CN107068810A - 一种发光二极管芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管芯片的制备方法，属于半导体技术领域。包括：在衬底上生长外延层；沉积一层第一绝缘材料；在第一道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀第一绝缘材料，形成电流阻挡层；去除光刻胶；沉积一层透明导电材料；在第二道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀透明导电材料，形成透明导电层；刻蚀外延层，形成凹槽；采用第一腐蚀溶液对透明导电层的边缘进行腐蚀，使透明导电层的边缘和凹槽的边缘的距离为1～2μm；采用第二腐蚀溶液对电流阻挡层进行腐蚀，形成通孔；去除光刻胶；沉积一层第二绝缘材料；在第三道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀第二绝缘材料，形成钝化层；铺设电极材料；去除光刻胶。本发明降低成本，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管芯片的制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能够将电能有效转化为光能的半导体器件，作为目前最具潜力的新光源，已经广泛应用于军事、生活照明、背光照明等领域。
现有LED芯片的制备方法通常包括：在蓝宝石衬底上依次生长n型氮化物半导体层、有源层、p型氮化物半导体层；在p型氮化物半导体层上开设从p型氮化物半导体层延伸至n型氮化物半导体层的凹槽；在p型氮化物半导体层上形成电流阻挡层；在电流阻挡层和p型氮化物半导体层上形成透明导电层；在p型氮化物半导体层上形成p型电极，并在n型氮化物半导体层上形成n型电极；在n型氮化物半导体层和透明导电层上形成钝化层。
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：
凹槽、电流阻挡层、透明导电层、电极(包括p型电极和n型电极)、以及钝化层的形成均需要采用光刻工艺形成一定图形的光刻胶，并在光刻胶的保护下进行刻蚀，因此现有LED芯片的制备方法一共采用了五道光刻工艺，实现成本很高。而且为了避免透明导电层覆盖在凹槽侧壁上导致LED芯片漏电，因此需要透明导电层的边缘和凹槽的边缘之间具有一定的间距，考虑到光刻工艺中误差和精度限制的影响，通常会将透明导电层的边缘和凹槽的边缘的间距设计为3～4μm，以保证透明导电层的边缘不会覆盖在凹槽侧壁上，但这样很容易造成透明导电层的边缘和凹槽的边缘的实际间距达到6～7μm，注入LED芯片的电流无法扩展到p型氮化物半导体层的边缘，p型氮化物半导体层的边缘没有空穴注入有源层与电子进行复合发光，没有空穴注入的有源层区域被浪费，降低了LED芯片的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术需要五道光刻工艺，成本较高，以及发光区域浪费，发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底上生长外延层，所述外延层包括依次层叠在所述衬底上的N型层、有源层和P型层；
在所述P型层上沉积一层第一绝缘材料；
在第一道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀所述第一绝缘材料，形成电流阻挡层；
去除所述第一道光刻工艺形成的光刻胶；
在所述电流阻挡层和所述P型层上沉积一层透明导电材料；
在第二道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀所述透明导电材料，形成透明导电层；
在所述第二道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀所述外延层，形成从所述P型层延伸至所述N型层的凹槽；
采用第一腐蚀溶液对所述透明导电层的边缘进行腐蚀，使所述透明导电层的边缘和所述凹槽的边缘的距离为1～2μm；
采用第二腐蚀溶液对所述电流阻挡层进行腐蚀，在所述电流阻挡层内形成延伸至所述P型层的通孔；
去除所述第二道光刻工艺形成的光刻胶；
在所述透明导电层、所述通孔的侧壁、所述P型层、所述凹槽的侧壁和所述N型层上沉积一层第二绝缘材料；
在第三道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀所述第二绝缘材料，形成钝化层；
在所述第三道光刻工艺形成的光刻胶、所述P型层和所述N型层上铺设一层电极材料；
去除所述第三道光刻工艺形成的光刻胶、以及所述第三道光刻工艺形成的光刻胶上的所述电极材料，形成P型电极和N型电极。
可选地，所述制备方法还包括：
在所述去除所述第二道光刻工艺形成的光刻胶之前，通入氧气到所述第二道光刻工艺形成的光刻胶上。
可选地，所述第一腐蚀溶液为三氯化铁和氯化氢的混合溶液，所述三氯化铁的质量占所述混合溶液的质量的27％～29％，所述氯化氢的质量占所述混合溶液的质量的11％～13％。
优选地，所述第一腐蚀溶液的腐蚀温度为39～41℃。
优选地，所述第一腐蚀溶液的腐蚀时间为5～20s。
可选地，所述第二腐蚀溶液为缓冲氧化硅刻蚀液。
可选地，所述第一绝缘材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁中的至少一种。
可选地，所述第二绝缘材料为氧化硅或者氧化铝。
