CN103515489A - 一种发光二极管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种发光二极管的制造方法，先于厚蓝宝石衬底表面生长N-GaN层量子阱层、P-GaN层及透明导电层，然后定义发光外延阵列并制备电极，接着对所述蓝宝石衬底进行激光内切处理，形成至少两层与各该发光外延阵列对应且距离所述蓝宝石衬底上表面不同深度的内切图案，最后依据所述内切图案进行裂片，以完成所述发光二极管的制造。采用激光内切技术在后蓝宝石衬底中形成两层或多层内部层次结构的变化，提高了芯片的易裂程度和裂片的良率，且降低减薄所述蓝宝石衬底的时间和成本；裂片后的厚蓝宝石衬底侧壁为粗糙表面，降低了光线在侧壁的全反射，增加了侧壁的出光率。

Description

一种发光二极管的制造方法
技术领域
本发明属于半导体领域，特别是涉及一种发光二极管的制造方法。 
背景技术
半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，其应用领域正在迅速扩大，正带动传统照明、显示等行业的升级换代，其经济效益和社会效益巨大。正因如此，半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一，也是未来几年光电子领域最重要的制高点之一。发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。 
近年来，制造高集成、高性能的半导体产品的半导体工业相继发展半导体薄片加工技术。为了提高生产效率，各处的半导体产品使用半导体薄片加工技术把几个到几千万个半导体仪器集成到一块称为“晶片”的高纯度衬底上。一块几英寸晶片上要制造的芯片数目达几千片，在封装前要把它们分割成单个电路单元。传统的分割方法是用金刚石砂轮刻划，导致晶片表面应受机械力而产生辐射状裂纹。 
激光划片是指把高峰值功率的激光束聚焦在半导体晶片表面，使晶片材料表面产生高温汽化，从而打出连续的盲孔，形成沟槽状。调节脉冲重叠量可精确控制刻槽深度，在施加机械力，很容易使晶片等材料沿沟槽整齐断开，达到分割易碎材料的目的。有利于提高晶片的利用率。相对于机械式划片工艺，激光划片工艺具有更多优点。这些优点包括消耗成本低、维护费用少、产能高、晶圆面积利用率高等。激光工艺更易于进行自动化操作，从而降低人力成本。 
现有发光二极管的制作方法是在蓝宝石衬底上制作N-GaN层、量子阱层、P-GaN层及电极等发光外延结构，然后对蓝宝石进行激光内切形成一层激光内切层，然后对蓝宝石衬底进行减薄至该激光内切层，最后进行裂片。然而，对于厚度较大的蓝宝石衬底，这样的制作方法往往会导致蓝宝石难以剥离或剥离不均匀，而且需要花费大量的时间和成本对蓝宝石衬底 进行减薄，不利于生产。这种方法剥离的蓝宝石衬底断裂面一般比较平滑，容易造成蓝宝石衬底内光线的全反射，不利于蓝宝石侧面的出光。 
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种发光二极管的制作方法，用于解决现有技术中厚蓝宝石衬底的芯片裂片困难且不均匀、裂片后蓝宝石衬底侧壁出光率低的问题。 
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种发光二极管的制造方法，所述制造方法至少包括步骤： 
1）提供一蓝宝石衬底，于所述蓝宝石衬底上表面形成至少包括N-GaN层、量子阱层、P-GaN层及透明导电层的发光外延层； 
2）于所述发光外延层定义出多个发光外延阵列，刻蚀各该发光外延阵列的透明导电层、P-GaN层及量子阱层直至露出所述N-GaN层，形成N电极制备区域； 
3）于各该发光外延阵列的透明导电层上制备P电极，并于各该N电极制备区域制备N电极； 
4）对所述蓝宝石衬底进行激光内切处理，形成至少两层与各该发光外延阵列对应且距离所述蓝宝石衬底上表面不同深度的内切图案； 
5）依据所述内切图案进行裂片，以完成所述发光二极管的制造。 
在本发明的发光二极管的制造方法中，所述步骤3）还包括对所述蓝宝石进行减薄的步骤，减薄后蓝宝石衬底的厚度为60～450um。 
在本发明的发光二极管的制造方法中，步骤5）所述的激光内切处理为通过控制激光的波段、频率、功率向所述蓝宝石衬底发射激光脉冲，以使所述蓝宝石衬底的内部结构产生应变或松弛，并保持其表面的平整。 
在本发明的发光二极管的制造方法步骤5）中，采用皮秒激光器对所述蓝宝石衬底进行激光内切处理。 
优选地，所述激光内切处理采用的激光波段为1064nm，激光频率为50～100KHz，激光功率为0.05～10W。 
在本发明的发光二极管的制造方法中，步骤5）中的各该内切图案垂向重叠。 
作为本发明的发光二极管的制造方法的一个优选方案，各层内切图案之间的距离相等。 
作为本发明的发光二极管的制造方法的一个优选方案，所述内切图案的层数为两层、三层或四层。 
在本发明的发光二极管的制造方法中，所述步骤6）中，裂片后蓝宝石衬底的断裂面为粗糙的表面。 
