CN103560183B - 高光效发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高光效发光二极管芯片及其制备方法,涉及半导体技术领域。该方法包括:提供一衬底;在衬底上生长GaN基外延片;在GaN基外延片上制备用于裸露部N型GaN层的凸台;在凸台的下水平端面的一部分区域上制备阵列形式排列的凸起或凹陷图形;在凸台的上水平端面上生长透明导电层;在凸台的下水平端面的另一部分区域上设置N电极,在透明导电层上设置P电极;在透明导电层的上表面之裸露的部分、凸台的竖直端面和下水平端面之裸露的部分上均覆盖钝化层。通过上述技术方案,本发明制备的高光效发光二极管芯片能较大程度地避免GaN基外延片中多量子阱层发出的光被GaN基外延片内部吸收,提高发光二极管芯片的光提取效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域,特别涉及一种高光效发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
LED(发光二极管,Lighting Emitting Diode)是一种将电能转化为光能的发光器件,广泛应用于人们的日常生活中。LED的核心组件为LED芯片。
现有LED芯片包括衬底和在衬底上生长的GaN基外延片,该GaN基外延片包括在衬底上依次向上生长的N型GaN层,多量子阱层和P型GaN层。该GaN基外延片的表面设有裸露出部分N型GaN层的台阶,该台阶的上水平端面上生长有透明导电层,透明导电层上设有P电极,该台阶的下水平端面上设有N电极,该透明导电层上表面之裸露的部分、该台阶的竖直端面和该台阶的下水平端面之裸露的部分均覆盖有钝化层。
在实现本发明的过程中,发明人发现现有技术至少存在以下问题:
在GaN基外延片的折射率大于空气的折射率的前提情况下,由于现有GaN基外延片的N型GaN层的表面基本为水平面,因此光从N型GaN层射向空气的全反射临界角较小,致使GaN基外延片中多量子阱层发出的光,较容易被反射回去,继续在GaN基外延片内部传播,最终被GaN基外延片完全吸收,致使现有发光二极管芯片的光提取效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种高光效发光二极管芯片机器制备方法,以较大程度地避免GaN基外延片中多量子阱层发出的光被GaN基外延片内部吸收,提高发光二极管芯片的光提取效率。
为了实现上述目的,一方面,本发明提供了一种高光效发光二极管芯片的制备方法,包括:
提供一衬底;
在所述衬底上生长GaN基外延片,所述GaN基外延片包括在所述衬底上依次向上生长的N型GaN层1、多量子阱层和P型GaN层;
在所述GaN基外延片上制备用于裸露部分的所述N型GaN层的凸台;
在所述凸台的下水平端面的一部分区域上制备阵列形式排列的凸起或凹陷图形,所述凸起或凹陷图形的侧面相对于所述衬底的上表面的角度为30~70度;
在所述凸台的上水平端面上生长透明导电层;
在所述凸台的下水平端面的另一部分区域上设置N电极,在所述透明导电层上设置P电极;
在所述透明导电层的上表面之裸露的部分、所述凸台的竖直端面和下水平端面之裸露的部分上均覆盖钝化层。
优选地,所述在所述凸台的下水平端面的一部分区域上制备阵列形式排列的凸起或凹陷图形,包括:
在所述凸台的下水平端面的一部分区域旋涂一层正型光阻剂;
使用自然光刻蚀法对所述下水平端面的一部分区域进行蚀刻,以在所述一部分区域上蚀刻出所述阵列形式排列的凹陷图形,所述凹陷图形的直径为2~10um,高度为2~5um,相邻的所述凹陷图形之间的距离为2~10um;
对蚀刻有所述凹陷图形的GaN基外延片与所述衬底一起进行烘烤,以将所述凹陷图形的侧面相对于所述衬底的上表面的角度控制在30~70度范围内;
对烘烤后的所述GaN基外延片进行干法刻蚀,在所述下水平端面形成与上述光刻图形整列对应的向内凹陷的图形阵列;
去除所述GaN基外延片干法刻蚀后附着的残胶。
同样优选地,所述在所述凸台的下水平端面的一部分区域上制备阵列形式排列的凸起或凹陷图形,包括:
对所述凸台的下水平端面的一部分区域进行激光烧蚀,以在所述一部分区域上形成元素为凹陷图形的烧蚀图形阵列,所述凹陷图形的直径为1~5um,深度为5~30um,相邻的所述凹陷图形之间的距离为2~5um;
去除所述一部分区域在激光烧蚀后附着的激光烧蚀残余物,并扩大所述一部分区域在激光烧蚀后形成的凹陷图形的直径。
进一步地,所述去除所述一部分区域在激光烧蚀后附着的激光烧蚀残余物,并扩大所述一部分区域在激光烧蚀后形成的凹陷图形的直径,包括:
将所述一部分区域在激光烧蚀后形成的凹陷图形浸置于浓硫酸或者磷酸中,所述浓硫酸或者所述磷酸的温度为180度~260度,浸置时间为10~30min;
将所述凹陷图形从所述浓硫酸或者所述磷酸中取出,并去除所述凹陷图形附着的酸液残留物。
再进一步地,所述对所述凸台的下水平端面的一部分区域进行激光烧蚀之前,包括:
在形成有所述凸台的GaN基外延片的表面制备一层抗酸液腐蚀保护层,
所述去除所述一部分区域在激光烧蚀后附着的激光烧蚀残余物,并扩大所述一部分区域在激光烧蚀后形成的凹陷图形的直径之后,包括:
去除所述抗酸液腐蚀保护层。
更进一步地,所述对所述凸台的下水平端面的一部分区域进行激光烧蚀之前,所述在形成有所述凸台的GaN基外延片的表面制备一层抗酸液腐蚀保护层之后,包括:
在所述抗酸液腐蚀保护层的表面制备一层抗激光烧蚀保护胶;
对所述抗激光烧蚀保护胶进行烘烤,
所述对所述凸台的下水平端面的一部分区域进行激光烧蚀之后,包括:
去除所述抗激光烧蚀保护胶。
另一方面,本发明提供了一种高光效发光二极管芯片,包括衬底和在所述衬底上生长的GaN基外延片,所述GaN基外延片包括在所述衬底上依次向上生长的N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层,所述GaN基外延片的表面设有裸露出部分的所述N型GaN层的凸台,所述凸台的上水平端面上生长有透明导电层,所述透明导电层上设有P电极,所述凸台的下水平端面的一部分区域设有阵列形式排列的凸起或凹陷图形,所述凸起或凹陷图形的侧面相对于所述衬底的上表面的角度为30~70度,所述凸台的下水平端面的另一部分区域上设有N电极,所述透明导电层的上表面之裸露的部分、所述凸台的竖直端面和下水平端面之裸露的部分均覆盖有钝化层。
进一步地,所述凸起或凹陷图形为多边锥形、圆锥形、多边柱形、圆柱形、多棱台形、梯形多边台形、梯形圆台形、半球形或球冠中的任一种。
进一步地,所述凸起或凹陷图形的直径为2~10um,高度为2~5um,相邻的所述凸起或凹陷图形之间的间距为2~10um。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
在GaN基外延片的折射率大于空气的折射率的前提情况下,由于在GaN基外延片上制备有裸露部分N型GaN层的凸台,且在凸台的下水平端面的一部分区域上形成有阵列形式排列的凸起或凹陷图形,因此光从N型GaN层射向空气的全反射临界角较大,这样GaN基外延片中多量子阱层发出的光,不容易被反射回去被GaN基外延片吸收,而容易从N型GaN层射向空气中,LED芯片的光提取效率较高。通过验证,本实施例高光效LED芯片的光提取效率为5%以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种高光效LED芯片的制备方法的流程图;
图1a是图1所示方法中涉及的制备GaN基外延片的示意图;
图1b是图1所示方法中涉及的制备凸台的示意图;
图1c是图1所示方法中涉及的形成阵列形式排列的凹陷图形的示意图;
图1d是图1所示方法中涉及的形成透明导电层的示意图;
图1e是图1所示方法中涉及的形成N电极和P电极的示意图;
图1f是图1所示方法中涉及的形成钝化层的示意图;
图2是图1所示方法中涉及的晶圆N区刻蚀后的示意图;
图3是图1所示方法中涉及的晶圆N区形成凸起或凹陷的图形阵列的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
参考图1,本实施例提供了一种高光效发光二极管芯片的制备方法,包括:
步骤S10,提供一衬底10。
在本实施例中,衬底10可以为蓝宝石、碳化硅、硅或氮化镓衬底。
步骤S20,在衬底10上生长GaN基外延片20,该GaN基外延片20包括在衬底10上依次向上生长的N型GaN层21、多量子阱层22和P型GaN层23(参见图1a)。
在本实施例中,在衬底10上生长GaN基外延片20是通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀,Metal-organic Chemical Vapor Deposition)法实现的。
步骤S30,在GaN基外延片20上制备用于裸露部分N型GaN层21的凸台20’(参见图1b)。
在本实施例中,对GaN基外延片20的上表面的一部分区域进行光刻,以在GaN基外延片20的上表面形成若干预定图形,然后对GaN基外延片20的上表面之预定图形以外的部分进行刻蚀。