可选地，所述电极材料包括金、铝、铬、镍、铂、钛中的至少一种。
可选地，所述透明导电材料包括氧化铟锡、掺杂氟的氧化锡、石墨烯中的至少一种。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过采用同一道光刻工艺形成的光刻胶完成透明导电层和凹槽的形成，采用同一道光刻工艺形成的光刻胶完成钝化层和电极的形成，将光刻工艺从五道减少到三道，大大降低了LED芯片的制造成本。而且还在第二道光刻工艺形成的光刻胶去除之前，利用腐蚀溶液对透明导电层的边缘进行腐蚀，使透明导电层的边缘和凹槽的边缘的距离为1～2μm，一方面透明导电层的边缘和凹槽的边缘之间存在一定的距离，避免透明导电层覆盖在凹槽侧壁上导致LED芯片漏电，另一方面也可以避免由于光刻工艺的误差和精度的问题而造成透明导电层的边缘和凹槽的边缘之间的距离过大(如6～7μm)，透明导电层的边缘和P型层的边缘基本重合，注入LED芯片的电流可以通过透明导电层扩展到P型层的边缘，驱动空穴注入有源层与电子进行复合发光，边缘的发光区域也被有效利用，最大限度地增大发光面积，提高LED芯片的发光亮度和发光效率。
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是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的制备方法的流程图；
图2a-图2n是本发明实施例提供的发光二极管芯片制备过程中的结构示意图。
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
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，参见图1，该制备方法包括：
步骤101：在衬底上生长外延层，外延层包括依次层叠在衬底上的N型层、有源层和P型层。
图2a为步骤101执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，1为衬底，2为N型层，3为有源层，4为P型层。
具体地，衬底可以为蓝宝石衬底或硅衬底，N型层可以为N型氮化镓(GaN)层，有源层可以为交替生长的铟镓氮(InGaN)层和GaN层，P型层可以为P型GaN层。
具体地，该步骤101可以包括：
采用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)工艺在衬底上依次生长N型层、有源层和P型层。
可选地，外延层还可以包括设置在衬底和N型层之间的缓冲层，如氮化铝(AlN)层。具体地，在生长N型层之前，先在衬底上先生长缓冲层，再在缓冲层上生长N型层，以缓和蓝宝石衬底(主要成分为氧化铝)和氮化镓外延之间的晶格失配，提高晶体质量。
步骤102：在P型层上沉积一层第一绝缘材料。
图2b为步骤102执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，50为第一绝缘材料。
可选地，第一绝缘材料可以包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁中的至少一种。
优选地，第一绝缘材料可以包括氧化硅，制作工艺最为简单，制作成本低。
在本实施例的一种实现方式中，当第一绝缘材料包括氧化硅、氮化硅中的至少一种时，该步骤102可以包括：
采用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，简称PECVD)、溅射工艺或蒸发工艺在P型层上沉积一层第一绝缘材料。
在本实施例的另一种实现方式中，当第一绝缘材料包括氧化铝、氟化镁中的至少一种时，该步骤102可以包括：
采用溅射工艺或蒸发工艺在P型层上沉积一层第一绝缘材料。
步骤103：在第一道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀第一绝缘材料，形成电流阻挡层。
图2c为步骤103执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，5为电流阻挡层，100为第一道光刻工艺形成的光刻胶。
在本实施例中，电流阻挡层由沉积在P型层表面与P型电极相对的区域及其边缘区域上的第一绝缘材料组成。具体地，电流阻挡层设置在P型层和透明导电层(详见下文)之间，以避免电流直接注入P型层，有利于电流的横向扩展，从而提高LED的发光亮度。
步骤104：去除第一道光刻工艺形成的光刻胶。
图2d为步骤104执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。
在实际应用中，会先在待刻蚀层上涂覆一层光刻胶，再采用光刻工艺去除部分光刻胶，留下所需图形的光刻胶，具体包括先通过掩膜版对光刻胶进行曝光，再利用显影溶液溶解掉部分光刻胶，最后在利用光刻胶完成待刻蚀层的刻蚀之后，剥离光刻胶即可从待刻蚀层表面去除光刻胶。
步骤105：在电流阻挡层和P型层上沉积一层透明导电材料。
图2e为步骤105执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，60为透明导电材料。
可选地，透明导电材料可以包括氧化铟锡(Indium tin oxide，简称ITO)、掺杂氟的氧化锡、石墨烯中的至少一种。通过采用耐腐蚀钝化层溶液(详见下文)的材料，可以阻挡腐蚀钝化层溶液对电流阻挡层的破坏。
优选地，透明导电材料可以为ITO，使用最为普遍，成本低。
具体地，该步骤105可以包括：