如上所述，本发明的发光二极管的制造方法，具有以下有益效果：先于厚蓝宝石衬底表面生长N-GaN层量子阱层、P-GaN层及透明导电层，然后定义发光外延阵列并制备电极，接着对所述蓝宝石衬底进行激光内切处理，形成至少两层与各该发光外延阵列对应且距离所述蓝宝石衬底上表面不同深度的内切图案，最后依据所述内切图案进行裂片，以完成所述发光二极管的制造。采用激光内切技术在后蓝宝石衬底中形成两层或多层内部层次结构的变化，提高了芯片的易裂程度和裂片的良率，且降低减薄所述蓝宝石衬底的时间和成本；裂片后的厚蓝宝石衬底侧壁为粗糙表面，降低了光线在侧壁的全反射，增加了侧壁的出光率。 
附图说明
图1～图2显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤1）所呈现的结构示意图。 
图3显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤2）所呈现的结构示意图。 
图4显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤3）所呈现的结构示意图。 
图5a～图5b分别显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤4）所呈现的截面结构和平面结构示意图。 
图6显示为本发明的发光二极管的制造方法步骤5）所呈现的结构示意图。 
元件标号说明 
Figure DEST_PATH_GDA00001991452200031
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。 
请参阅图1～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。 
如图1～图6所示，本实施例提供一种发光二极管的制造方法，所述制造方法至少包括步骤： 
如图1～图2所示，首先进行步骤1），提供一蓝宝石衬底11，于所述蓝宝石衬底11上表面形成至少包括N-GaN层12、量子阱层13、P-GaN层14及透明导电层15的发光外延层。 
在本实施例中，所述蓝宝石衬底11为厚蓝宝石衬底11，其厚度为80～500um，然后以（CH3） 3Ga为Ga源，NH3为N源，SiH4用作为N型掺杂剂，采用金属有机化合物化学气相淀积法在所述蓝宝石衬底11上生长N-GaN层12；以（CH3）3In为In源，（CH3）3Ga为Ga源，NH3为N源，采用金属有机化合物化学气相淀积法在所述N-GaN层12上生长InGaN/GaN量子阱层13；（CH3）3Ga为Ga源，NH3为N源，Mg(C5H5)2作为P型掺杂剂，采用金属有机化合物化学气相淀积法在所述的InGaN/GaN量子阱层13上生长P-GaN层14。当然，生长方式可采用普通的二维生长法或者悬空生长法，可根据需要可以选择更多不同的生长方式。然后在所述P-GaN层14上制备透明导电层15，所述透明导电层15的材料可为ITO、ATO、FTO或AZO，在本实施例中为ITO。 
如图3所示，然后进行步骤2），于所述发光外延层定义出多个发光外延阵列，刻蚀各该发光外延阵列的透明导电层15、P-GaN层14及量子阱层13直至露出所述N-GaN层12，形成N电极16制备区域。 
于所述发光外延层定于出多个发光外延阵列，所述发光外延阵列可以为矩形阵列、三角形阵列、菱形阵列等，在本实施例中，为矩形阵列。然后制作光刻图形，刻蚀各该发光外延阵列的透明导电层15、P-GaN层14及量子阱层13直至露出所述N-GaN层12，形成N电极16制备区域，在本实施例中，所述N电极16制备区域为一裸露的N-GaN平台。 
如图4所示，接着进行步骤3），于各该发光外延阵列的透明导电层15上制备P电极17，并于各该N电极16制备区域制备N电极16。 
所述P电极17及N电极16为Au电极，当然，在其它的实施例中，也可以为Pt等其它金属导体材料。 
制备完P电极17及N电极16后，对所述蓝宝石进行减薄，以获得一平坦的表面，减薄后蓝宝石衬底11的厚度为60～450um。在本实施例中，减薄前的蓝宝石衬底11厚度为450um，减薄后蓝宝石衬底11的厚度为420um。在其它的实施例中，也可以是减薄前分别为500um、420um、380um、200um、100um等，减薄后依次是450um、400um、350um、180um、80um等。 
如图5a～5b所示，接着进行步骤4），对所述蓝宝石衬底11进行激光内切处理，形成至少两层与各该发光外延阵列对应且距离所述蓝宝石衬底11上表面不同深度的内切图案112。 
所述激光内切处理为通过控制激光的波段、频率、功率向所述蓝宝石衬底11发射激光脉冲，以使所述蓝宝石衬底11的内部结构产生应变或松弛，并保持其表面的平整。 
采用皮秒激光器对所述蓝宝石衬底11进行激光内切处理。在本实施例中，所述激光内切处理采用的激光波段为1064nm，激光频率为50～100KHz，激光功率为0.05～10W。当然，在其它的实施例中，可以根据衬底材料的变化和实际需求对以上参数进行调整。通过调节所述皮秒激光器的功率或频率，可以在所述蓝宝石衬底11内形成至少两层与各该发光外延阵列对应且距离所述蓝宝石衬底11上表面不同深度的内切图案112，且各该内切图案112垂向重叠。各层内切图案112之间的距离相等，在本实施例中，所述内切图案112为3层，且分别位于离该蓝宝石衬底11上表面为100um、200um及300um位置。在另一实施例中，所述减薄后的蓝宝石衬底11厚度为300um，所述内切图案112为两层，分别位于离所述蓝宝石衬底11上表面为100um及200um的位置。在另一实施例中，所述减薄后的蓝宝石衬底11厚度为450um，所述内切图案112为四层，分别位于离所述蓝宝石衬底11上表面为100um、200um、300um及400um的位置。 
