CN103500783A - 一种发光二极管芯片制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管芯片制作方法，至少包括如下步骤：1）在蓝宝石衬底上形成掩膜层，其至少包括若干个第一尺寸图案，使得后续生长的外延层无法愈合连接在一起；2）在制作完掩膜层的蓝宝石衬底上形成外延层，其在外延层的内侧表面形成若干个上宽下窄的倒台状洞穴，所述洞穴在垂直方向上贯穿整个外延层，减少发光二极管内部发生全反射现象。此制作方法可提升芯片出光效率，改善劈裂良率，降低漏电不良率，提高产品的整体良率，进而提供外观、光电参数良好的发光二极管芯片。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管芯片制作方法，尤其是涉及一种具有高光效率的发光二极管芯片的制作方法。
背景技术
目前，商用蓝绿光LED通常是基于氮化镓的III-V族化合物半导体材料，由于其特有的带隙范围，优良的光电性质，优异的物理和化学性能，在蓝、绿、紫、紫外光以及白光发光二管、短波长激光二极管、紫外探测器、功率电子器件等光电子器件和电子器件以及特殊条件下的半导体器件等领域中得到广泛应用。蓝宝石衬底是氮化物发光二极管外延生长最为常用的衬底之一，通过在蓝宝石衬底上依次外延N型层、发光层和P型层而获得氮化物基发光二极管晶片，再将其切割成发光二极管芯片来制造发光器件。
目前，常见发光二极管的制备步骤为：1）在蓝宝石衬底上通过外延生长制备半导体层；2）采用正面钻石刀或激光划片技术进行划片工艺；3）在晶片上制备P电极及N电极，并且通过研磨来减薄该晶片；4）通过进行背面裂片获得LED芯片。由于正面划片深度一般为30μm甚至更深，且从外延层上方划至衬底内部，故会对外延层有损伤，还会在切割道内留下较多的烧痕、碎屑等副产物，不易清理干净，而附着在外延层侧壁的烧痕或碎屑容易使得芯片产生漏电的不良现象，影响了LED芯片的出光亮度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是改进现有技术的上述局限，以进一步提高发光二极管芯片的出光效率和产品良率。
为达到上述目的，本发明提供一种发光二极管芯片制作方法，至少包括如下步骤：
1）在蓝宝石衬底上形成掩膜层，其至少包括若干个第一尺寸图案，使得后续生长的外延层无法愈合连接在一起；
2）在制作完掩膜层的蓝宝石衬底上形成外延层，其在外延层的内侧表面形成若干个上宽下窄的倒台状洞穴，所述洞穴在垂直方向上贯穿整个外延层，减少发光二极管内部发生全反射现象。
进一步地，所述第一尺寸图案的线径为10~30μm，间距为5~20μm。
进一步地，所述步骤1）形成的掩膜层还包括若干个第二尺寸图案，用于将所述蓝宝石衬底定义出若干个单元区域，所述第一尺寸图案位于各个单元区域内，从而在步骤2）中各单元区域内的外延层外侧表面形成呈上窄下宽的台状结构，减少发光二极管内部发生全反射现象。
进一步地，所述第二尺寸图案为闭合环状，环宽为15~40μm。
进一步地，所述第二尺寸图案呈周期性网格分布。
进一步地，所述步骤1）形成的掩膜层还包括若干个第三尺寸图案，从而在步骤2）中在所述第三尺寸图案上进行横向外延生长的同时，增强光在外延层和蓝宝石衬底界面散射。进一步地，还包括在步骤1）后，对蓝宝石衬底进行蚀刻，使得未被掩膜层保护的蓝宝石衬底被蚀刻，从而形成图形化蓝宝石衬底。
进一步地，还包括在步骤2）后，采用蚀刻工艺去除裸露出来的掩膜层。
进一步地，所述第一尺寸图案呈周期性分布，形状为圆形或者椭圆形或者多边形中的一种或前述任意组合之一。
进一步地，所述第一尺寸图案的线径为10~30μm，间距为5~20μm。
进一步地，所述第三尺寸图案呈周期性分布，形状为圆形或者椭圆形或者多边形中的一种或前述任意组合之一。
进一步地，所述第三尺寸图案的线径为0.1~5μm，间距为0.2~5μm。
进一步地，所述第一尺寸图案与第三尺寸图案的个数比例为1:50~1:10。
进一步地，所述外延层侧面的倾斜角度为50~80°。
进一步地，所述掩膜层材料选自SiO2或TiO2或AlN或Al2O3或Si3N4或光刻胶中的一种或前述任意组合之一。
