长和低成本的特点，极大地扩展了HV-LED芯片在市电照明、汽车灯具、航空舰船照明和仪表显示、以及医疗器械特殊光源的应用[1]。 

在高亮度、高效率HV-LED芯片的设计和制造过程，有两个关键因素：一是解决保证阵列中微单元之间的低电阻电流级联，二是提高芯片的光提取率。对于HV-LED的金属连接来说，如何能够保证连接的稳定性和可靠性决定了批量产业化过程中优良器件产出率。对于芯片中不同LED微单元的连接，金属走线需要爬上至少5微米的高台，连接2个相邻微单元器件的P型区和N型区。为了保证连接的可靠性，HV-LED采用倾斜侧壁结构设计[1]。 

LED芯片的光提取效率通常受到如下限制：光产生在GaN材料的内部，由于 材料的反射率高于外界，因此大部分辐射光子被全反射回来，从而使这些光子困在了GaN材料中。另外，相当一部分被困光子沿着GaN外延层传播，这些光子被夹在折射率较低的空气和蓝宝石基地之间，最终被浪费掉。典型的GaN基LED光反射量可达到光产生量的90％。为了解决GaN LED的内在限制，许多方法已经在传统的单晶粒LED结构中被采用，包括表面粗糙化、图形蓝宝石衬底上GaN外延生长以及光子晶体图形整合等，其目的是为了干扰全反射并为光子穿越界面提供有利条件。而HV-LED芯片的所特有的微单元倾斜侧壁结构，可通过侧壁全反射使光子在有一定倾角的GaN和空气界面偏转，光子横向传播到台面边缘时将被侧壁偏转，从而使光子在蓝宝石衬底表面的法线方向发射。这些引导-偏转光子将与直接从LED表面发射出的光子融合，进而大幅度提高表面发射率[2]。 

由于倾斜侧壁在阵列HV-LED器件中起了很重要的作用，需要进行特殊的处理。目前主要采用的是回流工艺[3]，首先，利用标准光刻技术在LED台面阵列上涂制一层5-10微米厚的光刻胶。然后在高温下对光刻胶图案进行回流工艺操作。回流工艺可以使光刻胶侧壁形成特定的角度。然后在高密度等离子气体中，GaN的外延层通过刻蚀“复制”出相应的角度，实现倾斜侧壁。但回流工艺对环境条件(样品温度、环境湿度、刻蚀工艺参数、曝光条件等)的依赖性很高，大大增加了HV-LED的制造成本，此外，回流工艺处理的光刻胶掩膜在经过电感耦合(ICP)等离子体刻蚀GaN过程后往往产生硬化和胶联，变得很难去除，严重降低了HV-LED芯片的产率。 

参考文献 

1.J.-P.Ao et al.，“Monolithic blue LED series arrays for high-voltageAC operation，”Physica Status Solidi A，vol.194，no.2，pp.376-379，2002. 

2.C.F.Lin，J.J.Dai，R.H.Jiang，J.H.Zheng，Z.J.Yang，C.C.Yu，and W.C.Lee，“Photoelectrochemical sidewall etching enhances lightoutput power in GaN-based light emitting diodes”，phys.stat.sol.(c)3，No.6，2182-2186(2006) 

3.Jae-Soong Lee，Joonhee Lee，Sunghwan Kim，and Heonsu Jeon，“GaNLight-Emitting Diode with Deep-Angled Mesa Sidewalls for Enhanced LightEmission in the Surface-Normal Direction”，IEEE TRANSACTIONS ONELECTRON DEVICES，VOL.55，NO.2，2008，pp.523-526 

发明内容

本发明采用一种新的二氧化硅掩膜技术来控制GaN侧壁倾角，较传统的光刻胶回流工艺更加简单可靠，容易操做，且成本降低。更为重要的是，新的工艺过程从根本上消除了光刻胶污染的可能性，可大幅度提高HV-LED芯片的产率。 

本发明的技术核心是通过湿法刻蚀的方法在二氧化硅掩膜的侧壁形成大角度倾斜，然后再复制到LED外延层上，实现HV-LED中微单元的倾斜侧壁结构。具体包括下列工艺步骤：(1)在蓝宝石基的LED外延异质层(epitaxially grownLED heterostructure)表面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成不少于0.1微米二氧化硅薄膜；(2)在二氧化硅薄膜表面覆盖光刻胶层，再利用标准光刻工艺形成光刻胶图案；(3)以光刻胶图案为掩模板，利用一定浓度的Hydrofluoric Acid(HF)刻蚀二氧化硅薄膜，形成预先设计的图案，并在侧壁产生预先设定的倾斜角度；(4)用溶剂法清除光刻胶图案，再以二氧化硅薄膜图案为掩膜，使用上下电极双射频源的电感耦合(ICP)等离子体刻蚀设备， 刻蚀LED外延异质层至蓝宝石衬底；二氧化硅的倾斜侧壁按1∶x的比例复制到LED外延异质层上。其中x是ICP等离子体刻蚀GaN和二氧化硅的速率比；(5)利用HF刻蚀二氧化硅薄膜，彻底清除LED晶元表面的二氧化硅掩膜。整个工艺步骤的流程图如图1所示。 