可以理解地,对GaN基外延片20的上表面的一部分区域进行光刻可以利用光刻胶实现,即在GaN基外延片20的上表面的一部分区域上覆盖一层光刻胶。
同样可以理解地,对GaN基外延片20的上表面之预定图形以外的部分进行刻蚀可以通过ICP刻蚀机实现。刻蚀后GaN基外延片20的上表面之未覆盖光刻胶的部分形成凹陷,覆盖光刻胶的部分形成凸台。
具体地,如图1b,凸台20’包括下水平端面201’、上水平端面202’和竖直端面203’。
步骤S40,在该凸台20’的下水平端面201’的一部分区域上制备阵列形式排列的凹陷图形100b(参见图1c)。
步骤S50,在该凸台20’的上水平端面202’上生长透明导电层30(参见图1d);
步骤S60,在该凸台20’的下水平端面201’的另一部分区域上设置N电极41,在透明导电层30上设置P电极42(参考图1e)。
步骤S70,在该透明导电层30的上表面之裸露的部分、该凸台20’的竖直端面203’和该凸台20’的下水平端面201’之裸露的部分上均覆盖钝化层43(参考图1f)。
需要说明的是,在本实施例中,步骤S70覆盖钝化层43之后,可以根据实际芯片所需厚度的大小对衬底10的厚度进行减薄,衬底10的厚度减薄过程可以通过研磨抛光设备实现。
另外,本实施例高光效发光二极管芯片的制备方法可以在一个晶圆上制作出多个LED器件。具体地,在晶圆的衬底10上生长GaN基外延片,再根据单个LED器件的尺寸在GaN基外延片20上制备用于裸露部分N型GaN层21的凸台20’,形成有凸台20’的GaN基外延片20与单个LED器件的尺寸对应(参见图2),然后进行步骤S40,步骤S40执行之后形成如图3所示的图形阵列,接着进行步骤S50至步骤S70,再对衬底10进行减薄,最后利用机械裂片或激光裂片的方式将覆盖有钝化层的晶圆分割成单个LED器件。
作为一种实施方式,步骤S40可以通过干法刻蚀实现。具体地,步骤S40包括:
步骤S411,在凸台20’的下水平端面201’的一部分区域旋涂一层正型光阻剂。
优选地,正型光阻剂的厚度可以为3~4um。
步骤S412,使用自然光刻法对该下水平端面201’的一部分区域进行光刻,以在该一部分区域上光刻出阵列形式排列的凹陷图形100b,该凹陷图形100b的直径为2~10um,深度为2~5um,相邻凹陷图形100b之间的距离为2~10um。
在本实施例中,使用自然光刻法对该下水平端面201’的一部分区域进行光刻,具体为:1)在该下水平端面201’的一部分区域旋涂一层正型光阻剂,该正型光阻剂的厚度为2~5um;2)在旋涂有正型光阻剂的下水平端面201’上覆盖光刻板,对下水平端面201’进行曝光;3)将曝光后的下水平端面201’放入显影液,此时,下水平端面201’上曝过光的正型光阻剂被溶解,这样在该下水平端面201’的一部分区域上形成了预定图形,需要说明的是,下水平端面201’上未曝过光的部分仍覆盖有正型光阻剂。
优选地,凹陷图形100b的直径可以为2um,深度可以2um,相邻凹陷图形100b之间的间距可以为2um。
步骤S413,对光刻形成有凹陷图形100b的GaN基外延片20与衬底10一起进行烘烤,以将凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α控制在30~70度范围内。
在本实施例中,将蚀刻有凹陷图形100b的GaN基外延片20与衬底10一起放置于烘板上进行烘烤,保持衬底10的底面向上。可以理解地,烘烤之前,显影后形成的预定图形的侧面(凹陷图形100b的侧面)相对于衬底10的上表面的角度α为90度。通过高温烘烤,正型光阻剂软化收缩,由于衬底10的地面向上,也就是说,正型光刻胶的上表面向下,温度最高,因此正型光刻胶的垂直面(凹陷图形100b的侧面)向正型光刻胶的上表面收缩,凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α小于90度。
烘烤之前设置烘板的工作参数,例如,烘烤温度设置为120~150度,烘烤时间设置为90~120S。较佳地,当烘烤温度设置为150度,烘烤时间设置为120S时,凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α为47度左右。由于凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α从0度增大到30度时,光提取效率会迅速上升;α从30度增大到50度时,光提取效率的上升速度逐步减小;α从50度增大到70度时,光提取效率的上升速度更小;α从70度增大到90度时,光提取效率的逐步下降。因此,凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α控制在30~70度范围内,可以获取较高的光提取效率。