进一步地，所述正面划入蓝宝石衬底的深度为10~25μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：在发光二极管芯片生长外延层之前，即在蓝宝石衬底上预先制作至少包括若干个第一尺寸图案的掩膜层，使得后续生长的外延层无法愈合连接在一起，其在外延层的内侧表面形成若干个上宽下窄的倒台状洞穴，所述洞穴在垂直方向上贯穿整个外延层，减少发光二极管内部发生全反射现象，克服常规使用蚀刻洞穴对外延层的损伤；预先制作的掩膜层还可以包括若干个第二尺寸图案，用于将蓝宝石衬底定义出若干个单元区域，所述第一尺寸图案位于各个单元区域内，从而使得各单元区域内的外延层外侧表面形成呈上窄下宽的台状结构，减少发光二极管内部发生全反射现象；预先制作的掩膜层还可以包括若干个第三尺寸图案，使得在第三尺寸图案上进行横向外延生长的同时，增强光在外延层和蓝宝石衬底界面散射。
本发明提供的制作方法，不仅可以用于制作一般的发光二极管芯片制作，还特别适合用于高品质要求的发光二极管芯片结构制作，其可以减少发光二极管内部发生全反射现象，提升芯片出光效率，改善劈裂良率，降低漏电不良率，提高产品的整体良率，进而提供外观、光电参数良好的发光二极管芯片。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
100：蓝宝石衬底；101：第一尺寸图案；102：第三尺寸图案；103：N型层；104：发光层；105：P型层；106：圆台状洞穴；107：P电极；108：N电极；
200：蓝宝石衬底；201：第一尺寸图案；202：第二尺寸图案；203：第三尺寸图案；204：N型层；205：发光层；206：P型层；207：棱台状洞穴；208：P电极；209：N电极；
300：蓝宝石衬底；301：第一尺寸图案；302：第二尺寸图案；303：N型层；304：发光层；305：P型层；306：圆台状洞穴；307：P电极；308：N电极；309：孔洞。
图1~9是本发明实施例1制作发光二极管的流程剖面示意图。
图10是本发明实施例1中由A-A截面剖开的图2的俯视图。
图11是本发明实施例1中由A-A截面剖开的图4的俯视图。
图12~20是本发明实施例2制作发光二极管的流程剖面示意图。
图21是本发明实施例2中由B-B截面剖开的图13的俯视图。
图22是本发明实施例2中由B-B截面剖开的图15的俯视图。
图23~30是本发明实施例3制作发光二极管的流程剖面示意图。
图31是本发明实施例3中由C-C截面剖开的图23的俯视图。
图32是本发明实施例3中由C-C截面剖开的图24的俯视图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
一种发光二极管芯片的制作方法，其制作步骤至少包括：
如图1 所示，提供一蓝宝石衬底100；
如图2和图10 所示，在所述蓝宝石衬底100上制作图形化的SiO2掩膜层，掩膜层由两种尺寸大小的图案组成，其中第一尺寸图案101为圆形并呈周期性分布，直径为10μm，间距为20μm；第三尺寸图案102为圆形并呈周期性分布，直径为2μm，间距为4μm；
如图3所示，对所述制作完掩膜层的蓝宝石衬底进行湿法蚀刻，没有掩膜层保护的蓝宝石衬底会被腐蚀，从而形成图形化蓝宝石衬底，湿法蚀刻采用的溶液为硫酸与磷酸的混合溶液，比例为3：1，温度为280℃，时间为5mins；
如图4和图11所示，在所述图形化蓝宝石衬底100上采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延层，其中外延层由N型层103、发光层104和P型层105组成，由于在第一尺寸图案101上生长的外延层无法愈合连接在一起，从而会在外延层的内侧表面形成若干个上宽下窄的倒台状洞穴106，所述洞穴在垂直方向上贯穿整个外延层，减少发光二极管内部发生全反射现象；而在第三尺寸图案102上进行横向外延生长，其外延层会愈合连接在一起，不仅可以有效减少外延层的缺陷密度，减小发光层的非辐射性复合，提高芯片的内部量子效率，还可增强光在外延层和蓝宝石衬底界面散射，增加光从芯片内部出射的概率，提高光的提取效率；