在本工艺步骤里，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成二氧化硅模板的侧壁倾角(θ_SiO2)可以通过改变HF刻蚀条件，包括溶液浓度、刻蚀温度和时间等参数，得到精确控制；而ICP等离子体刻蚀GaN和二氧化硅的速率比x可通过改变反应离子刻蚀的参数，包括反应气体种类、气体流速、气压和电压，而实现控制；而阵列HV-LED中微单元的台面侧壁倾角(θ_GaN)可由下列公式确定： 

$\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{GaN}}=\frac{\tan {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{SiO}2}}{x}$

由PECVD生长的二氧化硅掩膜在LED外延异质层表面可以使用BufferedHydrofluoric Acid(BOE)完全清除，没有污染的隐患，保证了侧壁形成工艺步骤的低成本、可靠性和高产率。图2是本工艺步骤中二氧化硅模板侧壁的电子显微镜照片，显示了模板的倾斜侧壁结构；图3是利用本发明的制造工艺形成的阵列HV-LED中微单元的台面侧壁，显示了≈35°的倾角。图4显示了利用本发明的制造工艺所形成的HV-LED中的微单元阵列。 

附图说明

图1：HV-LED倾斜侧墙制造工艺流程图。 

图2：二氧化硅掩模侧壁的电子显微镜照片，显示掩模板的倾斜侧壁结构。 

图3：利用本发明的制造工艺形成的阵列HV-LED中微单元的台面侧壁，显示较大的倾角。 

图4：利用本发明的制造工艺形成的HV-LED中微单元阵列。 

具体实施方式

实施举例：在本例里，将通过上述专利技术，过湿法刻蚀的方法在二氧化硅掩膜的侧壁形成大角度倾斜，然后再复制到LED外延层上，实现HV-LED中微单元的倾斜侧壁结构，作为实例，步骤如下：首先，在蓝宝石基的LED外延异质层(epitaxially grown LED heterostructure)表面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成1.2微米二氧化硅薄膜；然后，在二氧化硅薄膜表面覆盖光刻胶层(Shipley PR1827)～2.5微米，再利用标准光刻工艺形成光刻胶图案；然后，以光刻胶图案为掩模板，利用按一定比例稀释的Hydrofluoric Acid(HF)(HF∶H2O＝1∶5)刻蚀二氧化硅薄膜，形成预先设计的图案，并在侧壁产生预先设定的倾斜角度；然后，用溶剂法清除光刻胶图案，再以二氧化硅薄膜图案为掩膜，使用上下电极双射频源的电感耦合(ICP)等离子体刻蚀设备，刻蚀LED外延异质层至蓝宝石衬底；二氧化硅的倾斜侧壁按1∶5的比例复制到LED外延异质层上，其中ICP等离子体刻蚀GaN和二氧化硅的速率比为1∶5；最后，利用HF刻蚀二氧化硅薄膜，彻底清除残余在LED晶元表面的二氧化硅掩膜。 

Claims (6)

1.一种制造阵列式高压LED芯片(HV-LED)过程中控制侧壁倾斜角度的新工艺.其特征在于：通过湿法刻蚀的方法在二氧化硅掩膜的侧壁形成大角度倾斜，然后再复制到LED外延层上，实现HV-LED中微单元的倾斜侧壁结构。

2.根据权利要求1所述的一种制造阵列式高压LED芯片(HV-LED)过程中控制侧壁倾斜角度的新工艺.其特征在于：在蓝宝石基的氮化物LED外延异质层(epitaxially grown LED heterostructure)表面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成不少于0.1微米二氧化硅薄膜。

3.根据权利要求1所述的一种制造阵列式高压LED芯片(HV-LED)过程中控制侧壁倾斜角度的新工艺.其特征在于：利用光刻工艺和HydrofluoricAcid(HF)刻蚀的方法在二氧化硅薄膜上形成预先设计的图案，并在侧壁产生预先设定的倾斜角度。

4.根据权利要求1所述的一种制造阵列式高压LED芯片(HV-LED)过程中控制侧壁倾斜角度的新工艺，其特征在于：通过改变HF刻蚀条件，包括溶液浓度、刻蚀温度和时间等参数，可以精确控制等离子体增强化学气相沉积(PECVD)形成二氧化硅模板的侧壁倾角(θ_SiO2)。

5.根据权利要求1所述的一种制造阵列式高压LED芯片(HV-LED)过程中控制侧壁倾斜角度的新工艺.其特征在于：以二氧化硅薄膜图案为掩膜，使用上下电极双射频源的电感耦合(ICP)等离子体刻蚀设备，刻蚀氮化物LED外延异质层至蓝宝石衬底；二氧化硅的倾斜侧壁按1∶x的比例复制到LED外延异质层上。其中x是ICP等离子体刻蚀GaN和二氧化硅的速率比；最后利用HF刻蚀二氧化硅薄膜，彻底清除LED晶元表面的二氧化硅掩膜。 

6.根据权利要求1所述的一种制造阵列式高压LED芯片(HV-LED)过程中控制侧壁倾斜角度的新工艺，其特征在于：ICP等离子体刻蚀氮化物LED外延异质层和二氧化硅的速率比x可通过改变刻蚀二氧化硅所形成的侧墙的坡度可以，通过改变反应离子刻蚀的参数，包括反应气体种类、气体流速、气压和电压，加以控制。 

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