步骤S414,对烘烤后的GaN基外延片20的凹陷图形100b进行干法刻蚀。
在本实施例中,也可以对烘烤后的GaN基外延片20的下水平端面201’的一部分区域(包括凹陷图形100b和GaN基外延片20之覆盖有正型光阻剂的部分)进行干法刻蚀,对凹陷图形100b进行干法刻蚀直至裸露出部分N型GaN层21,甚至裸露出部分衬底层10(参考图1c),以在下水平端面201’形成与光刻图像整列对应的向内凹陷的图形阵列,该图形阵列的直径为2~10um,深度为2~5um,相邻预定图形之间的距离与光刻后形成的预定图形相同。可以理解地,覆盖有正型光阻剂的部分在上述干法刻蚀后仍保留有残余的正型光阻剂。具体地,此种方式可以利用具有冷却效果的ICP刻蚀机或RIE刻蚀机实现。蚀刻之前设置ICP刻蚀机或RIE刻蚀机的工作参数,例如,刻蚀温度设置为20度,刻蚀时间设置为10~30min,刻蚀功率设置为800~1000W,偏压功率设置为400~600W,CF4的体积流量设置为60sccm,此时,凹陷图形100b的深度为2~5um。当刻蚀温度设置为20度,刻蚀时间设置为15min,刻蚀功率设置为1000W,偏压功率设置为450W,CF4的体积流量设置为60sccm时,凹陷图形100b的深度为3um。
步骤S415,去除GaN基外延片20干法刻蚀后的残胶。
在本实施例中,采用高温去光阻剂去除干法刻蚀后的残胶(正型光阻剂)。
作为另一种实施例方式,步骤S40可以通过激光蚀刻实现。具体地,步骤S40包括:
步骤S421,在形成有凸台20’的GaN基外延片20的整个外表面制备一层抗酸液腐蚀保护层,以保护GaN基外延片20的P型GaN层23免受酸液腐蚀。
在本实施例中,较佳地,抗酸液腐蚀保护层可以为SiO2,厚度可以为0.2~1um,如0.5um。同样较佳地,抗酸液腐蚀保护层可以为氮化硅,厚度可以为0.1~2um。
另外,在本实施例中,该抗酸液腐蚀保护层可以通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积,Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法在形成有凸台20’的GaN基外延片20的表面对抗酸液进行蒸发实现。
步骤S422,在抗酸液腐蚀保护层的表面制备一层抗激光烧蚀保护胶,以防止GaN基外延片20在后续进行激光烧蚀时形成的颗粒物沾附在非激光烧灼区域而伤到非激光烧蚀区域。
在本实施例中,可以采用旋涂方法在抗酸液腐蚀保护层的表面形成一层抗激光烧蚀保护胶,旋涂方法能保证胶涂覆的均匀性。需要说明的是,抗激光烧蚀保护胶是进行光刻时使用的胶,厚度为2~5um。优选地,抗激光烧蚀保护胶的厚度可以为3um。
步骤S423,对抗激光烧蚀保护胶进行烘烤,以增加抗激光烧蚀保护胶的粘附性,更能对抗激光烧蚀。
在本实施例中,对抗激光烧蚀保护胶进行烘烤的温度可以为95~130度,此时抗激光烧蚀保护胶的粘附性最好。
步骤S424,对凸台20’的下水平端面201’的一部分区域进行激光烧蚀,以在该下水平端面201’的一部分区域上形成元素为凹陷图形100b的烧蚀图形阵列,其中,凹陷图形100b的直径为1~5um,深度为5~30um,相邻凹陷图形100b之间的距离为2~5um。
在本实施例中,利用激光划片机对凸台20’的下水平端面201’的一部分区域进行激光烧蚀。激光打点之前设置激光划片机的工作参数,例如,激光能量设置为0.8~1.8W,入射深度设置为5~30um,打点速度设置为40mm/s~80mm/s。较佳地,激光能量设置为1.69W,入射深度设置为35um,打点速度设置为70mm/s。
需要说明的是,激光烧灼后的GaN基外延片20的上表面(包括凹陷图形100b的侧面)会由于烧灼未尽而产生的颗粒物,凹陷图形100b的侧面的平整性较差。同时该颗粒物为黑色不透光的,具有吸光作用,会降低光提取效率。
步骤S245,使用去光阻剂去除抗激光烧蚀保护胶。
在本实施例中,可以利用去光阻剂去除抗激光烧蚀保护胶。
步骤S426,将凸台20’的下水平端面201’的凹陷图形100b浸置于浓硫酸或者磷酸中,浓硫酸或者磷酸的温度为180度~260度,浸置时间为10~30min,其中,凹陷图形100b的直径为3~10um,深度和相邻凹陷图形100b之间的距离与烧灼图形阵列的凹陷图形100b相同。
