CN106206874A - 一种基于粗化外延片的led芯片的电极色差改善方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，将供后续制备电极的让位区域的GaN外延片表面蚀刻至平整，使其表面粗糙度相同，在制备电极后无色差，完全消除色差异常，节省了由该色差异常产生的成本；且后续制备透明导电层与电极，该区域平整连接，电流阻力小、扩散快，光反射概率大，LED芯片的光电性也得到一定程度上的改善。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片领域，具体涉及一种基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED灯的出现，相对于普通灯(白炽灯等)具有节能、寿命长、适用性好、回应时间短、环保等优点。
蓝、绿光的LED芯片的制程中，现在制备LED芯片的外延片的主流的做法是在蓝宝石衬底上依次沉积掺杂不同离子的GaN所形成的N型层、发光层及P型层，GaN外延片分为平片和粗片，平片与粗片是以P型层的表面为平整或粗糙来进行判定。
平片，P型层的表面平滑，出光折射率低，出光效率高，适用于高亮度LED芯片的制备。但在生产LED芯片的过程中，制备在GaN外延层表面的透明导电层、透明绝缘层等附着性不好，对GaN外延层表面的洁净度要求严格，在生产过程中稍微有些污染就容易剥落，若前期未能及时卡住，在成品阶段就会导致成品(如LED灯)的使用寿命下降。
粗片，P型层的表面粗糙，与透明导电层、透明绝缘层等的附着性好，制程稳定，结构稳定，被封装成灯珠后常被运用于室外显示屏等室外环境。但在制备LED芯片的过程中，经常会存在P、N电极之间存在较大的色差，即P电极与N电极之间的亮度差异较大，一个电极亮、一个电极暗。虽然电极之间的色差对芯片本身的光电性无明显影响，但在封装阶段的焊线流程中，焊线机台是通过捕捉电极来进行焊线的，电极之间存在较大色差，机台无法识别，往往需要人工操作，极大影响了封装效率。为此，在生产LED芯片的阶段就需要将存在色差的芯片或整个外延片进行筛选。
影响色差的因素主要为以下三点：
1.ICP(等离子)干蚀刻的影响，ICP干蚀刻主要是将部分P型层表面蚀刻至裸露出N型层，主要采用氩离子及氯离子进行蚀刻，氩离子主要起到纵向蚀刻，氯离子主要起到横向蚀刻，若蚀刻时参数控制不好，蚀刻至N型层后其表面与P型层的表面粗糙度差异大，则后续再制备电极之后就会出现色差。
2.磊晶影响，即在制备GaN外延层时，N型层与P型层的密度(硬度)差异较大，在ICP干蚀刻后表面粗糙度同样会出现差异大。
3.污染影响，在进行ICP干蚀刻前晶片出现污染，导致ICP干蚀刻后N型层表面蚀刻不净，同样会出现色差。
且判定是否存在色差只能在制备出电极之后才能判断，到时再进行重工或报废的成本太高，且同一个作业批次的产品均会出现，到时还需要浪费人力去将其找出，损失太大。
中国实用新型专利申请号为：CN201520076413.8公开了一种N电极下N型区域部分蚀刻的LED芯片，将N电极下的外延层一部分保留，一部分蚀刻，N电极大部分区域制备在保留区域，边缘延伸至被蚀刻的N型层用于接通电流。该方案虽然有效的解决了电极色差的问题，但是，N电极只用一部分区域进行接通电流，是必会影响芯片的电性，导致电压偏高。若增加N电极的面积来降低电压，则又导致生产成本升高(电极主要材质为金属金)，且效果还不会理想。这种以牺牲电性的方式才改善色差，只是一种拆东墙补西墙的方式，并不是理想的方案。
发明内容
为此，本发明通过一同将对应电极位置的P型层与N型层的区域的平整化处理，有效解决后续出现的电极色差，且平整化处理还在一定程度上改善LED芯片的光电性。
为达到上述目的，本发明提供的一种基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，包括如下步骤：
S1，提供一粗化GaN外延片，该GaN外延片包括：蓝宝石衬底，依次层叠设置在该蓝宝石衬底上的N型层、发光层及粗化P型层；
S2，在部分粗化P型层表面蚀刻至裸露出N型层；
