CN109411582B - 一种表面粗化的led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面粗化的LED芯片及其制作方法，通过对窗口层上的电流扩展材料层进行粗化处理得到电流扩展层，使电流扩展层背离衬底一侧对应电极区以外的表面为粗化表面，进而减少了电流扩展层界面的全反射情况，提高了LED芯片的外量子效率，保证了LED芯片的发光效率高。在此基础上，无需对窗口层背离衬底一侧表面进行粗化处理，而避免了窗口层表面重掺杂层受到破坏，保证了窗口层和电流扩展层之间欧姆接触良好，提高了LED芯片的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更为具体的说，涉及一种表面粗化的LED(LightEmitting Diode，发光二极管)芯片及其制作方法。
背景技术
现有的一种LED芯片包括：从下往上依次设置的背电极、GaAs衬底、DBR(Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射器)反射层、n型限制层、MQW(Mult IQuantum Well，多量子阱)有源层、p型限制层、p型GaP窗口层和主电极。由于p型GaP窗口层的折射率为3.3，与空气的折射率相差较大，因此，光从p型GaP窗口层表面出射到空气中时，会在界面处发生强烈的全反射。由于反射回LED芯片内部的光会被GaAs衬底吸收，因此，会导致LED芯片的发光效率大幅下降。
虽然可以通过在p型GaP窗口层表面沉积ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)透明导电层作为P面电流扩展层，同时也作为折射率过渡层，来减小全反射现象，但是，由于ITO的折射率为1.9，与空气的折射率仍有一定的差异，因此，仍有很大一部分光被反射回GaAs衬底而被吸收。
此外，虽然还可以通过对p型GaP窗口层的表面进行粗化处理，来破坏p型GaP窗口层的表面平整度，减少界面全反射，但是，无论采用干法刻蚀还是采用湿法刻蚀对p型GaP窗口层的表面进行粗化处理，都无法避免会使p型GaP窗口层的表面过粗化，即粗化过深、过大。一旦p型GaP窗口层表面过粗化，就会导致p型GaP窗口层的表面重掺杂层受到严重破坏，进而导致ITO透明导电层和p型GaP窗口层的接触电阻过大，使得LED芯片的性能较差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种表面粗化的LED芯片及其制作方法，解决了现有技术存在的问题，提高了LED芯片的性能。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种表面粗化的LED芯片的制作方法，包括：
提供一外延结构，所述外延结构包括依次叠加的衬底、DBR反射层、第一限制层、MQW量子阱有源层、第二限制层和窗口层，其中，所述第一限制层和所述第二限制层的掺杂类型不同；
在所述窗口层背离所述衬底一侧蒸镀电流扩展材料层，所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧的表面划分有电极区；
通过热处理方式使所述电流扩展材料层形成扩展子层和背离所述扩展子层一侧的多个颗粒；
采用刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀，得到具有粗化表面的电流扩展层；
在所述衬底背离所述DBR反射层一侧蒸镀第一电极，及在所述电流扩展材料层对应所述电极区处蒸镀第二电极。
可选的，采用刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀，包括：
采用湿法刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。
可选的，所述湿法刻蚀工艺包括：
采用酸性或碱性的刻蚀溶液，对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。
可选的，所述刻蚀溶液为草酸或盐酸溶液，其中，所述盐酸溶液中HCl:H2O的体积比为1:1～1:30，包括端点值；
且所述湿法刻蚀工艺时间为5s～240s，包括端点值。
可选的，采用刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀，包括：
采用干法刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。