需要说明的是,凸台20’的下水平端面201’的一部分区域在激光烧蚀后,凹陷图形100b附着有激光烧蚀残余物,一方面,该激光烧蚀残余物吸光,因此需要去除该激光烧蚀残余物,另一方面,激光烧蚀后形成的凹陷图形100b的直径较小,光从N型GaN层21射向空气的全反射临界角不大,因此需要扩大凹陷图形100b的直径。浓硫酸或者磷酸可以将激光烧蚀残余物溶解掉,并能通过腐蚀扩大凹陷图形100b的直径。具体地,酸液从激光打孔的地方进入,在将激光烧灼后的黑色颗粒物腐蚀掉后,继续对GaN进行腐蚀,扩大凹陷图形100b的直径。同时,由于抗酸液腐蚀保护层的保护,P型GaN层23的上表面不会受到酸液的损伤。另外,通过酸液对GaN(凹陷图形100b的侧面)进行腐蚀,使凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α小于90度,但该角度的大小不好控制。
较佳地,浓硫酸或者磷酸的温度为260度,酸液浸置时间为15min。
步骤S427,将凸台20’从浓硫酸或者磷酸中取出,去除凸台20’上的浓硫酸或者磷酸残留物。
在本实施例中,浓硫酸或者磷酸残留物的去除可以利用清水清洗凸台20’实现。
步骤S428,去除GaN基外延片20的抗酸液腐蚀保护层。
在本实施例中,去除抗酸液腐蚀保护层可以通过将GaN基外延片20浸置于HF酸中实现,其中HF酸的浓度为5%~30%,,酸液浸置时间为0.5~2min。
作为再一种实施方式,步骤S40可以通过湿法腐蚀实现。具体地,步骤S40包括:
步骤S431,在形成有凸台20’的GaN基外延片20的表面制备一层抗酸液腐蚀保护层,以保护GaN基外延片20的P型GaN层23免受酸液腐蚀。
在本实施例中,较佳地,抗酸液腐蚀保护层可以为SiO2,厚度可以为0.2~1um,如0.5um,同样较佳地,抗酸液腐蚀保护层为氮化硅,厚度为0.1~2um。
另外,在本实施例中,该抗酸液腐蚀保护层可以通过PECVD法在形成有凸台20’的GaN基外延片20的表面对抗酸液进行蒸发实现。
步骤S432,使用自然光刻法对设有抗酸液腐蚀保护层的凸台20’的下水平端面201’的一部分区域形成出阵列形式排列的凹陷图形100b,该凹陷图形100b的直径为2~10um,高度为2~4um,相邻凹陷图形100b之间的间距为2~10um。
在本实施例中,使用自然光刻法对该下水平端面201’的一部分区域进行光刻,具体为:1)在该下水平端面201’的一部分区域旋涂一层正型光阻剂,该正型光阻剂的厚度为2~5um;2)在旋涂有正型光阻剂的下水平端面201’上覆盖光刻板,对下水平端面201’进行曝光;3)将曝光后的下水平端面201’放入显影液,此时,下水平端面201’上曝过光的正型光阻剂被溶解,这样在该下水平端面201’的一部分区域上形成了预定图形,需要说明的是,下水平端面201’上未曝过光的部分仍覆盖有正型光阻剂。
在本实施例中,凹陷图形100b的直径可以为2um,相邻图形元素100b之间的间距可以为2um。
可以理解地,在步骤S432之前,步骤S40还包括步骤:在设有抗酸液腐蚀保护层的凸台20’的下水平端面201’的一部分区域旋涂一层正型光阻剂。
步骤S433,对该抗酸液腐蚀保护层进行湿法腐蚀,以在抗酸液腐蚀保护层的表面腐蚀出与凹陷图形100b对应的图形。
在本实施例中,对该凹陷图形100b进行湿法腐蚀是通过将该凹陷图形100b放入HF酸中浸置5~10min实现的,抗酸液腐蚀保护层成为直径为2~10um,高度为2~4um,相邻图形之间的间距为2~10um的图形阵列。
可以理解地,在抗酸液腐蚀保护层的表面腐蚀出与凹陷图形100b对应的图形也可以通过干法刻蚀的方式实现,具体步骤包括:对光刻形成有凹陷图形100b的GaN基外延片20与衬底10一起进行烘烤,以将凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α控制在30~70度范围内;对烘烤后的GaN基外延片20的凹陷图形100b进行干法刻蚀,直至将光刻后未覆盖光刻胶的抗酸液保护层刻掉。
在本实施例中,将蚀刻有凹陷图形100b的GaN基外延片20与衬底10一起放置于烘板上进行烘烤,保持衬底10的底面向上。可以理解地,烘烤之前,显影后形成的预定图形的侧面(凹陷图形100b的侧面)相对于衬底10的上表面的角度α为90度。通过高温烘烤,正型光阻剂软化收缩,由于衬底10的地面向上,也就是说,正型光刻胶的上表面向下,温度最高,因此正型光刻胶的垂直面(凹陷图形100b的侧面)向正型光刻胶的上表面收缩,凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α小于90度。