S3，在粗化P型层与裸露出的N型层的表面制备金属保护层，并分别在粗化P型层与N型层上裸露出供后续制备电极的让位区域；
S4，置于碱性蚀刻液中进行蚀刻，将S3中裸露在金属保护层外的让位区域的GaN外延片表面蚀刻至平整；
S5，去除金属保护层；
S6，制备透明导电层及P、N电极，且P、N电极分别对应设置在让位区域的位置上。
进一步的，所述步骤S2中，在部分粗化P型层表面蚀刻至裸露出N型层，其蚀刻方式为ICP干蚀刻。
进一步的，所述步骤S3中，具体包括如下步骤：
S3-1，分别在粗化P型层与N型层上后续制备P、N电极的区域制备一光阻掩膜层，
S3-2，在粗化P型层、N型层及光阻掩膜层的表面制备金属保护层，
S3-3，去除光阻掩膜层及在该光阻掩膜层表面的金属保护层，即得到裸露的让位区域。
再进一步的，所述光阻掩膜层不做烘烤硬化处理。
再进一步的，所述金属保护层的厚度小于光阻掩膜层厚度的三分之一。
再进一步的，所述金属保护层为层叠的铬层与镍层，所述铬层连接在GaN外延片表面与镍层之间。
再进一步的，所述步骤S5中，去除金属保护层的具体方式为将其置于铬蚀刻液中进行蚀刻。
进一步的，所述步骤S4中，碱性蚀刻液为5-20mol/L的KOH溶液，其蚀刻温度为90-120℃，蚀刻时间50-100分钟。
进一步的，所述步骤S4中，蚀刻深度小于1μm。
进一步的，所述让位区域的直径比所对应电极的直径大1-5μm。
通过本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
1.将供后续制备电极的让位区域的GaN外延片表面蚀刻至平整，使其表面粗糙度相同，在制备电极后无色差，完全消除色差异常，节省了由该色差异常产生的成本；且后续制备透明导电层与电极，该区域平整连接，电流阻力小、扩散快，光反射概率大，LED芯片的光电性也得到一定程度上的改善。
2.金属保护层为层叠的铬层与镍层，所述铬层连接在GaN外延片表面与镍层之间。金属镍不容易与碱性蚀刻液(特别是KOH蚀刻液)产生反应，可起到有效的保护，铬粘附性好，可将镍层与GaN外延片粘附牢固，且后续只要将铬层蚀刻去除将将金属保护层去除干净。
3.金属保护层的厚度小于光阻掩膜层厚度的三分之一，金属保护层不致于将光阻掩膜层的侧面完全包覆，有机清洗液可从侧面对光阻掩膜层进行蚀刻去除。
4.所述让位区域的直径比所对应电极的直径大1-5μm。防止电极对偏造成单个电极形成色差。
附图说明
图1所示为本实施例中粗化GaN外延片的剖面示意图；
图2所示为本实施例中完成步骤S2所得到的剖面示意图；
图3(a)所示为本实施例中完成步骤S3所得到的剖面示意图；
图3(b)所示为图3(a)中A区域的放大示意图；
图4(a)所示为本实施例中完成步骤S4所得到的剖面示意图；
图4(b)所示为图4(a)中B区域的放大示意图；
图5所示为本实施例中完成步骤S5所得到的剖面示意图；
图6所示为本实施例中完成步骤S6-1所得到的剖面示意图；
图7所示为本实施例中完成步骤S6-2所得到的剖面示意图；
图8所示为本实施例中完成步骤S6-3所得到的剖面示意图；
图9所示为本发明提供的改善方法与现有技术所制备的LED芯片的电压对比示意图；
图10所示为本发明提供的改善方法与现有技术所制备的LED芯片的亮度对比示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明提供的一种基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，包括如下步骤：
S1，提供一粗化GaN外延片，该GaN外延片包括：蓝宝石衬底101，依次层叠设置在该蓝宝石衬底101上的N型层102、发光层103及粗化P型层104；做法是在蓝宝石衬底101上依次沉积掺杂不同离子的GaN所形成的N型层101、发光层103及粗化P型层104，如图1所示。该方法是现有技术，是本领域内的技术人员早已掌握的，再次不再详细描述。
S2，在部分粗化P型层104表面蚀刻至裸露出N型层102，如图2所示；其具体包括如下步骤：
