CN108281517B - 一种发光二极管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种发光二极管的制作方法，包括工艺步骤：提供一磊晶片，包括衬底及发光外延层，并形成部分发光外延层；在部分发光外延层上形成掩膜层并进行图案化，形成图案化掩膜层；进行蚀刻工艺，使得发光外延层形成图案化凹凸结构；在图案化凹凸结构的凹坑中形成金属颗粒；进行电镀工艺，以金属颗粒作为晶种，沿着金属颗粒沉积生长，形成金属导光柱。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种发光二极管的制作方法。
背景技术
现今LED器件的应用领域已甚为广泛，为了让LED器件尽可能地确保其较高的功能可靠性以及较低的能量消耗，因此对于LED器件须要求其本身的外部量子效率。而LED器件外部量子效率与其本身的内部量子效率及光取出效率有关，内部量子效率由材料特性及质量所决定；至于光取出效率则是从器件内部发出至周围空气或是封装的环氧树脂内的辐射比例；因此光取出效率提升，则半导体发光组件的外部量子效率亦随之提升。
目前LED器件制作N电极，大部分是黄光、光罩工艺后，直接利用干法蚀刻的方式，将发光区蚀刻掉，形成N型蚀刻区，如此会使得器件侧面的光不能被利用。
发明内容
为了解决现有技术不足，本发明通过在LED部分发光外延层表面上制作导光柱，改变LED侧面发出光的传输方向，增加轴向光，提高LED的侧面出光萃取效率，提升发光二极管的出光亮度。
本发明提供的技术方案，包括：一种发光二极管的制作方法，包括工艺步骤：
（1）提供一磊晶片，包括衬底及发光外延层，并形成部分发光外延层；
（2）在部分发光外延层上形成掩膜层并进行图案化，形成图案化掩膜层；
（3）进行蚀刻工艺，使得发光外延层形成图案化凹凸结构；
（4）在图案化凹凸结构的凹坑中形成金属颗粒；
（5）进行电镀工艺，以金属颗粒作为晶种，沿着金属颗粒沉积生长，形成金属导光柱。
优选地，所述步骤（1）的发光外延层从上至下包括：第一半导体层、活性层以及第二半导体层，部分发光外延层是通过从部分第一半导体层往下蚀刻，形成部分裸露的第二半导体层台面。
优选地，所述步骤（1）的发光外延层从上至下包括：第一半导体层、活性层以及第二半导体层，部分发光外延层是位于第一半导体层的表面部分区域。
优选地，所述步骤（2）掩膜层图案化采用包括：纳米压印或者电子束光刻或者阳极氧化铝或者涂布纳米小球或者前述任意工艺组合。
可选地，采用电化学工艺使得发光外延层形成图案化凹凸结构，取代所述步骤（2）和步骤（3）。
优选地，所述步骤（3）的图案化凹凸结构的高度介于50Å~20000Å。
优选地，所述步骤（3）之后，所述图案化掩膜层去除，或者不去除。
优选地，所述步骤（4）的金属颗粒的形成是通过在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，并通过剥离方式，使得位于凹凸结构凸部上的金属薄层被隔断，只留下位于凹坑内的金属薄层，形成金属颗粒。
优选地，所述步骤（4）的金属颗粒的形成是通过在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，并进行激光照射处理，使得金属薄层成为熔融状，流入到凹坑中，形成金属颗粒。
优选地，所述步骤（4）的金属颗粒的形成是通过在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，并进行高温退火处理，使得金属薄层在高温条件下团聚在凹坑中，形成金属颗粒。
优选地，所述金属薄层的厚度介于10Å~20000Å。
优选地，所述金属薄层的材质选用Ag或者Al或者Ni或前述组合之一。
优选地，所述高温退火处理条件包括：温度为500℃~1000℃。
优选地，所述高温退火处理条件包括：通入N2，流量介于5L~95L。
优选地，所述步骤（4）蚀刻工艺，包括：采用湿法蚀刻或者干法蚀刻或者二者结合。