烘烤之前设置烘板的工作参数,例如,烘烤温度设置为120~150度,烘烤时间设置为90~120S。较佳地,当烘烤温度设置为150度,烘烤时间设置为120S时,凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α为47度左右。由于凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α从0度增大到30度时,光提取效率会迅速上升;α从30度增大到50度时,光提取效率的上升速度逐步减小;α从50度增大到70度时,光提取效率的上升速度更小;α从70度增大到90度时,光提取效率的逐步下降。因此,凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α控制在30~70度范围内,可以获取较高的光提取效率。
步骤S435,对该凹陷图形进行干法刻蚀。
在本实施例中,也可以对烘烤后的GaN基外延片20的下水平端面201’的一部分区域(包括凹陷图形100b和GaN基外延片20之覆盖有正型光阻剂的部分)进行干法刻蚀,对凹陷图形100b进行干法刻蚀直至裸露出部分N型GaN层21,甚至裸露出部分衬底层10(参考图1c),以在下水平端面201’形成与光刻图像整列对应的向内凹陷的图形阵列,该图形阵列的直径为2~10um,深度为2~5um,相邻预定图形之间的距离与光刻后形成的预定图形相同。可以理解地,覆盖有正型光阻剂的部分在上述干法刻蚀后仍保留有残余的正型光阻剂。具体地,此种方式可以利用ICP刻蚀机或RIE刻蚀机实现。蚀刻之前设置ICP刻蚀机或RIE刻蚀机的工作参数,如刻蚀温度设置为20度,刻蚀时间设置为30min,刻蚀深度设置为1~5um,刻蚀功率设置为450W,偏压功率设置为150W,Bcl3的体积流量设置为60sccm;CL2的体积流量设置为20sccm。
步骤S436,将凸台20’的下水平端面201’的凹陷图形100b浸置于浓硫酸或者磷酸中,浓硫酸或者磷酸的温度为180度~260度,浸置时间为10~30min,其中,凹陷图形100b的直径为3~10um,深度和相邻凹陷图形100b之间的距离与烧灼图形阵列的凹陷图形100b相同。
需要说明的是,能通过浓硫酸或者磷酸腐蚀进而扩大凹陷图形100b的直径。在本实施例中,浓硫酸或者磷酸的温度为260度,酸液浸置时间为15min。
步骤S437,将凸台20’从浓硫酸或者磷酸中取出,去除凸台20’上的浓硫酸或者磷酸残留物。
在本实施例中,浓硫酸或者磷酸残留物的去除可以利用清水清洗凸台20’实现。
步骤S438,去除GaN基外延片20的抗酸液腐蚀保护层。
在本实施例中,去除抗酸液腐蚀保护层可以通过将GaN基外延片20浸置于HF酸中实现,其中HF酸的浓度为5%~30%,酸液浸置时间为0.5~2min。
需要说明的是,上述提供了步骤S40的三种实现方式。第一种实现方式在三种实现方式中最简单方便,采用光刻形成所需的图形阵列,但是刻蚀后会在凹陷内残留很难去除的反应物。第二种实现方式通过激光刻蚀得到所需的图像阵列,并采用高温酸液腐蚀基本去除残余物,刻蚀后不会在凹陷内残留很难去除的反应物。但是由于激光光束的限制,图形的直径较小,需要高温酸液腐蚀对图形的直径进行扩大,并且高温酸液腐蚀对外延层和抗酸液保护层的质量要求较高。如果外延层的质量较差,那么进行高温酸液腐蚀时,凹陷图形的侧面会很快被腐蚀;如果抗酸液保护层的质量较差,那么进行高温酸液腐蚀时,P型GaN层会受到损伤,造成芯片电性异常。而且第二种实现方式无法对凹陷图形的侧面相对于衬底的上表面的角度进行准确控制。第三种实现方式综合第一种实现方式和第二种实现方式,先通过光刻、以及湿法腐蚀或干法腐蚀在抗酸性保护层上形成所需的图形阵列,然后通过干法刻蚀对外延层进行刻蚀,在外延层上形成所需的凹陷图形,再通过高温酸液腐蚀去除残余物,同时通过对凹陷图形的侧面进行高温酸液腐蚀,扩大凹陷图形的直径。由于通过干法刻蚀对外延层进行刻蚀,在外延层上形成所需的凹陷图形,因此可以对凹陷图形的侧面相对于衬底的上表面的角度进行准确控制。同时,由于通过高温酸液腐蚀去除残余物,因此刻蚀后不会在凹陷内残留很难去除的反应物。
在上述实施例的基础之上,作为本发明的另一实施例,步骤S40之前,还包括:
步骤S400a,将形成有凸台20’的GaN基外延片20放置于去光阻剂中,以去除制备凸台20’时残留在GaN基外延片20的表面上的光刻胶。
