CN107482089A - 一种高亮度led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高亮度LED芯片及其制备方法，包括：取外延片，在P型半导体层上制作透明导电层，对透明导电层靠近边缘的区域行刻蚀，在透明导电层上制作绝缘钝化层，用光刻机对绝缘钝化层进行光刻，制作P型电极和P型焊盘，制作N型电极和N型焊盘，退火，获得LED芯片，由于光刻机的光源与掩膜版之间有至少一个滤波片，屏蔽了杂光，从而减小了P型电极和N型电极的宽度，提高了出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片领域，更具体地，涉及一种高亮度LED芯片及其制备方法。
背景技术
LED灯的核心部件是LED芯片，在LED芯片的制备过程中，必定会用到光刻技术，光刻技术是指：在紫外光照射下，采用光刻胶，将掩膜版上的预设图形转移到基片上的技术；具体步骤为：在基片表面附上一层光刻胶薄膜，用紫外光照射掩膜版，紫外光通过掩膜版上的透光区域照射到光刻胶薄膜，导致光刻胶发生化学反应，再采用显影技术溶解去除掉曝光区域或未曝光区域的光刻胶，从而将掩膜版上的图形复制到光刻胶薄膜上，最后采用刻蚀技术将图形转移到基片上。光刻的核心指标是分辨率，光刻的分辨率直接影响到关键尺寸，在半导体制造行业中，基片上可以实现的最小特征尺寸称为关键尺寸；提高光刻的分辨率，意味着可以减小LED芯片上电极线的宽度，从而减小LED芯片的遮光面积，提高出光效率。与传统的白炽灯和荧光灯相比，LED灯有节能、环保、寿命长、发热量低等诸多优点，被广泛应用于各个领域，但LED灯的制造成本普遍高于传统的白炽灯和荧光灯，提高LED芯片的出光效率，意味着降低LED灯单位亮度的成本。
因此，提高光刻的分辨率，从而提高LED芯片的出光效率并降低单位亮度的成本，是目前亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高亮度LED芯片及其制备方法，提高了LED芯片的出光效率，降低了单位亮度的成本。
为了解决上述技术问题，本申请有如下技术方案：
一种高亮度LED芯片的制备方法，包括：
取外延片并清洗，外延片，包括：依次层层叠加的衬底、N型半导体层、量子阱层和P型半导体层；
在P型半导体层上制作透明导电层，透明导电层覆盖P型半导体层；
对透明导电层靠近边缘的区域进行刻蚀，暴露出部分N型半导体层形成N电极区域，其中，N电极区域的侧壁为台阶状的发光区台面；
对透明导电层和外延片进行退火，在透明导电层和P型半导体层的接触面上形成欧姆接触；
在透明导电层远离外延片一侧制作绝缘钝化层；
用光刻机对绝缘钝化层进行光刻，在P型半导体层上暴露出P电极区域，并暴露出N电极区域，其中：
光刻机的光源与掩膜版之间有至少一个滤波片；
光刻机具有冷却系统，冷却系统，包括：围绕光源的环形导热管；
P电极区域与N电极区域的重叠面积为0；
在P电极区域制作P型电极和P型焊盘；
在N电极区域制作N型电极和N型焊盘；
对外延片、透明导电层、绝缘钝化层、P型电极、P型焊盘、N型电极和N型焊盘进行退火，获得LED芯片。
可选的，光刻机，包括：传片系统、基板载台、对位系统、掩膜版、滤波片、光源、冷却系统、上料盒和下料盒，其中：
光源，包括：汞灯、氙灯或LED灯；
光源的峰值波长，与滤波片中心波长的差值小于25nm。
可选的，滤波片的一面或者两面，镀有增透膜。
可选的，滤波片为平透镜、平凸透镜、双凸透镜或凹凸透镜。
可选的，采用电子束蒸发或者磁控溅射的方式在P型半导体层上制作透明导电层。
可选的，透明导电层的材料，包括：氧化铟锡。
可选的，采用管式炉或者箱式炉对透明导电层和外延片进行退火。
一种高亮度LED芯片，LED芯片采用上述任一项LED芯片的制备方法制备。
与现有技术相比，本发明提供的一种高亮度LED芯片及其制备方法，实现了如下的有益效果：
1)在光源与掩膜版之间加入了滤波片，提高了光刻的分辨率，从而减小了N型电极和P型电极的宽度，提高了LED芯片的出光效率；
2)本发明提供的一种高亮度LED的制备方法中，为光源配有冷却系统，延长了光源的使用寿命，并提高了安全性；
3)本发明提供的一种高亮度LED的制备方法，在提高LED芯片的出光效率的同时，制备LED芯片的边际成本仅略有增加，具有良好的经济效益。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
图1为实施例1一种高亮度LED芯片的制备方法流程图；
图2为本发明中一种高亮度LED芯片的结构图；
图3为本发明中一种高亮度LED芯片的俯视图；
图4为本发明中光刻机的结构爆炸图；
图5为实施例2中一种高亮度LED芯片的制备方法流程图；
图6为本发明对比实施例中LED芯片结构图；