可选的，所述干法刻蚀工艺包括：
采用等离子蚀刻，对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。
可选的，所述等离子蚀刻分为第一阶段和第二阶段，在所述第一阶段采用氩气蚀刻5s-240s，包括端点值；在所述第二阶段采用卤素气体蚀刻10s-600s，包括端点值。
可选的，在蒸镀所述电流扩展材料层之前，还包括：
在所述窗口层背离所述衬底一侧形成凹槽，其中，所述凹槽与所述电极区相对应。
相应的，本发明还提供了一种表面粗化的LED芯片，包括：
外延结构，所述外延结构包括依次叠加的衬底、DBR反射层、第一限制层、MQW量子阱有源层、第二限制层和窗口层，其中，所述第一限制层和所述第二限制层的掺杂类型不同；
位于所述窗口层背离所述衬底一侧的电流扩展层，所述电流扩展层背离所述衬底一侧的表面划分有电极区，且所述电流扩展层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面为粗化表面；
以及，位于所述衬底背离所述DBR反射层一侧的第一电极，及位于所述电流扩展层对应所述电极区处的第二电极。
可选的，所述窗口层背离所述衬底一侧具有凹槽，其中，所述凹槽与所述电极区相对应。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种表面粗化的LED芯片及其制作方法，通过对窗口层上的电流扩展材料层进行粗化处理得到电流扩展层，使电流扩展层背离衬底一侧对应电极区以外的表面为粗化表面，进而减少了电流扩展层界面的全反射情况，提高了LED芯片的外量子效率，保证了LED芯片的发光效率高。在此基础上，无需对窗口层背离衬底一侧表面进行粗化处理，而避免了窗口层表面重掺杂层受到破坏，保证了窗口层和电流扩展层之间欧姆接触良好，提高了LED芯片的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种表面粗化的LED芯片的制作方法的流程图；
图2-图6为图1中各个步骤对应的结构示意图；
图7为本申请实施例提供的另一种表面粗化的LED芯片的制作方法的流程图；
图8为本申请实施例提供的一种表面粗化的LED芯片的结构示意图；
图9为本申请实施例提供的另一种表面粗化的LED芯片的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
正如背景技术所述，虽然还可以通过对p型GaP窗口层的表面进行粗化处理，来破坏p型GaP窗口层的表面平整度，减少界面全反射，但是，无论采用干法刻蚀还是采用湿法刻蚀对p型GaP窗口层的表面进行粗化处理，都无法避免会使p型GaP窗口层的表面过粗化，即粗化过深、过大。一旦p型GaP窗口层表面过粗化，就会导致p型GaP窗口层的表面重掺杂层受到严重破坏，进而导致ITO透明导电层和p型GaP窗口层的接触电阻过大，使得LED芯片的性能较差。
基于此，本申请实施例提供了一种表面粗化的LED芯片及其制作方法，解决了现有技术存在的问题，提高了LED芯片的性能。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图9对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。
参考图1所示，为本申请实施例提供的一种表面粗化的LED芯片的制作方法，包括：
S1、提供一外延结构，所述外延结构包括依次叠加的衬底、DBR反射层、第一限制层、MQW量子阱有源层、第二限制层和窗口层，其中，所述第一限制层和所述第二限制层的掺杂类型不同；
S2、在所述窗口层背离所述衬底一侧蒸镀电流扩展材料层，所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧的表面划分有电极区；
S3、通过热处理方式使所述电流扩展材料层形成扩展子层和背离所述扩展子层一侧的多个颗粒；
S4、采用刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀，得到具有粗化表面的电流扩展层；
S5、在所述衬底背离所述DBR反射层一侧蒸镀第一电极，及在所述电流扩展层对应所述电极区处蒸镀第二电极。
可以理解的，通过对窗口层上的电流扩展材料层进行粗化处理得到电流扩展层，使电流扩展层背离衬底一侧对应电极区以外的表面为粗化表面，进而减少了电流扩展层界面的全反射情况，提高了LED芯片的外量子效率，保证了LED芯片的发光效率高。在此基础上，无需对窗口层背离衬底一侧表面进行粗化处理，而避免了窗口层表面重掺杂层受到破坏，保证了窗口层和电流扩展层之间欧姆接触良好，提高了LED芯片的性能。