在本实施例中,去光阻剂可以为高温去光阻剂或低温去光阻剂或常温去光阻剂。
步骤S400b,将形成有凸台20’的GaN基外延片20放置于无水乙醇中,以去除残留在GaN基外延片20的表面的去光阻剂。
由上述技术方案可知,本实施例高光效LED芯片的制备方法具有如下优点:
在GaN基外延片的折射率大于空气的折射率的前提情况下,由于本方法在GaN基外延片上制备有裸露部分N型GaN层的凸台,且在凸台的下水平端面的一部分区域上形成有阵列形式排列的凸起或凹陷图形,因此光从N型GaN层射向空气的全反射临界角较大,这样GaN基外延片中多量子阱层发出的光,不容易被反射回去被GaN基外延片吸收,而容易从N型GaN层射向空气中,LED芯片的光提取效率较高。通过验证,本实施例高光效LED芯片的光提取效率为5%以上。
而且,与GaN基外延片的折射率和衬底的折射率之间的差值相比,GaN基外延片的折射率和空气的折射率之间的差值大得多,因此由于N型GaN层射向空气的全反射临界角较小而反射回去的光,比由于N型GaN层射向衬底的全反射临界角较小而反射回去的光多得多,因此在GaN基外延片上制备有裸露部分N型GaN层的凸台,且在凸台的下水平端面的一部分区域上形成有阵列形式排列的凸起或凹陷图形,增大全反射临界角提高的光提取效率,比在衬底上形成有阵列形式排列的凸起或凹陷图形,增大全反射临界角提高的光提取效率高得多。
另外,由于在凸台的下水平端面的一部分区域上形成有阵列形式排列的凹陷图形,因此N型GaN层的组成减少,这降低N型GaN层对光的吸收,提高LED芯片的光提取效率。
实施例二
参见图1f,本发明提供了一种高光效发光二极管芯片,包括衬底10和在衬底10上生长的GaN基外延片20,该GaN基外延片20包括在衬底10上依次向上生长的N型GaN层21、多量子阱层22和P型GaN层23。该GaN基外延片20的表面设有裸露出部分N型GaN层21的凸台20’,该凸台20’的上水平端面202’上生长有透明导电层30,透明导电层30上设有P电极42,该凸台20’的下水平端面201’的一部分区域设有阵列形式排列的凸起或凹陷图形100b,该凸台20’的下水平端面201’的另一部分区域上设有N电极41,该透明导电层30的上表面之裸露的部分、该凸台20’的竖直端面203’和下水平端面201’之裸露的部分均覆盖有钝化层43。
进一步地,该凸起或凹陷图形100b为多边锥形、圆锥形、多边柱形、圆柱形、多棱台形、梯形多边台形、梯形圆台形、半球形或球冠中的任一种。
进一步地,该凸起或凹陷图形100b的直径为2~10um,该凸起或凹陷图形100b的高度为2~5um,相邻凸起或凹陷图形100b之间的间距为2~10um。
进一步地,该凸起或凹陷图形100b的侧面相对于衬底10的上表面的角度α为30~70度。
由上述技术方案可知,本实施例高光效LED芯片具有如下优点:
在GaN基外延片的折射率大于空气的折射率的前提情况下,由于本实施例GaN基外延片设有裸露部分N型GaN层,且凸台的下水平端面的一部分区域设有阵列形式排列的凸起或凹陷图形,因此光从N型GaN层射向空气的全反射临界角较大,这样GaN基外延片中多量子阱层发出的光,不容易被反射回去被GaN基外延片吸收,而容易从N型GaN层射向空气中,LED芯片的光提取效率较高。通过验证,本实施例高光效LED芯片的光提取效率为5%以上。
而且,与GaN基外延片的折射率和衬底的折射率之间的差值相比,GaN基外延片的折射率和空气的折射率之间的差值大得多,因此由于N型GaN层射向空气的全反射临界角较小而反射回去的光,比由于N型GaN层射向衬底的全反射临界角较小而反射回去的光多得多,因此在GaN基外延片上制备有裸露部分N型GaN层的凸台,且在凸台的下水平端面的一部分区域上形成有阵列形式排列的凸起或凹陷图形,增大全反射临界角提高的光提取效率,比在衬底上形成有阵列形式排列的凸起或凹陷图形,增大全反射临界角提高的光提取效率高得多。
另外,由于凸台的下水平端面的一部分区域设有阵列形式排列的凹陷图形,因此N型GaN层的组成减少,这降低N型GaN层对光的吸收,提高LED芯片的光提取效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高光效发光二极管芯片的制备方法,其特征在于,包括:
提供一衬底;
在所述衬底上生长GaN基外延片,所述GaN基外延片包括在所述衬底上依次向上生长的N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层;
在所述GaN基外延片上制备用于裸露部分的所述N型GaN层的凸台;
