CN105070799A - 一种led芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种LED芯片的制作方法，包括步骤：蓝宝石衬底上顺次生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层，用ICP刻蚀机台刻蚀P型GaN层露出L型台阶，在P型GaN层表层进行光刻胶涂覆，软考、曝光、显影等步骤露出需要制作电流阻挡层的区域，其他区域全部被保护；利用ICP在P型GaN层表面进行干法刻蚀，刻蚀区域为所述露出需要制作电流阻挡层的区域；制作电流扩展导电层；制作金属电极和钝化层，得到晶圆；晶圆减薄、背镀、切割裂片和晶粒分选得到LED芯片。本发明不需要沉积绝缘材料SiO2以及湿法腐蚀等步骤，简化工艺节省成本；提高产品的品质，良率有明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体LED领域，具体地说，是涉及一种LED芯片的制作方法。
背景技术
相较于内量子效率而言，GaN基LED的外量子效率和光提取效率还有待进一步的技术突破来取得提高。造成GaN基LED外量子效率和光提取效率较低的原因主要包括晶格缺陷对光的吸收、衬底对光的吸收以及光在出射过程中的全反射、材料层中的波导效应等。由于光提取效率和外量子效率在本质上是一致的。影响光子逸出主要有以下原因：光子的全反射，大部分光子在半导体与外部界面上由于全反射而回到半导体内部，全反射光被活性层自身、基板、电极等吸收而无法出射，因此，一般LED芯片的外部取光效率比内量子效率低很多；P型GaN层半透明金属接触电极层对光的吸收，它能吸收约30％的出射光线；N、P电极上键合焊点和引线对出射光线的遮挡；蓝宝石衬底对出射光的吸收。
针对影响外量子效率的因素，目前主要通过下列技术方案来提高GaN基LED的外量子效率，倒装焊技术(flipchip)；生长分布布喇格反射层(DBR)结构和高反射镜面电极；表面粗化技术；衬底剥离技术(Laserliftoff)；制作电流阻挡层等技术。以上方案也存在一些不足之处，倒装焊技术和衬底剥离技术难度较高，成本较大；DBR需要大型机台成本较高；目前通过制作电流阻挡层来提高芯片出光效率的方法已经被广泛使用，但是基本上都是通过PECVD沉积SiO2来实现的，该方法在后续PV湿法蚀刻时，酸液会渗透腐蚀电流阻挡层，从而影响电流阻挡层的效果和产品的良率。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种半导体芯片的制作方法，在芯片制作过程中，避免传统电流阻挡层所用材料为SiO2，只需在P型GaN层表面刻蚀掉一薄层便可以起到对电流的阻挡作用，一方面节省材料，另一方面减少钝化层湿法腐蚀中对电流阻挡层的破坏，提高产品良率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种LED芯片的制作方法，包括步骤：
将衬底表面清洁后沉积20-50nm缓冲层，在所述缓冲层上生长4-6μm的N型GaN层，接着在所述N型GaN层上生长200-300nm的多量子阱层，然后在所述多量子阱层上生长20-100nm的P型GaN层；
在所述P型GaN层上通过光刻制作芯片图形，用干法刻蚀设备ICP刻蚀出L型台阶，刻蚀深度1-2μm，切割道的宽度在10-30μm之间，该L型台阶的侧面从P型GaN层的侧面延伸至所述N型GaN层的侧面，所述L型台阶的水平方向的平面为N型GaN层所在的平面，所述L型台阶的侧面与水平面的夹角在120-150°之间；
在P型GaN层表面涂覆光刻胶厚度2-3μm，经过100-140℃软考1-2min、经过光罩版曝光和显影的步骤露出需要制作电流阻挡层的区域，其他区域全部被保护；
利用ICP在P型GaN层表面进行干法刻蚀，刻蚀区域为所述露出需要制作电流阻挡层的区域，刻蚀所用气体为BCl3与Cl2，其中BCl3占比20-80％，刻蚀速率0.5-1A/s，刻蚀深度
在所述P型GaN层上利用电子束蒸发设备蒸镀透明导电层ITO，透明导电层厚度经过黄光室在ITO表层涂覆光刻胶、光罩曝光、显影后露出多余部分ITO，经过化学腐蚀后将露出部分ITO腐蚀掉，最后去掉光刻胶，露出电流扩展导电层；