采用电子束蒸发法或者磁控溅射法在电流阻挡层和P型层上沉积一层透明导电材料。
步骤106：在第二道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀透明导电材料，形成透明导电层。
图2f为步骤106执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，200为第二道光刻工艺形成的光刻胶，6为透明导电层。
在步骤106中，透明导电层由设置在电流阻挡层和P型层上除通孔和凹槽(详见下文)开设区域之外的透明导电材料组成。
步骤107：在第二道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀外延层，形成从P型层延伸至N型层的凹槽。
图2g为步骤107执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，400为凹槽。
在本实施例中，凹槽的深度大于或等于P型层和有源层的厚度之和，且小于外延层的厚度。
具体地，该步骤107可以包括：
采用感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，简称ICP)刻蚀工艺刻蚀外延层，形成从P型层延伸至N型层的凹槽。
步骤108：采用第一腐蚀溶液对透明导电层的边缘进行腐蚀，使透明导电层的边缘和凹槽的边缘的距离为1～2μm。
需要说明的是，采用腐蚀溶液腐蚀透明导电层的边缘，可以确保透明导电层的边缘不会覆盖在凹槽的侧壁上，透明导电层的边缘和凹槽的边缘之间存在一定的距离，同时也可以避免由于光刻工艺的误差和精度的问题而造成透明导电层的边缘和凹槽的边缘之间的距离过大(如6～7μm)，透明导电层的边缘和P型层的边缘基本重合，注入LED芯片的电流可以通过透明导电层扩展到P型层的边缘，驱动空穴注入有源层与电子进行复合发光，边缘的发光区域也被有效利用，最大限度地增大发光面积，提高LED芯片的发光亮度和发光效率。
图2h为步骤108执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。
可选地，第一腐蚀溶液可以为三氯化铁和氯化氢的混合溶液，三氯化铁的质量占混合溶液的质量的27％～29％，氯化氢的质量占混合溶液的质量的11％～13％。
优选地，第一腐蚀溶液的腐蚀温度可以为39～41℃。当第一腐蚀溶液的腐蚀温度小于39℃时，腐蚀效果有限，容易导致透明导电层覆盖在凹槽的边缘，造成LED芯片短路；当第一腐蚀溶液的腐蚀温度大于41℃时，容易出现过度腐蚀，透明导电层的边缘与凹槽的边缘的间距较大，注入LED芯片的电流无法扩展到p型氮化物半导体层的边缘，p型氮化物半导体层的边缘没有空穴注入有源层与电子进行复合发光，边缘的大部分发光区域被浪费，LED芯片的亮度低电压高，发光效率低。
优选地，第一腐蚀溶液的腐蚀时间可以为5～20s。当第一腐蚀溶液的腐蚀时间小于5s时，腐蚀效果有限，容易导致透明导电层覆盖在凹槽的边缘，造成LED芯片短路；当第一腐蚀溶液的腐蚀时间大于20s时，容易出现过度腐蚀，透明导电层的边缘与凹槽的边缘的间距较大，注入LED芯片的电流无法扩展到p型氮化物半导体层的边缘，p型氮化物半导体层的边缘没有空穴注入有源层与电子进行复合发光，边缘的大部分发光区域被浪费，LED芯片的亮度低电压高，发光效率低。
更优选地，第一腐蚀溶液的腐蚀时间可以为10s，此时腐蚀效果达到最佳。
步骤109：采用第二腐蚀溶液对电流阻挡层进行腐蚀，在电流阻挡层内形成延伸至P型层的通孔。
图2i为步骤109执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，500为通孔。
在本实施例中，通孔开设在P型层上用于设置P型电极的区域。
可选地，第二腐蚀溶液可以为缓冲氧化硅刻蚀液(Buffer Oxide Etcher，简称BOE)，易于控制腐蚀大小，且业界通用，成本低。
步骤110：通入氧气到第二道光刻工艺形成的光刻胶上。该步骤110为可选步骤。
需要说明的是，在进行ICP刻蚀的过程中，离子会不断轰击光刻胶，造成光刻胶固化而不易去除，对光刻胶通入氧气，光刻胶被氧化而改变性质，易于去除。
步骤111：去除第二道光刻工艺形成的光刻胶。
图2j为步骤111执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。
步骤112：在透明导电层、通孔的侧壁、P型层、凹槽的侧壁和N型层上沉积一层第二绝缘材料。
图2k为步骤112执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，70为第二绝缘材料。
可选地，第二绝缘材料可以为氧化硅或者氧化铝，对LED芯片进行保护，避免反向漏电等问题，提高芯片的可靠性。
优选地，第二绝缘材料可以为氧化硅，以便使用腐蚀溶液开设通孔设置电极。
具体地，该步骤112可以包括：
采用PECVD在透明导电层、P型层、凹槽的侧壁和N型层上沉积一层第二绝缘材料。
步骤113：在第三道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀第二绝缘材料，形成钝化层。
图2l为步骤113执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，300为第三道光刻工艺形成的光刻胶，7为钝化层。
在本实施例中，钝化层设置在除P型电极和N型电极(详见下文)的设置区域之外的区域。在具体实现中，可以采用BOE溶液腐蚀第二绝缘材料，形成钝化层。