此外，在制作LED芯片的过程中，将蒸镀的电流扩展材料层通过热处理得到扩展子层和背离扩展子层一侧的多个颗粒，而后以多个颗粒为掩膜，对电流扩展材料层背离衬底一侧对应电极区以外的表面进行刻蚀，最终得到具有粗化表面的电流扩展层。其中，通过热处理得到的多个颗粒分布均匀，使得最终刻蚀形成的粗化表面均匀性高，使得电流扩展层阻挡其界面的全反射效果更高；并且，由于颗粒和扩展子层的材质一致，故而在对扩展子层进行刻蚀过程中，能够将作为掩膜的颗粒刻蚀去除，在得到具有粗化表面的电流扩展层的同时，得到所需厚度的电流扩展层。
下面结合附图对本申请提供的制作方法进行详细的描述，如图2-图6所示，为图1中各个步骤对应的结构示意图。
需要说明的是，本申请下面实施例以四元系发光二极管芯片为例进行说明，但是，本申请并不仅限于此。在本申请其他实施例中，发光二极管芯片还可以为其他材料体系的芯片，如二元系、三元系LED芯片，对此本申请不做具体限定。
如图2所述，对应步骤S1，提供一外延结构，所述外延结构包括依次叠加的衬底100、DBR反射层200、第一限制层310、MQW量子阱有源层400、第二限制层320和窗口层500，其中，所述第一限制层310和所述第二限制层320的掺杂类型不同。
在本申请一实施例中，本申请可以采用MOCVD(Metal-organic ChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)技术，在衬底100(如GaAs衬底)上生长外延层，其中，依次生长有DBR反射层200、n型限制层310(如n型AlGaInP限制层)、MQW量子阱有源层400、p型限制层320(如p型AlGaInP限制层)和p型窗口层500(如p型GaP窗口层)，此外，本申请实施例还可以采用区别于MOCVD的生长技术，及生长各层时区别于上述材料的材质，对此本申请不做具体限制。
在本申请一实施例中，本申请提供的窗口层500背离衬底一侧表层的重掺杂层的掺杂浓度在2×1018cm-3以上，保证电流扩展层与窗口层之间具有良好的欧姆接触。
如图3所示，对应步骤S2，在所述窗口层500背离所述衬底100一侧蒸镀电流扩展材料层601，所述电流扩展材料层601背离所述衬底100一侧的表面划分有电极区S。
在本申请一实施例中，本申请提供的电流扩展材料层601的材质可以为氧化铟锡，由于后续需要对电流扩展材料层的表层进行颗粒化和刻蚀，故而，在窗口层上蒸镀的电流扩展材料层的厚度需要较大，以保证后续刻蚀后得到所需厚度的电流扩展层。其中，本申请实施例提供的电流扩展材料层的厚度为10nm-10000nm，包括端点值。
在本申请一实施例中，本申请可以采用电子束蒸镀方法，在窗口层500上蒸镀该电流扩展材料层601。
如图4所示，对应步骤S3，通过热处理方式使所述电流扩展材料层601形成扩展子层6011和背离所述扩展子层6011一侧的多个颗粒6012。在蒸镀完毕电流扩展材料层601后，可以采用高温热处理方式，使电流扩展材料层601的表层形成多个凸起，以形成扩展子层6011和背离扩展子层6011一侧的多个颗粒6012。如本申请实施例蒸镀的电流扩展材料层601可以为450nm，经过高温300-680摄氏度(包括端点值)处理5-240s后(包括端点值)，得到扩展子层和背离扩展子层一侧的多个颗粒。其中，通过热处理形成的多个颗粒分布均匀，为后续形成均匀的粗化表面奠定基础。
如图5所示，对应步骤S4，采用刻蚀工艺对所述电流扩展材料层601背离所述衬底100一侧对应所述电极区S以外的表面进行刻蚀，得到具有粗化表面的电流扩展层600。
在本申请一实施例中，在对电流扩展层601背离衬底100一侧对应电极区S以外表面进行刻蚀前，可以在对电流扩展层601背离衬底100一侧对应电极区S的部分形成掩膜层，以对该电极区S对应电流扩展材料层601的部分进行保护，避免出现对电极区S的相应部分刻蚀后，影响后续电极的制作。
此外，由于颗粒较小，故而位于电极区的颗粒可以忽略不计，其无法对电极制作造成影响。
在本申请一实施例中，本申请采用刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀，包括：
采用湿法刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。
其中，本申请实施例提供的所述湿法刻蚀工艺包括：