在所述电流扩展导电层上涂覆光刻胶，通过光罩版曝光、显影步骤将需要开孔的部位的光刻胶去掉，然后用化学腐蚀溶液将露出部位进行腐蚀，露出圆形小孔，圆形小孔面积为金属焊盘面积的10-90％；
制作金属电极和钝化层，得到晶圆；
晶圆减薄、背镀、切割裂片和晶粒分选得到LED芯片。
优选地，所述电流扩展导电层的材料，进一步为：
在380-550nm可见光范围内的透光率在90％以上；
合金前方块电阻8-10Ω，合金后电阻20-40Ω。
优选地，所述电流扩展导电层的材料，进一步为ITO或ZnO导电材料。
优选地，所述在所述电流扩展导电层上涂覆光刻胶，通过光罩版曝光、显影步骤将需要开孔的部位的光刻胶去掉，然后用化学腐蚀溶液将露出部位进行腐蚀，露出圆形小孔，圆形小孔面积为金属焊盘面积的10％-90％，进一步的，
所述化学腐蚀溶液成分为Fecl3和Hcl的混合液。
优选地，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅。
与现有技术相比，本发明所述的LED芯片的制作方法，达到了如下效果：
(1)传统的电流阻挡层制作方法如下：在外延层P型GaN层表层沉积SiO2，厚度通过黄光室在SiO2表面涂覆光刻胶，经过光罩版曝光、显影后露出多余部分SiO2，然后用化学腐蚀液BOE，主要成分为HF与NH4F的混合液，对多余部分SiO2进行蚀刻，剩下被保护的SiO2起到电流阻挡层的作用。与LED芯片制作工艺中传统电流阻挡层相比，本发明不需要沉积绝缘材料SiO2以及湿法腐蚀等步骤，简化工艺节省成本；
(2)提高产品的品质，良率有明显提高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术的LED芯片结构；
图2为本发明的LED芯片结构；
图3为实施例4、实施例5、实施例6、实施例7与对比试验的点测亮度比较结果。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1：
本实施例提供了一种LED芯片的制作方法，包括步骤：
步骤101：将衬底1表面清洁后沉积20nm缓冲层2，在所述缓冲层2上生长4μm的N型GaN层3，接着在所述N型GaN层3上生长200nm的多量子阱层4，然后在所述多量子阱层4上生长20nm的P型GaN层5；
所述衬底1为蓝宝石、碳化硅或硅。
步骤102：在所述P型GaN层5上通过光刻制作芯片图形，用干法刻蚀设备ICP刻蚀出L型台阶6，刻蚀深度1μm，切割道的宽度10μm，该L型台阶6的侧面从P型GaN层5的侧面延伸至所述N型GaN层3的侧面，所述L型台阶6的水平方向的平面为N型GaN层3所在的平面，所述L型台阶6的侧面与水平面的夹角为120°；
步骤103：在P型GaN层5表面涂覆光刻胶厚度2μm，经过100℃软考1min、经过光罩版曝光和显影的步骤露出需要制作电流阻挡层77的区域，其他区域全部被保护；图2中P型GaN层上的凹槽就是电流阻挡层77。
步骤104：利用ICP在P型GaN层5表面进行干法刻蚀，刻蚀区域为所述露出需要制作电流阻挡层77的区域，刻蚀所用气体为BCl3与Cl2，其中BCl3占比20％，刻蚀速率0.5A/s，刻蚀深度
步骤105：在所述P型GaN层5上利用电子束蒸发设备蒸镀透明导电层ITO，透明导电层厚度经过黄光室在ITO表层涂覆光刻胶、光罩曝光、显影后露出多余部分ITO，经过化学腐蚀后将露出部分ITO腐蚀掉，最后去掉光刻胶，露出电流扩展导电层8；
该电流扩展导电层8的材料对芯片电性起到关键作用，必须满足两个条件：一是在可见光范围380-550nm必须具有良好的透光性能，透光率在90％以上；二是必须具有良好的导电性能，合金前方块电阻8-10Ω，合金后20-40Ω。该层材料包括ITO、ZnO等其他具有良好透光性和导电性的材料。
步骤106：在所述电流扩展导电层8上涂覆光刻胶，通过光罩版曝光、显影步骤将需要开孔的部位的光刻胶去掉，然后用化学腐蚀溶液将露出部位进行腐蚀，露出圆形小孔，圆形小孔面积为金属焊盘面积的10％；
化学腐蚀溶液成分为Fecl3和Hcl的混合液或者其他酸性溶液。