步骤114：在第三道光刻工艺形成的光刻胶、P型层和N型层上铺设一层电极材料。
图2m为步骤114执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，80为电极材料。
可选地，电极材料可以包括金、铝、铬、镍、铂、钛中的至少一种。
优选地，电极材料可以包括依次形成在透明导电层上的铬层、铝层、铬层、钛层、铝层，以适用接触、反光、导电等方面因素。
具体地，该步骤114可以包括：
采用蒸发工艺或溅射工艺在第三道光刻工艺形成的光刻胶、P型层和N型层上铺设一层电极材料。
其中，采用蒸发工艺时铺设速率较快。
步骤115：去除第三道光刻工艺形成的光刻胶、以及第三道光刻工艺形成的光刻胶上的电极材料，形成P型电极和N型电极。
图2n为步骤115执行之后的发光二极管芯片的结构示意图。其中，81为P型电极，82为N型电极。
本发明实施例通过采用同一道光刻工艺形成的光刻胶完成透明导电层和凹槽的形成，采用同一道光刻工艺形成的光刻胶完成钝化层和电极的形成，将光刻工艺从五道减少到三道，大大降低了LED芯片的制造成本。而且还在第二道光刻工艺形成的光刻胶去除之前，利用腐蚀溶液对透明导电层的边缘进行腐蚀，使透明导电层的边缘和凹槽的边缘的距离为1～2μm，一方面透明导电层的边缘和凹槽的边缘之间存在一定的距离，避免透明导电层覆盖在凹槽侧壁上导致LED芯片漏电，另一方面也可以避免由于光刻工艺的误差和精度的问题而造成透明导电层的边缘和凹槽的边缘之间的距离过大(如6～7μm)，透明导电层的边缘和P型层的边缘基本重合，注入LED芯片的电流可以通过透明导电层扩展到P型层的边缘，驱动空穴注入有源层与电子进行复合发光，边缘的发光区域也被有效利用，最大限度地增大发光面积，提高LED芯片的发光亮度和发光效率。
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 (10)
1.一种发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上生长外延层，所述外延层包括依次层叠在所述衬底上的N型层、有源层和P型层；
在所述P型层上沉积一层第一绝缘材料；
在第一道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀所述第一绝缘材料，形成电流阻挡层；
去除所述第一道光刻工艺形成的光刻胶；
在所述电流阻挡层和所述P型层上沉积一层透明导电材料；
在第二道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀所述透明导电材料，形成透明导电层；
在所述第二道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀所述外延层，形成从所述P型层延伸至所述N型层的凹槽；
采用第一腐蚀溶液对所述透明导电层的边缘进行腐蚀，使所述透明导电层的边缘和所述凹槽的边缘的距离为1～2μm；
采用第二腐蚀溶液对所述电流阻挡层进行腐蚀，在所述电流阻挡层内形成延伸至所述P型层的通孔；
去除所述第二道光刻工艺形成的光刻胶；
在所述透明导电层、所述通孔的侧壁、所述P型层、所述凹槽的侧壁和所述N型层上沉积一层第二绝缘材料；
在第三道光刻工艺形成的光刻胶的保护下刻蚀所述第二绝缘材料，形成钝化层；
在所述第三道光刻工艺形成的光刻胶、所述P型层和所述N型层上铺设一层电极材料；
去除所述第三道光刻工艺形成的光刻胶、以及所述第三道光刻工艺形成的光刻胶上的所述电极材料，形成P型电极和N型电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述去除所述第二道光刻工艺形成的光刻胶之前，通入氧气到所述第二道光刻工艺形成的光刻胶上。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述第一腐蚀溶液为三氯化铁和氯化氢的混合溶液，所述三氯化铁的质量占所述混合溶液的质量的27％～29％，所述氯化氢的质量占所述混合溶液的质量的11％～13％。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一腐蚀溶液的腐蚀温度为39～41℃。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一腐蚀溶液的腐蚀时间为5～20s。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述第二腐蚀溶液为缓冲氧化硅刻蚀液。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述第一绝缘材料包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氟化镁中的至少一种。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述第二绝缘材料为氧化硅或者氧化铝。
9.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述电极材料包括金、铝、铬、镍、铂、钛中的至少一种。
10.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述透明导电材料包括氧化铟锡、掺杂氟的氧化锡、石墨烯中的至少一种。
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