图7为本发明对比实施例中LED芯片俯视图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。应注意到：一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
实施例1
图1为实施例1一种高亮度LED芯片的制备方法流程图，图2为本发明中一种高亮度LED芯片的结构图，图3为本发明中一种高亮度LED芯片的俯视图，图4为本发明中光刻机的结构爆炸图。
一种LED芯片的制备方法，如图1所示，包括：
S101：取外延片010并清洗；
如图2所示，外延片010，包括：依次层层叠加的衬底011、N型半导体层012、量子阱层013和P型半导体层014；
具体的，外延片010的厚度为3微米-10微米，衬底011是蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底011或氧化锌衬底中的一种，N型半导体层012所采用的材料包括：N型氮化镓；P型半导体层014所采用的材料包括：P型氮化镓。
S102：在P型半导体层014上制作透明导电层020，透明导电层020覆盖P型半导体层014；
S103：对透明导电层020靠近边缘的区域进行刻蚀，暴露出部分N型半导体层012形成N电极区域，其中，N电极区域的侧壁为台阶状的发光区台面；
具体的，刻蚀过程采用黄光光刻、湿法刻蚀和电感耦合等离子体刻蚀中的一种，刻蚀后需要进行清洗，N电极区域的侧壁，包括：由于刻蚀所暴露出的透明导电层020、P型半导体层014、量子阱层013和N型半导体层012的截面。
S104：对透明导电层020和外延片010进行退火，在透明导电层020和P型半导体层014的接触面上形成欧姆接触；
具体的，退火过程需要在真空中或者保护气氛中进行，退火时间不少于10分钟，如果在真空下进行退火，退火炉内腔体的大气压不能高于600mbar。
S105：在透明导电层020远离外延片010一侧制作绝缘钝化层030；
具体的，绝缘钝化层030覆盖整个透明导电层020远离外延片010的一侧，绝缘钝化层030所用的材料，包括：二氧化硅和氮化硅。
S106：用光刻机对绝缘钝化层030进行光刻，在P型半导体层014上暴露出P电极区域，并暴露出N电极区域；
其中：光刻机的光源206与掩膜版204之间有至少一个滤波片205；
光刻机具有冷却系统207，冷却系统207，包括：围绕光源206的环形导热管；
P电极区域与N电极区域的重叠面积为0；
具体的，现有技术中的光刻机，在光源206和掩膜版204之间没有滤波片205，也没有冷却系统207，在光源206和掩膜版204之间加入滤波片205后，有效的去除了杂光，减弱了衍射效应，提高了光刻的分辨率，由于滤波片205会吸收部分入射光，因此入射光经过滤波片205后光强会降低，为了保证在不增加光刻时间的条件下，刻蚀深度与没有加入滤波片205时一样，需要提高光源206的发光功率，即提高光源206的光强，因此，光源206会产生更多的热量，为了保证使用过程中设备的安全和平稳，为光源206装配有冷却系统207，冷却系统207包括：围绕光源206的环形导热管，导热管内有流动的液体，环形导热管绕光源206至少一圈，导热管采用金属合金制备，具有良好的导热性能。
S107：在P电极区域制作P型电极040和P型焊盘050，在N电极区域制作N型电极060和N型焊盘070；
具体的，P型电极040和P型焊盘050，不与N型电极060和N型焊盘070接触，由于光源206和掩膜版204有滤波片205，光刻的分辨率大幅提高，P型电极040和N型电极060的宽度明显减小，因此减少了对发光区域的遮挡，增加了发光区域的出光面积，提高了出光效率，光源206和掩膜版204之间没有滤波片205时，P型电极040和N型电极060的宽度为4-5微米，采用本实施例提供的制备方法后，P型电极040和N型电极060的宽度可减小到3微米。
S108：对外延片010、透明导电层020、绝缘钝化层030、P型电极040、P型焊盘050、N型电极060和N型焊盘070进行退火，获得LED芯片。
具体的，获得的LED芯片如图2和图3所示，退火过程需要在真空下或者保护气氛下进行，退火时间不少于10分钟，如果在真空下进行退火，退火炉内的大气压不能高于600mbar，退火过程消除了残余应力、减小了变形并且改善了晶粒结构。
实施例2
图2为本发明中一种高亮度LED芯片的结构图，图3为本发明中一种高亮度LED芯片的俯视图，图4为本发明中光刻机的结构爆炸图，图5为实施例2中一种高亮度LED芯片的制备方法流程图。
一种LED芯片的制备方法，如图5所示，包括：
S201：取外延片010并清洗；
外延片010，包括：依次层层叠加的衬底011、N型半导体层012、量子阱层013和P型半导体层014；