步骤107：制作金属电极和钝化层，得到晶圆；制作方法均采用现有技术的方法，这里不做具体限定。金属电极包括P9电极和N电极10。
步骤108：晶圆减薄、背镀、切割裂片和晶粒分选得到LED芯片。制作方法均采用现有技术的方法，这里不做具体限定。
实施例2：
本实施例提供了一种LED芯片的制作方法，包括步骤：
步骤201：将衬底1表面清洁后沉积35nm缓冲层2，在所述缓冲层2上生长5μm的N型GaN层3，接着在所述N型GaN层3上生长250nm的多量子阱层4，然后在所述多量子阱层4上生长60nmP型GaN层5；
所述衬底1为蓝宝石、碳化硅或硅。
步骤202：在所述P型GaN层5上通过光刻制作芯片图形，用干法刻蚀设备ICP刻蚀出L型台阶6，刻蚀深度1.5μm，切割道的宽度在20μm，该L型台阶6的侧面从P型GaN层5的侧面延伸至所述N型GaN层3的侧面，所述L型台阶6的水平方向的平面为N型GaN层3所在的平面，所述L型台阶6的侧面与水平面的夹角为135°；
步骤203：在P型GaN层5表面涂覆光刻胶厚度2.5μm，经过120℃软考1.5min、经过光罩版曝光和显影的步骤露出需要制作电流阻挡层77的区域，其他区域全部被保护；
步骤204：利用ICP在P型GaN层5表面进行干法刻蚀，刻蚀区域为所述露出需要制作电流阻挡层77的区域，刻蚀所用气体为BCl3与Cl2，其中BCl3占比50％，刻蚀速率0.7A/s，刻蚀深度
步骤205：在所述P型GaN层5上利用电子束蒸发设备蒸镀透明导电层ITO，透明导电层厚度经过黄光室在ITO表层涂覆光刻胶、光罩曝光、显影后露出多余部分ITO，经过化学腐蚀后将露出部分ITO腐蚀掉，最后去掉光刻胶，露出电流扩展导电层8；
该电流扩展导电层8的材料对芯片电性起到关键作用，必须满足两个条件：一是在可见光范围380-550nm必须具有良好的透光性能，透光率在90％以上；二是必须具有良好的导电性能，合金前方块电阻8-10Ω，合金后20-40Ω。该层材料包括ITO、ZnO等其他具有良好透光性和导电性的材料。
步骤206：在所述电流扩展导电层8上涂覆光刻胶，通过光罩版曝光、显影步骤将需要开孔的部位的光刻胶去掉，然后用化学腐蚀溶液将露出部位进行腐蚀，露出圆形小孔，圆形小孔面积为金属焊盘面积的50％；
化学腐蚀溶液成分为Fecl3和Hcl的混合液或者其他酸性溶液。
步骤207：制作金属电极和钝化层，得到晶圆；制作方法均采用现有技术的方法，这里不做具体限定。金属电极包括P9电极和N电极10。
步骤208：晶圆减薄、背镀、切割裂片和晶粒分选得到LED芯片。制作方法均采用现有技术的方法，这里不做具体限定。制作方法均采用现有技术的方法，这里不做具体限定。
实施例3：
本实施例提供了一种LED芯片的制作方法，包括步骤：
步骤301：将衬底1表面清洁后沉积50nm缓冲层2，在所述缓冲层2上生长6μm的N型GaN层3，接着在所述N型GaN层3上生长300nm的多量子阱层4，然后在所述多量子阱层4上生长100nmP型GaN层5；
所述衬底1为蓝宝石、碳化硅或硅。
步骤302：在所述P型GaN层5上通过光刻制作芯片图形，用干法刻蚀设备ICP刻蚀出L型台阶6，刻蚀深度2μm，切割道的宽度在30μm之间，该L型台阶6的侧面从P型GaN层5的侧面延伸至所述N型GaN层3的侧面，所述L型台阶6的水平方向的平面为N型GaN层3所在的平面，所述L型台阶6的侧面与水平面的夹角在150°之间；
步骤303：在P型GaN层5表面涂覆光刻胶厚度3μm，经过140℃软考2min、经过光罩版曝光和显影的步骤露出需要制作电流阻挡层77的区域，其他区域全部被保护；
步骤304：利用ICP在P型GaN层5表面进行干法刻蚀，刻蚀区域为所述露出需要制作电流阻挡层77的区域，刻蚀所用气体为BCl3与Cl2，其中BCl3占比80％，刻蚀速率1A/s，刻蚀深度
步骤305：在所述P型GaN层5上利用电子束蒸发设备蒸镀透明导电层ITO，透明导电层厚度经过黄光室在ITO表层涂覆光刻胶、光罩曝光、显影后露出多余部分ITO，经过化学腐蚀后将露出部分ITO腐蚀掉，最后去掉光刻胶，露出电流扩展导电层8；
该电流扩展导电层8的材料对芯片电性起到关键作用，必须满足两个条件：一是在可见光范围380-550nm必须具有良好的透光性能，透光率在90％以上；二是必须具有良好的导电性能，合金前方块电阻8-10Ω，合金后20-40Ω。该层材料包括ITO、ZnO等其他具有良好透光性和导电性的材料。