所述内切图案112的平面形状为矩形、三角形形或菱形等，与上述定义的各该发光外延阵列对应。 
由于激光对蓝宝石衬底11有一定的作用范围，因此所述内切图案112具有一定的厚度，其厚度跟据激光的能量和衬底材料的性质确定。在本实施例中，所述内切图案112的厚度为3～12um。上述内切图案112的位置是指内切图案112的中心位置。 
所述内切图案112由多个结构松弛的微型腔体111间隔排列而成，且相邻两微型腔体111的中心距离为1～20um。由于激光脉冲具有一定的频率，在所述蓝宝石衬底11作用时会依据预设的路径形成具有特定间隔的微型腔体111，该微型腔体111由于激光的作用而具有一定的应变或松弛，也可能为微型空腔，所述特定间隔的长度依据激光的频率及其移动速度决定。 在本实施例中，所述微型腔体111呈橄榄球状或水滴状腔体。 
如图6所示，最后进行步骤5），依据所述内切图案112进行裂片，以完成所述发光二极管的制造。 
具体地，由于内切后蓝宝石衬底11内部应力分布不均匀，延内切的微型腔体111的位置容易开裂，故裂片后发光外延阵列的形状与内切图案112一致。由于所述内切图案112由多个微型腔体111组成，故裂片后蓝宝石衬底11的断裂面为粗糙的表面。 
综上所述，本发明的发光二极管的制造方法，先于厚蓝宝石衬底表面生长N-GaN层量子阱层、P-GaN层及透明导电层，然后定义发光外延阵列并制备电极，接着对所述蓝宝石衬底进行激光内切处理，形成至少两层与各该发光外延阵列对应且距离所述蓝宝石衬底上表面不同深度的内切图案，最后依据所述内切图案进行裂片，以完成所述发光二极管的制造。采用激光内切技术在后蓝宝石衬底中形成两层或多层内部层次结构的变化，提高了芯片的易裂程度和裂片的良率，且降低减薄所述蓝宝石衬底的时间和成本；裂片后的厚蓝宝石衬底侧壁为粗糙表面，降低了光线在侧壁的全反射，增加了侧壁的出光率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。 
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。 

Claims (9)

1.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，所述制造方法至少包括步骤：
1）提供一蓝宝石衬底，于所述蓝宝石衬底上表面形成至少包括N-GaN层、量子阱层、P-GaN层及透明导电层的发光外延层；
2）于所述发光外延层定义出多个发光外延阵列，刻蚀各该发光外延阵列的透明导电层、P-GaN层及量子阱层直至露出所述N-GaN层，形成N电极制备区域；
3）于各该发光外延阵列的透明导电层上制备P电极，并于各该N电极制备区域制备N电极；
4）对所述蓝宝石衬底进行激光内切处理，形成至少两层与各该发光外延阵列对应且距离所述蓝宝石衬底上表面不同深度的内切图案；
5）依据所述内切图案进行裂片，以完成所述发光二极管的制造。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述步骤3）还包括对所述蓝宝石进行减薄的步骤，减薄后蓝宝石衬底的厚度为60~450um。
3.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：步骤5）所述的激光内切处理为通过控制激光的波段、频率、功率向所述蓝宝石衬底发射激光脉冲，以使所述蓝宝石衬底的内部结构产生应变或松弛，并保持其表面的平整。
4.根据权利要求3所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：步骤5）中采用皮秒激光器对所述蓝宝石衬底进行激光内切处理。
5.根据权利要求4所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述激光内切处理采用的激光波段为1064nm，激光频率为50~100KHz，激光功率为0.05~10W。
6.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：步骤5）中的各该内切图案垂向重叠。
7.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：各层内切图案之间的距离相等。
8.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述内切图案的层数为两层、三层或四层。
9.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法，其特征在于：所述步骤6）中，裂片后蓝宝石衬底的断裂面为粗糙的表面。
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