具体的，衬底011是蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底或氧化锌衬底中的一种，外延片010的厚度为3微米-10微米，N型半导体层012所采用的材料，包括N型氮化镓；P型半导体层014采用的材料包括P型氮化镓。
S202：在P型半导体层014上制作透明导电层020，透明导电层020覆盖P型半导体层014；
具体的，采用电子束蒸发或者磁控溅射的方式在P型半导体层014上制作透明导电层020，在P型半导体层014上制作透明导电层020前，需要对外延片010进行清洗，保证P型半导体层014在远离衬底011一侧的表面上没有污染物。透明导电层020的材料，包括：氧化铟锡。
S203：对透明导电层020靠近边缘的区域进行刻蚀，暴露出部分N型半导体层012形成N电极区域，其中，N电极区域的侧壁为台阶状的发光区台面；
具体的，刻蚀过程采用黄光光刻、湿法刻蚀和电感耦合等离子体刻蚀中的一种，刻蚀后需要进行清洗，N电极区域的侧壁，包括：由于刻蚀所暴露出的透明导电层020、P型半导体层014、量子阱层013和N型半导体层012的截面。
S204：对透明导电层020和外延片010进行退火，在透明导电层020和P型半导体层014的接触面上形成欧姆接触；
具体的，采用管式炉或者箱式炉对透明导电层020和外延片010进行退火。退火过程需要在真空下或者保护气氛下进行，退火时间不少于10分钟，如果在真空下进行退火，退火炉内的大气压不能高于600mbar。
S205：在透明导电层020远离外延片010一侧制作绝缘钝化层030；
具体的，绝缘钝化层030覆盖整个透明导电层020，绝缘钝化层030所用的材料，包括：二氧化硅和氮化硅。
S206：用光刻机对绝缘钝化层030进行光刻，在P型半导体层014上暴露出P电极区域，并暴露出N电极区域；
其中：光刻机的结构爆炸图如图4所示，光源206与掩膜版204之间有至少一个滤波片205；
光刻机具有冷却系统207，冷却系统209，包括：围绕光源206的环形导热管；
P电极区域与N电极区域的重叠面积为0；
具体的，如图4所示，光刻机包括：传片系统201、基板载台202、对位系统203、掩膜版204、滤波片205、光源206、冷却系统207、上料盒208和下料盒209，其中：
光源206，包括：汞灯、氙灯或LED灯；
光源206的峰值波长，与滤波片205中心波长的差值小于25nm。
光刻机，包括：接触式曝光机或接近式曝光机；光源206的峰值波长，位于紫外光光区，光源206是汞灯或氙灯时，功率为300W-3000W，半波宽小于50nm；光源206是LED灯时，LED灯的波长范围，包括：280nm-440nm。
现有技术中的光刻机，在光源206和掩膜版204之间没有滤波片205，增加滤波片205后，有效的去除了杂光，减弱了衍射效应，提高了光刻的分辨率，由于滤波片205吸收了部分入射光，导致入射光经过滤波片205后光强降低，为了保证在不增加光刻时间的条件下，刻蚀深度与没有滤波片205时一样，需要提高光源206的功率，即提高光源206的光强，因此，光源206会产生更多的热量，为了保证使用过程中设备的安全和平稳，为光刻机装配有冷却系统209，冷却系统209包括围绕光源206的环形导热管，导热管内为流动的液体，环形导热管绕光源206至少一圈，导热管采用金属合金制备，具有良好的导热性能。
S207：在P电极区域制作P型电极040和P型焊盘050，在N电极区域制作N型电极060和N型焊盘070；
具体的，P型电极040和P型焊盘050，不与N型电极060或N型焊盘070接触，由于滤波片205屏蔽了杂光，光刻分辨率大幅提高，P型电极040和N型电极060的宽度明显减小，从而增加了出光区域的面积，提高了出光效率，光源206和掩膜版204之间没有滤波片205时，P型电极040和N型电极060的宽度为4-5微米，采用本发明提供的制备方法后，P型电极040和N型电极060的宽度可减小到3微米。
S208：对外延片010、透明导电层020、绝缘钝化层030、P型电极040、P型焊盘050、N型电极060和N型焊盘070进行退火，获得LED芯片。
具体的，获得的LED芯片如图2和图3所示，退火过程需要在真空下或者保护气氛下进行，退火时间不少于10分钟，如果在真空下进行退火，退火炉内的大气压不能高于600mbar，退火过程消除了残余应力、减小了变形并且改善了晶粒结构。
进一步的，滤波片205的一面或者两面，镀有增透膜。
具体的，在滤波片205的一面或者两面镀有增透膜后，可减少反射光，增加透射光；增透膜的厚度，是光源206峰值波长的四分之一的奇数倍，采用增透膜后，入射光在增透膜与环境的接触表面上产生的反射光1，与入射光在增透膜与滤波片205界面上产生的反射光2之间相差奇数倍的1/2周期，因此反射光1与反射光2彼此相消，即减弱了反射光的光强，增加了透射光的光强，有利于减少曝光时间或者降低光源206的发光功率。