在所述凸台的下水平端面的一部分区域上制备阵列形式排列的凸起或凹陷图形,所述凸起或凹陷图形的侧面相对于所述衬底的上表面的角度为30~70度;
在所述凸台的上水平端面上生长透明导电层;
在所述凸台的下水平端面的另一部分区域上设置N电极,在所述透明导电层上设置P电极;
在所述透明导电层的上表面之裸露的部分、所述凸台的竖直端面和下水平端面之裸露的部分上均覆盖钝化层。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述在所述凸台的下水平端面的一部分区域上制备阵列形式排列的凸起或凹陷图形,包括:
在所述凸台的下水平端面的一部分区域旋涂一层正型光阻剂;
使用自然光刻法在所述下水平端面的一部分区域进行光刻,以在所述一部分区域上形成出所述阵列形式排列的图形,所述图形的直径为2~10um,高度为2~5um,相邻的所述图形之间的距离为2~10um;
对上述光刻形成图形的GaN基外延片与所述衬底一起进行烘烤,以将所述图形的侧面相对于所述衬底的上表面的角度控制在30~70度范围内;
对烘烤后的所述GaN基外延片进行干法刻蚀,在所述下水平端面形成与上述光刻图形整列对应的向内凹陷的图形阵列;
去除所述GaN基外延片干法刻蚀后附着的残胶。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述在所述凸台的下水平端面的一部分区域上制备阵列形式排列的凸起或凹陷图形,包括:
对所述凸台的下水平端面的一部分区域进行激光烧蚀,以在所述一部分区域上形成元素为凹陷图形的烧蚀图形阵列,所述凹陷图形的直径为1~5um,深度为5~30um,相邻的所述凹陷图形之间的距离为2~5um;
去除所述一部分区域在激光烧蚀后附着的激光烧蚀残余物,并扩大所述一部分区域在激光烧蚀后形成的凹陷图形的直径。
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,所述去除所述一部分区域在激光烧蚀后附着的激光烧蚀残余物,并扩大所述一部分区域在激光烧蚀后形成的凹陷图形的直径,包括:
将所述一部分区域在激光烧蚀后形成的凹陷图形浸置于浓硫酸或者磷酸中,所述浓硫酸或者所述磷酸的温度为180度~260度,浸置时间为10~30min;
将所述凹陷图形从所述浓硫酸或者所述磷酸中取出,并去除所述凹陷图形附着的酸液残留物。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述对所述凸台的下水平端面的一部分区域进行激光烧蚀之前,包括:
在形成有所述凸台的GaN基外延片的表面制备一层抗酸液腐蚀保护层,
所述去除所述一部分区域在激光烧蚀后附着的激光烧蚀残余物,并扩大所述一部分区域在激光烧蚀后形成的凹陷图形的直径之后,包括:
去除所述抗酸液腐蚀保护层。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,所述对所述凸台的下水平端面的一部分区域进行激光烧蚀之前,所述在形成有所述凸台的GaN基外延片的表面制备一层抗酸液腐蚀保护层之后,包括:
在所述抗酸液腐蚀保护层的表面制备一层抗激光烧蚀保护胶;
对所述抗激光烧蚀保护胶进行烘烤,
所述对所述凸台的下水平端面的一部分区域进行激光烧蚀之后,包括:
去除所述抗激光烧蚀保护胶。
7.一种高光效发光二极管芯片,包括衬底和在所述衬底上生长的GaN基外延片,所述GaN基外延片包括在所述衬底上依次向上生长的N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层,其特征在于,所述GaN基外延片的表面设有裸露出部分的所述N型GaN层的凸台,所述凸台的上水平端面上生长有透明导电层,所述透明导电层上设有P电极,所述凸台的下水平端面的一部分区域设有阵列形式排列的凸起或凹陷图形,所述凸起或凹陷图形的侧面相对于所述衬底的上表面的角度为30~70度,所述凸台的下水平端面的另一部分区域上设有N电极,所述透明导电层的上表面之裸露的部分、所述凸台的竖直端面和下水平端面之裸露的部分均覆盖有钝化层。
8.如权利要求7所述的芯片,其特征在于,所述凸起或凹陷图形为多边锥形、圆锥形、多边柱形、圆柱形、多棱台形、梯形多边台形、梯形圆台形、半球形或球冠中的任一种。
9.如权利要求7所述的芯片,其特征在于,所述凸起或凹陷图形的直径为2~10um,高度为2~5um,相邻的所述凸起或凹陷图形之间的间距为2~10um。
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