优选地，所述金属颗粒为纳米状，所述金属导光柱为纳米状。
与现有技术相比，本发明提供的一种发光二极管的制作方法，至少包括以下技术效果：
（1）本发明于部分发光外延层，如切割道区域，以金属颗粒作为晶种，通过电镀工艺，制作纳米线状的金属导光柱，增加轴向光，提升亮度；
（2）采用本发明制作的导光柱尺寸更小，可以达到纳米级，且导光柱与导光柱之间间距较小，导光柱分布密度较大,同时通过电镀的方式可以根据实际需要任意调节导光柱的高度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为根据本发明实施例1的一种发光二极管的制作方法流程图。
图2~13为根据本发明实施例1的一种发光二极管的制作过程，其中图3为图2的俯视图，图5为图4的俯视图，图7为图6的俯视图，图9为图8的俯视图，图11为图10、12、13的俯视图。
图14~19为根据本发明实施例3的一种发光二极管的制作过程，其中图15为图14的俯视图，图17为图16的俯视图，图19为图18的俯视图。
图20~21为根据本发明实施例5的一种发光二极管的制作过程。
图22~33为根据本发明实施例7的一种发光二极管的制作过程，其中图23为图22的俯视图，图25为图24的俯视图，图27为图26的俯视图，图29为图28的俯视图，图31为图30、32、33的俯视图。
图中各标号表示如下：100：衬底；200：发光外延层；201：N型半导体层；202：活性层；203：P型半导体层；300：掩膜层；400：凹坑结构；500：金属颗粒；600：金属导光柱；700：纳米小球。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
实施例1
如图1所示，公开了一种制作发光二极管的流程图，包括步骤S101~S105，包括：（步骤S101）提供一磊晶片，包括衬底及发光外延层；（步骤S102）在部分发光外延层上形成掩膜层并进行图案化，形成图案化掩膜层；（步骤S103）进行蚀刻工艺，使得发光外延层形成图案化凹凸结构；（步骤S104）在图案化凹凸结构的凹坑中形成金属颗粒；（步骤S105）进行电镀工艺，以金属颗粒作为晶种，沿着金属颗粒沉积生长，形成金属导光柱。下面结合实施例，对各步骤进行进展开说明。
步骤S101：如图2和3所示，提供一磊晶片，该磊晶片包括衬底100和发光外延层200，该发光外延层从下至上包括N型半导体层201、发光层202和P型半导体层203；通过涂胶、光罩、显影和硬烤工艺制作裸露出切割道，然后利用干法蚀刻工艺，从部分P型半导体层203往下蚀刻，形成部分裸露的N型半导体层201台面，即：去除掉切割道区域发光外延层，形成台阶状的切割道区域，蚀刻深度为：2000Å~20000Å。
步骤S102：如图4和5所示，在步骤S101制作的切割道台阶区域通过纳米压印或者电子束光刻等方法，制作出纳米图形的掩膜层300，此处掩膜层图形可以周期性均匀排布也可以无序排布；掩膜层的材料可以选用光阻或氧化物或金属，本实施例优选光阻作为掩膜层，光阻厚度可为0.5μm~3μm，运用黄光制程制作出由柱状光阻构成的图形，此过程可采用步进式曝光机、接触式曝光机、投影式曝光机或压印方式。
步骤S103：如图6和7所示，然后再次通过蚀刻工艺，使得发光外延层形成图案化凹凸结构400，蚀刻深度为：50Å~20000Å，优选100Å~10000Å；蚀刻工艺可以是采用湿法蚀刻或者干法蚀刻或者二者结合，本实施例优选干法蚀刻工艺。
步骤S104：如图8和9所示，在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，厚度介于10Å~3000Å，形成方式可以是蒸镀或者溅射或其他沉积工艺，并进行高温退火处理，使得金属薄层在高温条件下团聚在凹坑中，形成纳米状金属颗粒500。金属薄层的材质可以选用Ag或者Al或者Ni或前述组合之一，本实施例优选Ni作为掩膜层。高温退火处理条件包括：温度为500℃~1000℃，通入N2，流量介于5L~95L。