采用酸性或碱性的刻蚀溶液，对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。在本申请一实施例中，本申请提供的所述刻蚀溶液为草酸或盐酸溶液，其中，所述盐酸溶液中HCl:H2O的体积比为1:1～1:30，包括端点值；
且所述湿法刻蚀工艺时间为5s～240s，包括端点值。
或者，在本申请一实施例中，本申请采用刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀，包括：
采用干法刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。
其中，本申请实施例提供的所述干法刻蚀工艺包括：
采用等离子蚀刻，对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。在本申请一实施例中，本申请实施例提供的所述等离子蚀刻分为第一阶段和第二阶段，在所述第一阶段采用氩气蚀刻5s-240s，包括端点值；在所述第二阶段采用卤素气体蚀刻10s-600s，包括端点值。
如图6所示，对应步骤S5，在所述衬底100背离所述DBR反射层200一侧蒸镀第一电极710，及在所述电流扩展层600对应所述电极区S处蒸镀第二电极720。
在本申请一实施例中，在制备第一电极和第二电极时，首先可以制备第二电极，其中，第二电极处于电极区的范围内，在电流扩展层对应电极区处蒸镀第二电极时，可以采用负性光刻胶在电流扩展层上形成掩膜图案，而后通过电子束蒸镀方式蒸镀Cr/Ti/Al电极层，而后可以采用lift-off工艺制备出第二电极。
而后，可以采用机械研磨的方式对衬底进行减薄至所需厚度，并采用丙酮、异丙酮、去离子水等方式进行清洗后，在衬底背离DBR反射层一侧蒸镀Au/AuGe/Au电极层，并在高温(如420摄氏度)下快速退火(如退火时间15s)，使Ge扩散与衬底形成良好欧姆接触。
进一步的，参考图7所示，为本申请实施例提供的另一种表面粗化的LED芯片的制作方法的流程图，其中，在蒸镀所述电流扩展材料层之前，即在步骤S2之前，还包括：
S1’、在所述窗口层背离所述衬底一侧形成凹槽，其中，所述凹槽与所述电极区相对应。
在获取外延结构后，可以采用丙酮、异丙酮、去离子水等方式对外延结构进行表面清洗，而后在窗口层背离衬底一侧蒸镀掩膜结构，掩膜结构材质可以为SiO2，而后涂覆正性光刻胶并曝光显影得到掩膜图形；采用BOE工艺对掩膜图形进行蚀刻后，采用刻蚀液对窗口层进行刻蚀(如窗口层为GaP层时，刻蚀液为主要成分为KOH的碱性溶液)，蚀刻预设时间后采用BOE去除剩余掩膜图形得到凹槽。
参考图8所示，为本申请实施例提供的一种表面粗化的LED芯片的结构示意图，其中，表面粗化的LED芯片的窗口层500对应电极区S形成有凹槽，通过形成凹槽可以使载流子往窗口层四周边沿传导，这样不但可以充分利用MQW量子阱有源层的发光区域，而且可以在出光时尽可能避开第二电极的遮挡，有效提升LED芯片的发光效率。
相应的，本申请实施例还提供了一种表面粗化的LED芯片，参考图7所示，表面粗化的LED芯片包括：
外延结构，所述外延结构包括依次叠加的衬底100、DBR反射层200、第一限制层310、MQW量子阱有源层400、第二限制层320和窗口层500，其中，所述第一限制层310和所述第二限制层320的掺杂类型不同；
位于所述窗口层500背离所述衬底100一侧的电流扩展层600，所述电流扩展层600背离所述衬底100一侧的表面划分有电极区S，且所述电流扩展层600背离所述衬底100一侧对应所述电极区S以外的表面为粗化表面；
以及，位于所述衬底100背离所述DBR反射层200一侧的第一电极710，及位于所述电流扩展层600对应所述电极区S处的第二电极720
参考图8所示，在本申请一实施例中，本申请提供的所述窗口层500背离所述衬底100一侧具有凹槽，其中，所述凹槽与所述电极区S相对应。
此外，参考图9所示，为本申请实施例提供的另一种表面粗化的LED芯片的结构示意图，其中，本申请实施例提供的LED芯片还包括：
位于衬底100与DBR反射层200之间的缓冲层110，缓冲层110可以为GaAs缓冲层，其中，通过缓冲层的设置提高外延结构的质量。
