CN103137810A - 一种利用两次划片制备的GaN基发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaN基发光二极管芯片，包括衬底层上依次是N型导电层、有源层、P型导电层和电流扩展层，在N型导电层和电流扩展层上分别是N电极和P电极；所述单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的外形轮廓为八边形。本发明采用两次激光划片技术分别在GaN基发光二极管芯片的正面和背面划片，使单个GaN基发光二极管芯片具有八边形侧壁，增大侧壁出光角度，大大提高了GaN基发光二极管芯片的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用两次划片制备的GaN基发光二极管芯片及制备方法，属于光电子技术领域。
背景技术
发光二极管(LED)作为一个发光器件，具有工作寿命长、耗电低、响应时间快、体积小、易调光调色、对环境无污染等优点，被人们称之为绿色光源。而高亮度LED光源的出现特别是GaN基蓝绿色LED的崛起使LED的用途发生了革命性的变革。
从理论上讲，当我们在LED的PN结上施加正向电压时，PN结会有电流流过，电子和空穴在PN结过渡层中复合会产生光子，然而并不是每一对电子-空穴对复合的载流子都会产生光子，由于LED的PN结作为杂质半导体，存在着因材料品质缺陷，位错等因素，以及工艺上的种种缺陷，会产生杂质电离、本征激发散射和晶格散射等问题，使电子从激发态跃迁到基态时会与晶格电子或离子交换能量而产生无辐射跃迁，也就是不产生光子，这部分能量将不转换成光能而转换成热能损耗在PN结内。这样就降低了芯片的内量子效率。然而存在的另一个关于LED光子逸出率的问题，即外量子效率问题，由光的传播理论中的光线折射定律可以知道，两种不同材料的界面在折射系数不相同时，对于入射光，当超出临界角范围时将被反射回芯片内而不能逸出到空气中，从而使得外量子效率大大降低。加之由于LED要引出电极，固定在引线框架上等原因，使得外量子效率变得更低。
相比内量子效率，外量子效率还存在很大的提升空间，就是要从LED芯片结构、封装结构、材料折射系数等综合多方面因素加以解决，来提高最终光出射效率。目前通过工艺和结构上的改进可以有效提高芯片的出光效率，归纳起来有如下几种有效方法：
(1)透明衬底技术；
(2)芯片表面粗化法；
(3)芯片倒梯形结构；
(4)侧壁腐蚀(side wall etch)。
例如中国专利CN101834251公开了一种发光二极管的制备方法，通过对GaN半导体外延层进行划片形成划道，并用酸液腐蚀形成侧壁，从而改变光的传播路径增加光子逸出率，有效提高LED芯片的亮度。该发明专利中酸液主要作用是将划片生成物通过腐蚀进行清除，使得划道两侧N型GaN层被腐蚀出一定的侧壁。酸液腐蚀的侧壁倾角主要受划片划道宽度的影响，这里只是起到一定的清洗作用，并不能获得更宽的划道与特定的侧壁倾角。
专利CN101471289A公开一种背镀晶片的切割方法，经磨片后在晶片的切割道处贴保护膜，蒸镀背镀，再取下保护膜进行激光划片。由于本发明的背镀晶片的切割方法在蒸镀前贴有保护膜，切割时再撕掉，从背面切割同样能够看到晶片背面，从而提高了切割的效率和精准度。
专利CN101552312A提供了一种发光二极管芯片的制作方法，将正面划片工艺在制作N、P电极之前进行，利用制作N、P电极中的刻蚀工艺将激光辐照切割过程中形成的融化层，以及沉积在发光二极管晶片侧面和表面电极上的残渣沉积移除，优化了芯片的光电参数和发光二极管芯片的成品率。
专利CN102054851公开了一种发光二极管及其制造方法，包括生长模板(衬底和一薄层氮化物)，将模板通过光刻及刻蚀工艺或划片工艺被分割成多个独立单元，每个独立单元的尺寸和最终芯片的尺寸完全一样，模板经腐蚀后的在各独立单元的侧壁上形成有微观结构，然后在上表面依次生长有N-GaN层，量子阱层，P-GaN层；所述N-GaN层，量子阱层，和P-GaN层的侧壁相对所述模板悬空，且形成有第一出光角度。
LED环球在线报道了一种六边形LED芯片，六边形LED芯片在成本、效率以及束剖面等方面都有众多优势。其中一项便是在封装之后的光能输出量。蜂窝型TM芯片所产生的束剖面非常接近光学设计中使用的圆形镜片的圆形切面。但是，传统四边形或三角形芯片的束剖面在与圆形镜片结合时，往往会发生变化。