步骤306：在所述电流扩展导电层8上涂覆光刻胶，通过光罩版曝光、显影步骤将需要开孔的部位的光刻胶去掉，然后用化学腐蚀溶液将露出部位进行腐蚀，露出圆形小孔，圆形小孔面积为金属焊盘面积的90％；
化学腐蚀溶液成分为Fecl3和Hcl的混合液或者其他酸性溶液。
步骤307：制作金属电极和钝化层，得到晶圆；制作方法均采用现有技术的方法，这里不做具体限定。金属电极包括P9电极和N电极10。
步骤308：晶圆减薄、背镀、切割裂片和晶粒分选得到LED芯片。制作方法均采用现有技术的方法，这里不做具体限定。
以下实施案例以蓝宝石衬底1GaN基LED蓝光芯片制作为例，每个案列1000片样品，样品尺寸为18*35mil2。
实施例4
在实施例1的基础上，在蓝宝石衬底1上生长GaN外延层(GaN外延层自下而上包括缓冲层2、N型GaN层3、多量子阱层4和P型GaN层5，以下实施例相同)，外延层厚度6-8μm，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶6，刻蚀深度1.3-1.5μm为佳，在P型GaN层表层进行光刻胶涂覆，软考、曝光、显影等步骤露出需要制作电流阻挡层77的区域，其他区域全部被保护，用ICP机台进行干法刻蚀处理，去除光刻胶后用台阶仪测试刻蚀深度用ITO蒸镀机台制作电流扩展导电层8，用蒸镀机台制作P电极9、N电极10，然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等，点测亮度132.1mw，测试良率94％。
实施例5
在实施例1的基础上，在蓝宝石衬底1上生长GaN外延层，外延层厚度6-8μm，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶6，刻蚀深度1.3-1.5μm为佳，在P型GaN层表层进行光刻胶涂覆，软考、曝光、显影等步骤露出需要制作电流阻挡层77的区域，其他区域全部被保护，用ICP机台进行干法刻蚀处理，去除光刻胶后用台阶仪测试刻蚀深度用ITO蒸镀机台制作电流扩展导电层8，用蒸镀机台制作P电极9、N电极10，然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等，点测亮度133.5mw，测试良率95％。
实施例6
在实施例1的基础上，在蓝宝石衬底1上生长GaN外延层，外延层厚度6-8μm，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶6，刻蚀深度1.3-1.5μm为佳，在P型GaN层表层进行光刻胶涂覆，软考、曝光、显影等步骤露出需要制作电流阻挡层77的区域，其他区域全部被保护，用ICP机台进行干法刻蚀处理，去除光刻胶后用台阶仪测试刻蚀深度用ITO蒸镀机台制作电流扩展导电层8，用蒸镀机台制作P电极9、N电极10，然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等，点测亮度136.2mw，测试良率96％。
实施例7
在实施例1的基础上，在蓝宝石衬底1上生长GaN外延层，外延层厚度6-8μm，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶6，刻蚀深度1.3-1.5μm为佳，在P型GaN层表层进行光刻胶涂覆，软考、曝光、显影等步骤露出需要制作电流阻挡层77的区域，其他区域全部被保护，用ICP机台进行干法刻蚀处理，去除光刻胶后用台阶仪测试刻蚀深度用ITO蒸镀机台制作电流扩展导电层8，用蒸镀机台制作P电极9、N电极10，然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等，点测亮度131.6mw，测试良率94％。
对比试验