优选地，第一尺寸图案与第三尺寸图案的个数比例控制为1:15，如此可以兼顾第一尺寸图案与第三尺寸图案所发挥的作用，即第一尺寸图案有助于减少发光二极管内部发生全反射而第三尺寸图案有助于增强光在外延层和蓝宝石衬底界面散射，从而使得其光萃取综合效率较佳；
如图5所示，采用激光从蓝宝石衬底100正面沿着裸露的第一尺寸图案进行划片，划入蓝宝石衬底的深度为15μm；
如图6所示，通过光刻及蚀刻技术，使N型层103局部露出；
如图7所示，通过光刻及蚀刻技术，分别在P型层105和暴露的N型层103上制作P电极107和N电极108；
如图8所示，减薄蓝宝石衬底100；
如图9所示，从图形化蓝宝石衬底100背面裂片，得外观、光电参数良好的发光二极管芯片。
实施例2
一种发光二极管芯片的制作方法，其制作步骤至少包括：
如图12 所示，提供一蓝宝石衬底200；
如图13和图21所示，在所述蓝宝石衬底200上制作图形化的Si3N4掩膜层，掩膜层由三种尺寸大小的图案组成，其中第二尺寸图案202内包含若干个第一尺寸图案201和第三尺寸图案203，第二尺寸图案201呈周期性网格分布，形状为闭合环状，环宽为30μm，用于将所述蓝宝石衬底定义出若干个单元区域；第一尺寸图案201为圆形并呈周期性分布，直径为3μm，间距为4μm，第一尺寸图案位于上述各个单元区域内；第三尺寸图案203为正方形并呈周期性分布，边长为12μm，间距为15μm；
如图14所示，对所述制作完掩膜层的蓝宝石衬底进行干法蚀刻，没有掩膜层保护的蓝宝石衬底会被腐蚀，从而形成图形化蓝宝石衬底，干法蚀刻采用的气体为氧气或氧气与氟化碳组合；
如图15和图22所示，在所述图形化蓝宝石衬底200上采用MOCVD生长外延层，其中外延层由N型层204、发光层205和P型层206组成，由于在第三尺寸图案上生长的外延层会愈合连接在一起，不仅可以有效减少外延层的缺陷密度，减小发光层的非辐射性复合，提高芯片的内部量子效率，还可增强光在外延层和蓝宝石衬底界面散射，增加光从芯片内部出射的概率，提高光的提取效率，而在第二尺寸和第一尺寸图案上生长的外延层无法愈合连接在一起，从而会形成侧面呈倾斜度为70°的外延层，具体来说，外延层的外侧表面形成一个上窄下宽的棱台，外延层的内侧表面形成若干个上宽下窄的棱台状洞穴207，该洞穴在垂直方向上贯穿整个外延层，如此可以减少发光二极管内部发生全反射现象，进一步增加光从芯片内部出射的概率，有效提升出光效率；
优选地，第一尺寸图案与第三尺寸图案的个数比例控制为1:12，如此可以兼顾第一尺寸图案与第三尺寸图案所发挥的作用，即第一尺寸图案有助于减少发光二极管内部发生全反射而第三尺寸图案有助于增强光在外延层和蓝宝石衬底界面散射，从而使得其光萃取综合效率较佳；
如图16所示，通过光刻及蚀刻技术，使N型层204局部露出；
如图17所示，通过光刻及蚀刻技术，分别在P型层206和暴露的N型层204上制作P电极207和N电极208；
如图18所示，采用激光从蓝宝石衬底200正面沿着裸露的第二尺寸图案202进行划片，形成具有V型缺口的切割道，划入蓝宝石衬底的深度为20μm，由于第二尺寸图案具有绝缘的特性，所以从蓝宝石衬底正面进行划片时不需要穿过外延发光层，减少外延层损伤，且正划深度较浅，可以减少烧痕、碎屑等副产物产生，降低漏电不良率，提升产品的整体良率；
如图19所示，减薄蓝宝石衬底200；
如图20所示，从图形化蓝宝石衬底200背面裂片，得外观、光电参数良好的发光二极管芯片。
实施例3
一种发光二极管芯片的制作方法，其制作步骤至少包括：
如图23和31所示，在蓝宝石衬底300上制作图形化的光刻胶掩膜层，掩膜层由两种尺寸大小的图案组成，其中第二尺寸图案302内包含若干个第一尺寸图案301，第二尺寸图案302呈周期性网格分布，形状为闭合环状，环宽为40μm，用于将所述蓝宝石衬底定义出若干个单元区域；第一尺寸图案301为圆形并呈周期性分布，直径为10μm，间距为20μm，位于上述各个单元区域内；
如图24和图32所示，在所述蓝宝石衬底300上采用MOCVD生长外延层，其中外延层由N型层303、发光层304和P型层305组成，由于在第二尺寸和第一尺寸图案上生长的外延层无法愈合连接在一起，从而会形成侧面呈倾斜度为80°的外延层，具体来说，外延层的外侧表面形成一个上窄下宽的棱台，外延层的内侧表面形成若干个上宽下窄的圆台状洞穴306，如此可以双重地减少发光二极管内部发生全反射现象，进一步增加光从芯片内部出射的概率，有效提升出光效率；