对于LED芯片中到达芯片侧壁的光，其侧壁就是光的出射表面，存在一个全反射角的问题，针对GaN基LED器件，最理想的形状为球形出光面，发光区域可视做点光源，不会发生任何全反射，为避免Fresnel反射影响，还可加增透膜，提取效率将有可能达到100％，然而在现有的工艺条件几乎不能实现，而且成本将会相当高。另一种结构为平头倒金字塔结构(TIP)，最早被应用于AlGaInP材料体系的红光LED(λ＝650nm)，这种结构缩短了光子在晶体内的传播路径，减少内部损耗，减小界面角。但蓝宝石衬底很难加工，所以难以实现倒金字塔结构。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种利用两次划片制备的GaN基发光二极管芯片。本发明还提供一种制备上述发光二极管芯片的方法。与本发明相比普通划片只是将单个独立的发光二极管芯片分离出来，并没有考虑到划片过程中划裂形成的侧壁对发光二极管芯片光出射效率的影响(依据二极管芯片发光特性，其侧壁面发光光强相对正面占15％的比例)，而酸液腐蚀也只是作为划片后的清洗液，将划裂产生的生成物腐蚀掉，从而露出侧壁。为使射向芯片侧壁的光能够有效出射，本发明通过两次划片使GaN基发光二极管芯片形成纵截面为八边形的LED芯片侧壁结构，有效扩大了光的出射方向，提高了侧壁的光出射效率。
名词解释：
ICP刻蚀技术：Inductive Coupled Plasma，感应耦合等离子体刻蚀。
PECVD技术：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积。
ITO透明导电材料：氧化铟锡(Indium-Tin Oxide)透明导电材料。
本发明的技术方案如下：
一种GaN基发光二极管芯片，包括衬底层上依次是N型导电层、有源层、P型导电层和电流扩展层，在N型导电层和电流扩展层上分别是N电极和P电极；所述单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的外形轮廓为八边形。
所述单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的上侧边为所述GaN基发光二极管芯片的正面激光划痕的侧壁，所述正面激光划痕的侧壁与竖直方向的夹角为θ，0°＜θ＜90°，且1/3＜tanθ＜3/4，相邻GaN基发光二极管芯片的正面激光划痕的侧壁之间的最大距离范围：20～30μm。所述的正面激光划痕及侧壁是通过激光划片在一定的输出功率下划刻在GaN基发光二极管芯片的正面所形成的。
优选的，所述正面激光划痕的侧壁与竖直方向的夹角为θ，0°＜θ＜90°，且tanθ＝1/2。
所述单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的下侧边为所述GaN基发光二极管芯片的背面激光划痕的侧壁，所述背面激光划痕的侧壁与竖直方向的夹角为γ，0°＜γ＜90°，且1/3＜tanγ＜3/4，相邻GaN基发光二极管芯片的背面激光划痕的侧壁之间的最大距离范围：20～30μm。所述的背面激光划痕及侧壁是通过激光划片在一定的输出功率下划刻在GaN基发光二极管芯片的背面所形成的。
优选的，所述背面激光划痕的侧壁与竖直方向的夹角为γ，0°＜γ＜90°，且tanγ＝1/2。
优选的，所述的衬底层为蓝宝石衬底。
所述N型导电层为N型GaN层，所述的P型导电层为P型GaN层。
所述的电流扩展层为ITO透明导电材料。
一种制备上述GaN基发光二极管芯片的方法，步骤如下：
1)在衬底层上生长外延层，该外延层包括N型GaN层，位于所述N型GaN层上的有源层，位于有源层上的P型GaN层；
2)对步骤1)中外延层进行正面激光划片划出划痕，清洗划片衍生物，所述划痕顶宽为20～30μm，划痕的侧壁与竖直方向之间的夹角为θ，0°＜θ＜90°，且1/3＜tanθ＜3/4；
3)采用电子束蒸镀技术在所述外延层的上表面生长一层厚度范围为2000埃～3000埃的电流扩展层；
4)采用ICP刻蚀技术对步骤3)外延层的上表面进行干法刻蚀，使所述N型导电层部分暴露，形成凹台；
5)采用PECVD技术在步骤4)外延层的上表面制备SiO2掩膜，只露出供P电极和N电极所在的区域；
6)在供P电极和N电极所在的区域，采用电子束蒸镀技术分别蒸镀P电极和N电极；
7)将经过步骤1)至步骤6)所制备的芯片进行背面减薄、抛光，所述芯片减薄后的厚度为80～120μm；
8)对步骤7)所述芯片进行背面激光划片划出划痕，所述划痕底宽为20～30μm，划痕的侧壁与竖直方向的夹角为γ，0°＜γ＜90°，且1/3＜tanγ＜3/4，步骤8)所述背面激光划片划出划痕与步骤2)中的正面激光划片划出的划痕上下对应错位范围是0～2μm；错位设定范围的目的就是为了裂片方便且外观规整，裂片后错位尺寸相比芯片整体尺寸可以忽略；
9)对步骤8)所制备的芯片进行正面裂片，制成纵截面为八边形的GaN基发光二极管芯片。
优选的，所述步骤2)中的划痕的侧壁与竖直方向之间的夹角为θ，0°＜θ＜90°，且tanθ＝1/2。