结合图1，在蓝宝石衬底1上生长GaN外延层(GaN外延层自下而上包括缓冲层2、N型GaN层3、多量子阱层4和P型GaN层5)，外延层厚度6-8μm，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶6，刻蚀深度1.3-1.5μm为佳，用PECVD设备沉积厚度1000-2000埃厚度SiO2层，在P型GaN层表层进行光刻胶涂覆，软考、曝光、显影等步骤保护需要制作电流阻挡层77的区域，其他区域全部暴露，用BOE湿法腐蚀掉暴露的SiO2，未被腐蚀的SiO2作为电流阻挡层7，用ITO蒸镀机台制作电流扩展导电层8，用蒸镀机台制作P、N电极10，然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等，点测亮度135.6mw，测试良率90％。
与现有技术相比，本发明所述的LED芯片的制作方法，达到了如下效果：
(1)传统的电流阻挡层制作方法如下：在外延层P型GaN层表层沉积SiO2，厚度通过黄光室在SiO2表面涂覆光刻胶，经过光罩版曝光、显影后露出多余部分SiO2，然后用化学腐蚀液BOE，主要成分为HF与NH4F的混合液，对多余部分SiO2进行蚀刻，剩下被保护的SiO2起到电流阻挡层的作用。与LED芯片制作工艺中传统电流阻挡层77相比，本发明不需要沉积绝缘材料SiO2以及湿法腐蚀等步骤，简化了工艺节省成本；
(2)提高产品的品质，良率有明显提高。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种LED芯片的制作方法，其特征在于，包括步骤：
将衬底表面清洁后沉积20-50nm缓冲层，在所述缓冲层上生长4-6μm的N型GaN层，接着在所述N型GaN层上生长200-300nm的多量子阱层，然后在所述多量子阱层上生长20-100nm的P型GaN层；
在所述P型GaN层上通过光刻制作芯片图形，用干法刻蚀设备ICP刻蚀出L型台阶，刻蚀深度1-2μm，切割道的宽度在10-30μm之间，该L型台阶的侧面从P型GaN层的侧面延伸至所述N型GaN层的侧面，所述L型台阶的水平方向的平面为N型GaN层所在的平面，所述L型台阶的侧面与水平面的夹角在120-150°之间；
在P型GaN层表面涂覆光刻胶厚度2-3μm，经过100-140℃软考1-2min、经过光罩版曝光和显影的步骤露出需要制作电流阻挡层的区域，其他区域全部被保护；
利用ICP在P型GaN层表面进行干法刻蚀，刻蚀区域为所述露出需要制作电流阻挡层的区域，刻蚀所用气体为BCl3与Cl2，其中BCl3占比20-80％，刻蚀速率0.5-1A/s，刻蚀深度
在所述P型GaN层上利用电子束蒸发设备蒸镀透明导电层ITO，透明导电层厚度经过黄光室在ITO表层涂覆光刻胶、光罩曝光、显影后露出多余部分ITO，经过化学腐蚀后将露出部分ITO腐蚀掉，最后去掉光刻胶，露出电流扩展导电层；
在所述电流扩展导电层上涂覆光刻胶，通过光罩版曝光、显影步骤将需要开孔的部位的光刻胶去掉，然后用化学腐蚀溶液将露出部位进行腐蚀，露出圆形小孔，圆形小孔面积为金属焊盘面积的10-90％；
制作金属电极和钝化层，得到晶圆；
晶圆减薄、背镀、切割裂片和晶粒分选得到LED芯片。
2.根据权利要求1所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述电流扩展导电层的材料，进一步为：
在380-550nm可见光范围内的透光率在90％以上；
合金前方块电阻8-10Ω，合金后电阻20-40Ω。
3.根据权利要求2所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述电流扩展导电层的材料，进一步为ITO或ZnO导电材料。
4.根据权利要求1所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述在所述电流扩展导电层上涂覆光刻胶，通过光罩版曝光、显影步骤将需要开孔的部位的光刻胶去掉，然后用化学腐蚀溶液将露出部位进行腐蚀，露出圆形小孔，圆形小孔面积为金属焊盘面积的10％-90％，进一步的，
所述化学腐蚀溶液成分为Fecl3和Hcl的混合液。
5.根据权利要求1所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅或硅。
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