步骤S105：如图10和 11所示，进行电镀工艺，以金属颗粒作为晶种，沿着纳米金属颗粒沉积生长，最终形成纳米状的金属导光柱600，柱子高度可以低于器件表面，也可以与器件表面相平（如图12）所示，也可以高于器件表面（如图13所示）通过调节导光柱的高度，可以改变从侧面出射光的角度。随着导光柱高度的增加，侧面出射的光相对会向LED轴向方向集中，增加轴向的亮度，变化LED的发光角度。此处电镀工艺所用的电压为：1V~20V，电流为：0.1mA~20mA，电镀时间根据所需导光柱的高度以及具体的工艺参数确定，电镀溶液可以为NiCl2、Ni(NO3)2、NiSO4、AgNO3和Al2(SO4)3；最后分别在部分P型半导体层和裸露的部分N型半导体层上，制作电极结构（图中未示出），得到LED芯片。
实施例2
与实施例1不同的是，实施例1采用纳米压印或者电子束光刻制作图案化掩膜层，本实施例的掩膜层图案化工艺采用阳极氧化铝工艺。具体来说，在步骤S101所得的磊晶片先蒸镀形成一层金属掩膜层，比如Al，厚度为：10Å~10000Å或者更厚，用CVD沉积一层绝缘保护层，如SiO2用于保护LED图形的有效区域（主体发光区），通过阳极氧化铝方法，制作出纳米图形的掩膜层，此处所用的电源可以为恒压源或者恒流源，恒压源通电压为：1V~15V，恒流源通电流为：0.1mA~20mA；溶液为：草酸、H2SO4、HCl、H3PO4或者H3PO4的稀溶液（比例为1:1~1:50）或者碱性溶液，通过调节时间，时间长短根据铝的厚度以及工艺参数确定，使得铝层被氧化蚀刻，蚀刻深度为：10Å~10000Å或者更深。然后再通过干法蚀刻出凹坑状图形，蚀刻深度为：100Å~10000Å。此后去除干蚀刻后凹凸结构表面的金属掩膜层，进行步骤S104。
实施例3
与实施例1不同的是，实施例1采用纳米压印或者电子束光刻制作图案化掩膜层，本实施例的掩膜层图案化工艺采用涂布纳米小球。具体来说，在步骤S101所得的磊晶片上涂布一层PS纳米小球700（如图14和15所示），通过ICP干法蚀刻，蚀刻时工艺参数如下：上功率为：100W-1000W，下功率为：50W-900W，Cl2气体流量为：20sccm-200sccm，Cl2气体流量为：20sccm-200sccm，时间为：10S-600S；蚀刻后的纳米小球图形，如图16和17所示。接着，蒸镀一层金属薄层，金属可以为Ag、Al和Ni等，厚度可以为20Å~10000Å或者更厚；用剥离的方式去除掉PS纳米小球，只留下作为掩膜层的金属，通过干法蚀刻出凹坑状图形，去除金属掩膜层，如图18和19所示；此后进行步骤S104。需要说明的是，金属掩膜层也可以不去除，后续直接进行激光照射处理，使得残留的金属掩膜层成为熔融状，流入到凹坑中，形成金属颗粒，如此不需要再形成一金属薄层的工艺。在形成金属颗粒之前，优选掩膜层不去除的金属薄层厚度，较掩膜层需要去除的金属薄层厚度厚一些（可以是2倍及以上），比如是40Å~20000Å，如此可以保证该金属掩膜层干法蚀刻后仍然有一定的厚度，而不需要再镀膜形成一金属薄层。
实施例4
与实施例1不同的是，实施例1的金属颗粒的形成是通过在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，并进行高温退火处理，使得金属薄层在高温条件下团聚在凹坑中，形成金属颗粒。而本实施例的金属颗粒的形成是通过在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，并进行激光照射处理，使得金属薄层成为熔融状，流入到凹坑中，形成金属颗粒。具体来说，金属薄层结构通过红外或者紫外激光照射，此处激光所用功率可以选用0.1W~1W，从而使得金属成为熔融状，流入到凹坑中，形成纳米状的金属颗粒，使得金属颗粒在高温条件下团聚在凹坑中，形成单颗状的纳米金属颗粒。此后进行步骤S105。
实施例5