优选的，所述步骤8)中的划痕的侧壁与竖直方向的夹角为γ，0°＜γ＜90°，且tanγ＝1/2。
优选的，所述步骤3)中的电流扩展层为ITO透明导电材料。
优选的，所述的衬底层为蓝宝石衬底。
所述的二次划片是指正面激光划片和背面激光划片。
本发明的优势在于：
通过上述的方法，采用正面激光划片和背面激光划片的两次激光划片技术，使单个GaN基发光二极管芯片具有如图4所示的八个侧壁，增大GaN基发光二极管芯片侧壁出光角度，有效改善侧壁出光效率低下问题，提高芯片发光亮度。
附图说明
图1蓝宝石衬底上生长外延层的结构示意图；
图2本发明经步骤2)处理后的芯片结构示意图；
图3本发明经步骤6)处理后的芯片结构示意图；
图4本发明经步骤8)处理后的芯片结构示意图，其中单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的外形轮廓为八边形；
图5本发明经正面激光划片、背面激光划片后，制得的GaN基发光二极管芯片的发光示意图；
图6是只经过背面激光划片后，制得的GaN基发光二极管芯片的发光示意图。
在图1-4中，11、N型GaN层；12、有源层；13、P型GaN层；14、电流扩展层；15、P电极；16、N电极；17、衬底层；19、对外延层正面激光划片出的划痕；20、对GaN基发光二极管芯片背面激光划片划出的划痕；在图5中，∠δ为由GaN基发光二极管芯片向侧壁的入射光线与水平方向的夹角，所述∠δ大于等于GaN基发光二极管芯片的全反射临界角，∠α、∠β分别为入射光线向本发明GaN基发光二极管芯片的划痕侧壁的入射角和出射角。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
如图4、5所示，一种利用正面激光划片、背面激光划片后制备的GaN基发光二极管芯片，包括蓝宝石衬底层17上依次是N型GaN层11、有源层12、P型GaN层13和电流扩展层14，在N型GaN层11和电流扩展层14上分别是N电极16和P电极15；所述单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的外形轮廓为八边形；所述单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的上侧边为所述GaN基发光二极管芯片的正面激光划痕19的侧壁，正面激光划痕19的侧壁与竖直方向的夹角为θ，0°＜θ＜90°且tanθ＝1/2，相邻GaN基发光二极管芯片的正面激光划痕19的侧壁之间的最大距离为20μm，此处所述最大距离是指对GaN基发光二极管芯片的正面激光划痕顶宽；所述单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的下侧边为所述GaN基发光二极管芯片的背面激光划痕20的侧壁，背面激光划痕20的侧壁与竖直方向的夹角为γ，0°＜γ＜90°且tanγ＝1/2，相邻GaN基发光二极管芯片的背面激光划痕的侧壁之间的最大距离为20μm，此处所述最大距离是指对GaN基发光二极管芯片的背面激光划痕底宽。所述的电流扩展层14为ITO透明导电材料。
实施例2、
如图1-5所示，一种利用两次划片制备的GaN基发光二极管芯片的方法，步骤如下：
1)在蓝宝石衬底层17上生长外延层，该外延层包括N型GaN层11，位于所述N型GaN层11上的有源层12，位于有源层12上的P型GaN层13；
2)对步骤1)中外延层进行正面激光划片划出划痕19，清洗划片衍生物，所述划痕19顶宽为20μm，划痕19的深度为20μm，划痕19的侧壁与竖直方向之间的夹角为θ，有tanθ＝1/2；
3)采用电子束蒸镀技术在所述外延层的上表面生长一层厚度范围为2000埃～3000埃的电流扩展层14，所述电流扩展层14为ITO透明导电材料；
4)采用ICP刻蚀技术对步骤3)外延层的上表面进行干法刻蚀，使所述N型GaN层11部分暴露，形成凹台；
5)采用PECVD技术在步骤4)外延层的上表面制备SiO2掩膜，只露出供P电极和N电极所在的区域；
6)在供P电极和N电极所在的区域，采用电子束蒸镀技术分别蒸镀P电极和N电极；
7)将经过步骤1)至步骤6)所制备的芯片进行背面减薄、抛光，所述芯片减薄后的厚度为90μm；
8)对步骤7)所述芯片进行背面激光划片划出划痕20，所述划痕底宽为20μm，划痕20的深度为20μm，划痕的侧壁与竖直方向的夹角为γ，tanγ＝1/2，步骤8)所述背面激光划片划出划痕20与步骤2)中的正面激光划片划出的划痕19上下对应错位范围是0～2μm；
9)对步骤8)所制备的芯片进行正面裂片，制成纵截面为八边形的GaN基发光二极管。