S2-1，在粗化P型层104的表面制备一掩膜层(未示出)，并裸露出需要时刻的区域；该掩膜层为二氧化硅层或光阻掩膜层。光阻掩膜层为正光阻液通过光刻制备而成。
S2-2，利用ICP干蚀刻将掩膜层外的区域蚀刻至裸露出N型层102，因ICP干蚀刻的纵向蚀刻性比较好，所以蚀刻至N型层102表面时，同样具有粗糙度；
S2-3，去除掩膜层，完成本步骤，如图2所示。
S3，在粗化P型层104与裸露出的N型层102的表面制备金属保护层(201、202)，并分别在粗化P型层104与N型层102上裸露出供后续制备电极的让位区域(1041、1021)，如图3(a)、图3(b)所示；其具体步骤如下：
S3-1，分别在粗化P型层104与N型层102上后续制备P、N电极的区域制备一光阻掩膜层(未示出)；
S3-2，在粗化P型层104、N型层102及光阻掩膜层的表面制备金属保护层(201、202)，金属保护层为层叠的铬层201与镍层202，所述铬层201连接在GaN外延片表面与镍层202之间。金属镍不容易与碱性蚀刻液(特别是KOH蚀刻液)产生反应，可起到有效的保护，铬粘附性好，可将镍层202与GaN外延片粘附牢固，且后续只要将铬层201蚀刻去除将金属保护层去除干净。
S3-3，去除光阻掩膜层及在该光阻掩膜层表面的金属保护层，即得到裸露的让位区域(1041、1021)，如图3(a)、图3(b)所示。
步骤S2、S3中，光阻掩膜层不做烘烤硬化处理，在粗化P型层104、N型层102及光阻掩膜层的表面制备金属保护层，且该金属保护层的厚度小于光阻掩膜层厚度的三分之一。金属保护层不致于将光阻掩膜层的侧面完全包覆，有机清洗液可从侧面对光阻掩膜层进行蚀刻去除，光阻掩膜层不做烘烤硬化处理，可提高蚀刻速率。另一方面，若光阻掩膜层进行烘烤硬化处理，其整体厚度会下塌，厚度减薄，硬度增强，均会影响效果。
本步骤中，让位区域(1041、1021)的直径比所对应电极的直径大1-5μm。防止电极对偏造成单个电极形成色差。
S4，置于碱性蚀刻液中进行蚀刻，将S3中裸露在金属保护层外的让位区域(1041、1021)的GaN外延片表面蚀刻至平整，如图4(a)所示；需要说明的是，蚀刻至平整的平整度并非是直线型，而是具有轻微凹凸的表面，此为GaN晶格所致，详细如图4(b)所示。
本步骤中，碱性蚀刻液为10mol/L的KOH溶液，其蚀刻温度为100℃，蚀刻时间80分钟，其蚀刻深度为0.3μm，其蚀刻后平整度好，电极无色差。在高温状态下，KOH溶液可缓慢蚀刻GaN，因表面具有粗糙度，其横向蚀刻更为明显(KOH与GaN在高温下反应方程式是化学领域内的技术人员所熟知的，只要能将GaN蚀刻即可，其产物不是本发明的技术点，所以在此不再详细描述)。
因电极的高度一般为1-2μm，所以，蚀刻深度小于1μm，保证电极具有突出于GaN外延片表面的区域。在不断试验中，对于KOH溶液的浓度，在5mol/L以下时，无论温度级时间如何控制，均无法将GaN外延片表面蚀刻平整；浓度在5-20mol/L时较为平稳，在KOH溶液的浓度在20mol/L以上时，蚀刻速率大，难以管控。对于温度，KOH溶液至少在90℃才会与GaN有较好的反应，但处于安全考虑，温度又不可过高，所以蚀刻温度保持在90-120℃的安全温度即可。在蚀刻时间上，因蚀刻较缓慢，为保证蚀刻平整，以浓度5mol/L，温度90℃的条件下，至少需要蚀刻50分钟，又为效率及蚀刻深度考量，蚀刻时间最好控制在50-100分钟。
S5，去除金属保护层(201、202)，如图5所示；具体方式为将其置于铬蚀刻液中进行蚀刻，只要将铬层201蚀刻完，镍层202自然清除干净。其铬蚀刻液为现有产品，是市场上早就存在的，在此就不详细描述其成分。
S6，制备透明导电层30及P电极401与N电极402，且P电极401与N电极402分别对应设置在让位区域(1041、1021)的位置上。其具体步骤为：
S6-1，在S5得到的产品的粗化P型层104表面(包括粗化P型层104上的让位区域1041)制备一ITO透明导电层30，如图6所示；
S6-2，制备P电极401与N电极402，P电极401对应P型层104上的让位区域1041，N电极402对应N型层102上的让位区域1021，如图7所示。