进一步的，滤波片205为平透镜、平凸透镜、双凸透镜或凹凸透镜。
具体的，滤波片205采用平透镜、平凸透镜、双凸透镜或凹凸透镜的哪一种需要根据具体需求决定，一般情况下采用平透镜，当需要制备比采用平透镜时宽度更窄的P型电极040或者N型电极060时，滤波片205采用平凸透镜、双凸透镜或凹凸透镜；
实施例3
为进一步清晰地体现本发明提供的LED芯片的制备方法的技术效果，以下提供一种LED芯片的制备方法的实施例，作为本发明的对比实施例。
需要说明的是，在该对比实施例中，仅举一例说明其大致工艺流程，本领域技术人员熟知，具体生产时工艺过程可能有一些细节的变化。
图6为本发明对比实施例中LED芯片结构图，图7为本发明对比实施例中LED芯片俯视图。
制备步骤如下：
采用蓝宝石材料制作衬底301并进行结构设计。
在衬底301上依次外延生长缓冲层302、N型半导体层303、多量子阱层304及P型半导体层305，退火，检测。
采用干法刻蚀或湿法工艺刻蚀P型半导体层305、量子阱层304和N型半导体层303。
在N型半导体层303上制备与N型半导体层303电性连接的N型电极308和N型焊盘309。在P型半导体层305上制备与P型半导体层305电性连接的P型电极310和P型焊盘311，形成如图6和图7所示的LED芯片，在本实施例中，光源与掩膜版之间没有滤波片，相比于实施例1和实施例2，N型电极308和P型电极310的宽度明显增加。
将实施例3分别与上述实施例1和实施例2相比，实施例1和实施例2均能够达到如下的有益效果：
1)在光源与掩膜版之间加入了滤波片，提高了光刻的分辨率，从而减小了N型电极和P型电极的宽度，提高了LED芯片的出光效率；
2)本发明提供的一种高亮度LED的制备方法中，为光源配有冷却系统，延长了光源的使用寿命，并提高了安全性；
3)本发明提供的一种高亮度LED的制备方法，在提高LED芯片的出光效率的同时，制备LED芯片的边际成本仅略有增加，具有良好的经济效益。
虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，包括：
取外延片并清洗，所述外延片，包括：依次层层叠加的衬底、N型半导体层、量子阱层和P型半导体层；
在所述P型半导体层上制作透明导电层，所述透明导电层覆盖所述P型半导体层；
对所述透明导电层靠近边缘的区域进行刻蚀，暴露出部分所述N型半导体层形成N电极区域，其中，所述N电极区域的侧壁为台阶状的发光区台面；
对所述透明导电层和所述外延片进行退火，在所述透明导电层和所述P型半导体层的接触面上形成欧姆接触；
在所述透明导电层远离所述外延片一侧制作绝缘钝化层；
用光刻机对所述绝缘钝化层进行光刻，在所述P型半导体层上暴露出P电极区域，并暴露出所述N电极区域，其中：
所述光刻机的光源与掩膜版之间有至少一个滤波片；
所述光刻机具有冷却系统，所述冷却系统，包括：围绕所述光源的环形导热管；
所述P电极区域与所述N电极区域的重叠面积为0；
在所述P电极区域制作P型电极和P型焊盘；
在所述N电极区域制作N型电极和N型焊盘；
对所述外延片、所述透明导电层、所述绝缘钝化层、所述P型电极、所述P型焊盘、所述N型电极和所述N型焊盘进行退火，获得所述LED芯片。
2.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，所述光刻机，包括：传片系统、基板载台、对位系统、所述掩膜版、所述滤波片、所述光源、所述冷却系统、上料盒和下料盒，其中：
所述光源，包括：汞灯、氙灯或LED灯；
所述光源的峰值波长，与所述滤波片中心波长的差值小于25nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，所述滤波片的一面或者两面，镀有增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，所述滤波片为平透镜、平凸透镜、双凸透镜或凹凸透镜。
5.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，采用电子束蒸发或者磁控溅射的方式在所述P型半导体层上制作透明导电层。
6.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，所述透明导电层的材料，包括：氧化铟锡。
7.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，采用管式炉或者箱式炉对所述透明导电层和所述外延片进行退火。
8.一种高亮度LED芯片，其特征在于，所述LED芯片采用权利要求1-7中任一项所述的LED芯片的制备方法制备。
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