如图5和图6所示，本发明中采用两次划片制备的具有八边形侧壁GaN基发光二极管芯片(如图5所示)，其发光效率要明显优于一次划片形成的GaN基发光二极管芯片(如图6所示)。在图5中，入射光线与水平方向的夹角为δ，入射光线的入射角为α，小于GaN基全反射临界角，光线能以出射角β出射；而如图6，在传统一次划片制备的GaN基发光二极管芯片中入射光线的入射角为δ，当入射角δ大于等于GaN基发光二极管芯片全反射临界角时发生全反射，出光效率大大降低。
Claims (10)
1.一种GaN基发光二极管芯片，包括衬底层上依次是N型导电层、有源层、P型导电层和电流扩展层，在N型导电层和电流扩展层上分别是N电极和P电极；所述单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的外形轮廓为八边形。
2.根据权利要求1所述的一种GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的上侧边为所述GaN基发光二极管芯片的正面激光划痕的侧壁，所述正面激光划痕的侧壁与竖直方向的夹角为θ，0°＜θ＜90°，且1/3＜tanθ＜3/4，相邻GaN基发光二极管芯片的正面激光划痕的侧壁之间的最大距离范围：20～30μm。
3.根据权利要求2所述的一种GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述正面激光划痕的侧壁与竖直方向的夹角为θ，0°＜θ＜90°，且tanθ＝1/2。
4.根据权利要求1所述的一种GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述单个GaN基发光二极管芯片的纵截面的下侧边为所述GaN基发光二极管芯片的背面激光划痕的侧壁，所述背面激光划痕的侧壁与竖直方向的夹角为γ，0°＜γ＜90°，且1/3＜tanγ＜3/4，相邻GaN基发光二极管芯片的背面激光划痕的侧壁之间的最大距离范围：20～30μm。
5.根据权利要求4所述的一种GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述背面激光划痕的侧壁与竖直方向的夹角为γ，0°＜γ＜90°，且tanγ＝1/2。
6.根据权利要求1所述的一种GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述的衬底层为蓝宝石衬底；所述N型导电层为N型GaN层，所述的P型导电层为P型GaN层。
7.根据权利要求1所述的一种GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述的电流扩展层为ITO透明导电材料。
8.如权利要求1-7任一项所述的GaN基发光二极管芯片的制备方法，步骤如下：
1)在衬底层上生长外延层，该外延层包括N型GaN层，位于所述N型GaN层上的有源层，位于有源层上的P型GaN层；
2)对步骤1)中外延层进行正面激光划片划出划痕，清洗划片衍生物，所述划痕顶宽为20～30μm，划痕的侧壁与竖直方向之间的夹角为θ，0°＜θ＜90°，且1/3＜tanθ＜3/4；
3)采用电子束蒸镀技术在所述外延层的上表面生长一层厚度范围为2000埃～3000埃的电流扩展层；
4)采用ICP刻蚀技术对步骤3)外延层的上表面进行干法刻蚀，使所述N型导电层部分暴露，形成凹台；
5)采用PECVD技术在步骤4)外延层的上表面制备SiO2掩膜，只露出供P电极和N电极所在的区域；
6)在供P电极和N电极所在的区域，采用电子束蒸镀技术分别蒸镀P电极和N电极；
7)将经过步骤1)至步骤6)所制备的芯片进行背面减薄、抛光，所述芯片减薄后的厚度为80～120μm；
8)对步骤7)所述芯片进行背面激光划片划出划痕，所述划痕底宽为20～30μm，划痕的侧壁与竖直方向的夹角为γ，0°＜γ＜90°，且1/3＜tanγ＜3/4，步骤8)所述背面激光划片划出划痕与步骤2)中的正面激光划片划出的划痕上下对应错位范围是0～2μm；
9)对步骤8)所制备的芯片进行正面裂片，制成纵截面为八边形的GaN基发光二极管芯片。
9.根据权利要求8所述的一种制备GaN基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述步骤2)中的划痕的侧壁与竖直方向之间的夹角为θ，0°＜θ＜90°，且tanθ＝1/2。
10.根据权利要求8所述的一种制备GaN基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述步骤8)中的划痕的侧壁与竖直方向的夹角为γ，0°＜γ＜90°，且tanγ＝1/2。
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