本申请实施例提供了一种表面粗化的LED芯片及其制作方法，通过对窗口层上的电流扩展材料层进行粗化处理得到电流扩展层，使电流扩展层背离衬底一侧对应电极区以外的表面为粗化表面，进而减少了电流扩展层界面的全反射情况，提高了LED芯片的外量子效率，保证了LED芯片的发光效率高。在此基础上，无需对窗口层背离衬底一侧表面进行粗化处理，而避免了窗口层表面重掺杂层受到破坏，保证了窗口层和电流扩展层之间欧姆接触良好，提高了LED芯片的性能。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种表面粗化的LED芯片的制作方法，其特征在于，包括：
提供一外延结构，所述外延结构包括依次叠加的衬底、DBR反射层、第一限制层、MQW量子阱有源层、第二限制层和窗口层，其中，所述第一限制层和所述第二限制层的掺杂类型不同；
在所述窗口层背离所述衬底一侧蒸镀材质一致的电流扩展材料层，所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧的表面划分有电极区；
通过热处理方式使所述电流扩展材料层的表层形成多个凸起，以形成扩展子层和背离所述扩展子层一侧的多个颗粒，所述多个凸起与所述多个颗粒的材质一致；
采用刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀，得到具有粗化表面的电流扩展层；
在所述衬底背离所述DBR反射层一侧蒸镀第一电极，及在所述电流扩展层对应所述电极区处蒸镀第二电极。
2.根据权利要求1所述的表面粗化的LED芯片的制作方法，其特征在于，采用刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀，包括：
采用湿法刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。
3.根据权利要求2所述的表面粗化的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述湿法刻蚀工艺包括：
采用酸性或碱性的刻蚀溶液，对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。
4.根据权利要求3所述的表面粗化的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述刻蚀溶液为草酸或盐酸溶液，其中，所述盐酸溶液中HCl:H2O的体积比为1:1～1:30，包括端点值；
且所述湿法刻蚀工艺时间为5s～240s，包括端点值。
5.根据权利要求1所述的表面粗化的LED芯片的制作方法，其特征在于，采用刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀，包括：
采用干法刻蚀工艺对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。
6.根据权利要求5所述的表面粗化的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述干法刻蚀工艺包括：
采用等离子蚀刻，对所述电流扩展材料层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面进行刻蚀。
7.根据权利要求6所述的表面粗化的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述等离子蚀刻分为第一阶段和第二阶段，在所述第一阶段采用氩气蚀刻5s-240s，包括端点值；在所述第二阶段采用卤素气体蚀刻10s-600s，包括端点值。
8.根据权利要求1所述的表面粗化的LED芯片的制作方法，其特征在于，在蒸镀所述电流扩展材料层之前，还包括：
在所述窗口层背离所述衬底一侧形成凹槽，其中，所述凹槽与所述电极区相对应。
9.一种表面粗化的LED芯片，其特征在于，所述表面粗化的LED芯片采用权利要求1-8任意一项所述的制作方法制作而成，包括：
外延结构，所述外延结构包括依次叠加的衬底、DBR反射层、第一限制层、MQW量子阱有源层、第二限制层和窗口层，其中，所述第一限制层和所述第二限制层的掺杂类型不同；
位于所述窗口层背离所述衬底一侧的电流扩展层，所述电流扩展层背离所述衬底一侧的表面划分有电极区，且所述电流扩展层背离所述衬底一侧对应所述电极区以外的表面为粗化表面；
以及，位于所述衬底背离所述DBR反射层一侧的第一电极，及位于所述电流扩展层对应所述电极区处的第二电极。
10.根据权利要求9所述的表面粗化的LED芯片，其特征在于，所述窗口层背离所述衬底一侧具有凹槽，其中，所述凹槽与所述电极区相对应。
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