与实施例1不同的是，实施例1的金属颗粒的形成是通过在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，并进行高温退火处理，使得金属薄层在高温条件下团聚在凹坑中，形成金属颗粒。而本实施例的金属颗粒的形成是通过在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，并通过剥离方式，使得位于凹凸结构凸部上的金属薄层被隔断，只留下位于凹坑内的金属薄层，形成金属颗粒。具体来说，通过纳米压印、电子束光刻等方法，制作出纳米图形的掩膜层300，此处纳米图形掩膜层可以周期性均匀分布，也可以无序随机分布；然后再通过干法蚀刻出凹坑状图形，此处掩膜层不去掉，如图20所示；接着在凹坑状图形上蒸镀一层金属，金属可以为Ag、Al、Ni等，厚度为10Å~3000Å；通过剥离工艺去除掉掩膜层上金属，使得位于凹凸结构凸部上的金属薄层被隔断，只留下位于凹坑内的金属薄层，形成金属颗粒500，如图21所示。此后进行步骤S105。
实施例6
与实施例1不同的是，实施例1采用纳米压印或者电子束光刻制作图案化掩膜层，并进行蚀刻工艺，使得发光外延层形成图案化凹凸结构；本实施例的图案化凹凸结构采用电化学工艺形成，不需要制作图案化掩膜层。具体来说，通过电化学的方式直接在发光外延层上形成微结构，即制作出图案化凹凸结构，此处电化学的电源可以为恒压源或者恒流源，恒压源通电压为：1V~15V，恒流源通电流为：0.1mA~20mA，溶液为：草酸、H2SO4、HCl、H3PO4或者H3PO4的稀溶液（比例为1:1~1:50）或者碱性溶液；蚀刻时间根据蚀刻深度以及具体的工艺参数确定，蚀刻深度为：100Å~10000Å；此后进行步骤S105。
实施例7
步骤S101：如图22和23所示，提供一磊晶片，该磊晶片包括衬底100和发光外延层200，该发光外延层从下至上依次包括N型半导体层201、发光层202和P型半导体层203；部分发光外延层是位于P型半导体层的表面部分区域，比如外边缘区域，距离外边缘5μm~100μm范围之内环形区域。
步骤S102：如图24和25所示，在步骤S101制作的外边缘通过纳米压印或者电子束光刻等方法，制作出纳米图形的掩膜层300，此处掩膜层图形可以周期性均匀排布也可以无序排布；掩膜层的材料可以选用光阻或氧化物或金属，本实施例优选光阻作为掩膜层，光阻厚度可为0.5μm~3μm，运用黄光制程制作出由柱状光阻构成的图形，此过程可采用步进式曝光机、接触式曝光机、投影式曝光机或压印方式。
步骤S103：如图26和27所示，然后再次通过蚀刻工艺，使得发光外延层形成图案化凹凸结构400，蚀刻深度为：100Å~10000Å；蚀刻工艺可以是采用湿法蚀刻或者干法蚀刻或者二者结合，本实施例优选干法蚀刻工艺。
步骤S104：如图28和29所示，在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，厚度介于10Å~3000Å，形成方式可以是蒸镀或者溅射或其他沉积工艺，并进行高温退火处理，使得金属薄层在高温条件下团聚在凹坑中，形成纳米状金属颗粒500。金属薄层的材质可以选用Ag或者Al或者Ni或前述组合之一，本实施例优选Ni作为掩膜层。高温退火处理条件包括：温度为500℃~1000℃，通入N2，流量介于5L~95L。
步骤S105：如图30和 31所示，进行电镀工艺，以金属颗粒作为晶种，沿着纳米金属颗粒沉积生长，最终形成纳米状的金属导光柱600，柱子高度可以低于器件表面，也可以与器件表面相平（如图32）所示，也可以高于器件表面（如图33所示），通过调节导光柱的高度，可以改变从侧面出射光的角度。随着导光柱高度的增加，侧面出射的光相对会LED轴向方向集中，增加轴向的亮度，变化LED的发光角度。此处电镀工艺所用的电压为：1V~20V，电流为：0.1mA~20mA，电镀时间根据所需导光柱的高度以及具体的工艺参数确定，电镀溶液可以为NiCl2、Ni(NO3)2、NiSO4、AgNO3和Al2(SO4)3；最后分别在部分P型半导体层和N型半导体层上，制作电极结构（图中未示出），得到LED芯片。