本步骤中，还包括步骤S6-3，在最表面制备一二氧化硅保护层50，并裸露出P电极401与N电极402，如图8所示。
本实施例中，P型层104中，只在对应P电极401位置的表面做平整化处理，面积小，不会影响到P型层104与ITO透明导电层30或二氧化硅保护层50的结合。
本发明提供的技术方案，将供后续制备电极的让位区域的GaN外延片表面蚀刻至平整，使其表面粗糙度相同，在制备电极后无色差，完全消除色差异常，节省了由该色差异常产生的成本；且后续制备透明导电层与电极，该区域平整连接，电流阻力小、扩散快，光反射概率大，LED芯片的光电性也得到一定程度上的改善。如图9、10所示，对照组与改善组的区别在于：改善组采取本发明的方案进行改善的方案，在20mA的工作电流下，较之对照组，其电压减小0.05V，出光亮整体增大3％。对于粗片系列的产品，其光电性改善相当明显了。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，提供一粗化GaN外延片，该GaN外延片包括：蓝宝石衬底，依次层叠设置在该蓝宝石衬底上的N型层、发光层及粗化P型层；
S2，在部分粗化P型层表面蚀刻至裸露出N型层；
S3，在粗化P型层与裸露出的N型层的表面制备金属保护层，并分别在粗化P型层与N型层上裸露出供后续制备电极的让位区域；
S4，置于碱性蚀刻液中进行蚀刻，将S3中裸露在金属保护层外的让位区域的GaN表面蚀刻至平整；
S5，去除金属保护层；
S6，制备透明导电层及P、N电极，且P、N电极分别对应设置在让位区域的位置上。
2.根据权利要求1所述的基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，其特征在于：所述步骤S2中，在部分粗化P型层表面蚀刻至裸露出N型层，其蚀刻方式为ICP干蚀刻。
3.根据权利要求1所述的基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，其特征在于：所述步骤S3中，具体包括如下步骤：
S3-1，分别在P型层与N型层上后续制备P、N电极的区域制备一光阻掩膜层，
S3-2，在粗化P型层、N型层及光阻掩膜层的表面制备金属保护层，
S3-3，去除光阻掩膜层及在该光阻掩膜层表面的金属保护层，即得到裸露的让位区域。
4.根据权利要求3所述的基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，其特征在于：所述光阻掩膜层不做烘烤硬化处理。
5.根据权利要求3所述的基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，其特征在于：所述金属保护层的厚度小于光阻掩膜层厚度的三分之一。
6.根据权利要求1或3所述的基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，其特征在于：所述金属保护层为层叠的铬层与镍层，所述铬层连接在GaN表面与镍层之间。
7.根据权利要求6所述的基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，其特征在于：所述步骤S5中，去除金属保护层的具体方式为将其置于铬蚀刻液中进行蚀刻。
8.根据权利要求1所述的基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，其特征在于：所述步骤S4中，碱性蚀刻液为5-20mol/L的KOH溶液，其蚀刻温度为90-120℃，蚀刻时间50-100分钟。
9.根据权利要求1所述的基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，其特征在于：所述步骤S4中，蚀刻深度小于1μm。
10.根据权利要求1所述的基于粗化外延片的LED芯片的电极色差改善方法，其特征在于：所述让位区域的直径比所对应电极的直径大1-5μm。
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