如图25所示，通过光刻及蚀刻技术，使N型层303局部露出；
如图26所示，采用激光从蓝宝石衬底300正面沿着裸露的第二尺寸图案302进行划片，形成具有V型缺口的切割道，划入蓝宝石衬底的深度为20μm，由于第二尺寸图案具有绝缘的特性，所以从蓝宝石衬底正面进行划片时不需要穿过外延发光层，减少外延层损伤，且正划深度较浅，可以减少烧痕、碎屑等副产物产生，降低漏电不良率，提升产品的整体良率；
如图27所示，通过光刻及蚀刻技术，分别在P型层305和暴露的N型层303上制作P电极307和N电极308；
如图28所示，采用BOE溶液，通过湿法蚀刻去除裸露出的掩膜层，即去除第一尺寸图案301和第二尺寸图案302，形成孔洞309，有利于更进一步减少发生全反射现象，增加光萃取效率，当然应该认识到去除裸露出的掩膜层的次序不局限于此，还可以在划片之后、制作P、N电极之前进行，如此可以有助于清除划片后留下的烧痕或碎屑，减少吸光，增加出光；
如图29所示，减薄蓝宝石衬底300；
如图30所示，从蓝宝石衬底300背面裂片，得外观、光电参数良好的发光二极管芯片。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于：至少包括如下步骤：
1）在蓝宝石衬底上形成掩膜层，其至少包括若干个第一尺寸图案，使得后续生长的外延层无法愈合连接在一起；
2）在制作完掩膜层的蓝宝石衬底上形成外延层，其在外延层的内侧表面形成若干个上宽下窄的倒台状洞穴，所述洞穴在垂直方向上贯穿整个外延层，减少发光二极管内部发生全反射现象。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于：所述第一尺寸图案的线径为10~30μm，间距为5~20μm。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于：所述步骤1）形成的掩膜层还包括若干个第二尺寸图案，用于将所述蓝宝石衬底定义出若干个单元区域，所述第一尺寸图案位于各个单元区域内，从而在步骤2）中各单元区域内的外延层外侧表面形成呈上窄下宽的台状结构，减少发光二极管内部发生全反射现象。
4.根据权利要求3所述的一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于：所述第二尺寸图案为闭合环状，环宽为15~40μm。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于：所述步骤1）形成的掩膜层还包括若干个第三尺寸图案，从而在步骤2）中在所述第三尺寸图案上进行横向外延生长的同时，增强光在外延层和蓝宝石衬底界面散射。
6.根据权利要求5所述的一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于：所述第三尺寸图案的线径为0.1~5μm，间距为0.2~5μm。
7.根据权利要求5所述的一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于：所述第一尺寸图案、第三尺寸图案呈周期性分布，形状为圆形或者椭圆形或者多边形中的一种或前述任意组合之一。
8.根据权利要求5所述的一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于：所述第一尺寸图案与第三尺寸图案的个数比例为1:50~1:10。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于：还包括在步骤1）后，对蓝宝石衬底进行蚀刻，使得未被掩膜层保护的蓝宝石衬底被蚀刻，从而形成图形化蓝宝石衬底。
10.根据权利要求1所述的一种发光二极管芯片制作方法，其特征在于：还包括在步骤2）后，采用蚀刻工艺去除裸露出来的掩膜层。
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