需要说明的是，本发明各实施例的制作方法不仅适用于上述提及的正装结构LED，同样适用于垂直结构，或是倒装结构，或是高压结构，或是薄膜结构等LED。
综上所述，本发明是通过在部分发光外延层区域形成纳米状的凹凸结构，并于凹坑中填充上金属颗粒，通过电镀形成较高反射率的金属导光柱，直接反射侧面发出的光，从而增加轴向光，提高LED的侧面出光萃取效率，提升发光二极管的出光亮度。
应当理解的是，上述具体实施方案仅为本发明的部分优选实施例，以上实施例还可以进行各种组合、变形。本发明的范围不限于以上实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种发光二极管的制作方法，包括工艺步骤：
（1）提供一磊晶片，包括衬底及衬底上的发光外延层，发光外延层从上至下包括：第一半导体层、活性层以及第二半导体层；
（2）在部分发光外延层表面形成掩膜层并进行图案化，形成图案化掩膜层；其中所述部分发光外延层表面为第一半导体层表面的部分区域，或者所述部分发光外延层表面为从部分第一半导体层往下蚀刻形成的部分裸露的第二半导体层台面；
（3）进行蚀刻工艺，使得所述部分发光外延层表面形成图案化凹凸结构；
（4）在图案化凹凸结构的凹坑中形成金属颗粒；
（5）以金属颗粒作为晶种，进行电镀工艺，沿着金属颗粒沉积生长形成金属导光柱。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）掩膜层图案化采用包括：纳米压印或者电子束光刻或者阳极氧化铝工艺或者涂布纳米小球或者前述任意工艺组合。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于：采用电化学蚀刻工艺使得发光外延层形成图案化凹凸结构，取代所述步骤（2）和步骤（3）。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）的图案化凹凸结构的高度介于50Å~20000Å。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）之后，所述图案化掩膜层去除，或者不去除。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）的金属颗粒的形成是通过在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，并通过剥离方式，使得位于凹凸结构凸部上的金属薄层被隔断，只留下位于凹坑内的金属薄层，形成金属颗粒。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）的金属颗粒的形成是通过在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，并进行激光照射处理，使得金属薄层成为熔融状，流入到凹坑中，形成金属颗粒。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）的金属颗粒的形成是通过在图案化凹凸结构上形成一金属薄层，并进行高温退火处理，使得金属薄层在高温条件下团聚在凹坑中，形成金属颗粒。
9.根据权利要求6或7或8所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于：所述金属薄层的厚度介于10Å~20000Å。
10.根据权利要求6或7或8所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于：所述金属薄层的材质选用Ag或者Al或者Ni或前述组合之一。
11.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于：所述金属颗粒为纳米状，所述金属导光柱为纳米状。
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