CN109962130A - 一种六面粗化的红外led芯片及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种六面粗化的红外LED芯片及制作方法，其采用ITO指状电极而不是金属指状电极进行电流扩展，可以有效避免金属指状电极的遮光吸收问题，且同样可获得良好的电流扩展。并且，该ITO指状电极相比较正面的ITO电流扩展层，可以在ITO指状电极以外区域进行表面粗化处理，进而提高光取出效率。在ITO指状电极下方设置肖特基势垒区，可以使电流优先沿ITO指状电极扩展到芯片四周，减少了直接向电极下方注入的电流，进而提高了电流的有效注入。采用网格型N电极结构，可以避免点阵型背电极电流分布不均匀问题，也可以避免整面型背电极的吸光问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管技术领域，更具体地说，涉及一种六面粗化的红外LED芯片及制作方法。
背景技术
GaAs是一种禁带宽度为1.42eV的直接带隙半导体，作为衬底材料被广泛应用于AlGaAs基红外LED外延片的生长。根据其禁带宽度可知，波长大于870nm的红外光可以穿透GaAs衬底。
但是，目前的GaAs衬底上的红外LED芯片LED光取出没有最大化，仍存在较多能量损失。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种六面粗化的红外LED芯片及制作方法，技术方案如下：
一种六面粗化的红外LED芯片，所述红外LED芯片包括：
衬底；
设置在所述衬底正面的外延层，所述外延层包括在所述第一方向上依次设置的N型限制层、MQW有源层、P型限制层和P型窗口层，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层；
设置在所述P型窗口层背离所述P型限制层一侧上的凹槽，所述凹槽形成肖特基势垒区；
设置在所述凹槽上的ITO指状电极，其中，所述ITO指状电极的中心区域大于所述凹槽的开口区域，且所述ITO指状电极的指状部分向四周延伸；
设置在所述ITO指状电极上中心区域的P电极，其中，所述P电极的覆盖区域小于所述凹槽的开口区域；
设置在所述衬底背面的网格型N电极；
其中，所述外延层暴露在外的表面和侧壁以及所述衬底暴露在外的背面和侧壁均为粗化面。
优选的，所述P型窗口层的厚度为1μm-10μm，包括端点值。
优选的，所述P型窗口层包括高掺杂区域和低掺杂区域；
所述低掺杂区域相邻所述P型限制层，所述高掺杂区域背离所述P型限制层。
优选的，所述高掺杂区域的掺杂浓度为1E19/cm3-9.9E19/cm3。
优选的，所述低掺杂区域的掺杂浓度为1E18/cm3-9.9E18/cm3。
优选的，所述ITO指状电极的厚度为50nm-500nm，包括端点值。
一种六面粗化的红外LED芯片的制作方法，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底正面设置外延层，所述外延层包括在第一方向上依次设置的N型限制层、MQW有源层、P型限制层和P型窗口层，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层；
对所述P型窗口层进行刻蚀形成凹槽，所述凹槽形成肖特基势垒区；
在所述凹槽上形成ITO指状电极，其中，所述ITO指状电极的中心区域大于所述凹槽的开口区域，且所述ITO指状电极的指状部分向四周延伸；
在所述ITO指状电极上的中心区域形成P电极，其中，所述P电极的覆盖区域小于所述凹槽的开口区域；
对所述外延层暴露在外的表面进行粗化处理；
生长正面保护层；
在所述衬底背面形成网格型N电极；
对所述衬底暴露在外的背面进行粗化处理；
生长背面保护层；
进行切割处理，以形成单个的LED芯粒；
对所述外延层暴露在外的侧壁和所述衬底暴露在外的侧壁进行粗化处理，并去除正面保护层；
去除背面保护层。
优选的，所述对所述外延层暴露在外的表面进行粗化处理，包括：
以所述ITO指状电极为掩膜，对所述外延层暴露在外的表面进行刻蚀形成台阶；
旋涂光刻胶，以覆盖所述ITO指状电极和所述P电极；
对所述外延层暴露在外的表面进行粗化处理；
去除所述光刻胶。
优选的，所述对所述衬底暴露在外的背面进行粗化处理，包括：
以所述网格型N电极为掩膜，对所述衬底暴露在外的背面进行刻蚀形成台阶；
旋涂光刻胶，以覆盖所述网格型N电极；
对所述衬底暴露在外的背面进行粗化处理；
去除所述光刻胶。
优选的，所述台阶的高度为0.1μm-1μm，包括端点值。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
该六面粗化的红外LED芯片采用ITO指状电极而不是金属指状电极进行电流扩展，可以有效避免金属指状电极的遮光吸收问题，且同样可获得良好的电流扩展。并且，该ITO指状电极相比较正面的ITO电流扩展层，可以在ITO指状电极以外区域进行表面粗化处理，进而提高光取出效率。
并且，在ITO指状电极下方设置肖特基势垒区，可以使电流优先沿ITO指状电极扩展到芯片四周，减少了直接向电极下方注入的电流，进而提高了电流的有效注入，可使得芯片光效提高。
同时，通过在P电极下方设置ITO指状电极、肖特基势垒区，P电极的下表面与ITO指状电极的上表面接触，能提高承受的打线力度，使芯片寿命增长；同时，能减小芯片电阻。
再者，采用网格型N电极结构，可以避免点阵型背电极电流分布不均匀问题，也可以避免整面型背电极的吸光问题。点阵型背电极有可能存在某些背电极圆点由于背面不平整而没有注入电流，而网格型N电极将所有背电极圆点进行电学互联，进而有效解决了该问题。
并且，网格型N电极结构的空白区域是粗化面可以有效提高光取出效率；
最后，该六面粗化的红外LED芯片的侧面也均为粗化面，以形成正面、背面和四周的侧壁均是粗化面的结构，以大幅度提高光取出效率。
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为本发明实施例提供的一种六面粗化的红外LED芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种肖特基势垒区形状为圆形的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种肖特基势垒区和ITO指状电极的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种肖特基势垒区、ITO指状电极和P电极的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种表面粗化区域的示意图；
图6为本发明实施例提供的一种网格型N电极的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种六面粗化的红外LED芯片的制作方法的流程示意图；
图8为本发明实施例提供的一种对所述衬底暴露在外的背面进行粗化处理的流程示意图；
图9-图13为本发明实施例提供的一种背面粗化的工艺结构示意图；
图14为本发明实施例提供的一种对所述外延层暴露在外的表面进行粗化处理的流程示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种六面粗化的红外LED芯片的结构示意图，所述红外LED芯片包括：
衬底11；
设置在所述衬底11正面的外延层，所述外延层包括在所述第一方向上依次设置的N型限制层14、MQW有源层15、P型限制层16和P型窗口层17，所述第一方向垂直于所述衬底11，且由所述衬底11指向所述外延层；
设置在所述P型窗口层17背离所述P型限制层16一侧上的凹槽，所述凹槽形成肖特基势垒区18；
设置在所述凹槽上的ITO指状电极19，其中，所述ITO指状电极19的中心区域大于所述凹槽的开口区域，且所述ITO指状电极19的指状部分向四周延伸；
设置在所述ITO指状电极19上中心区域的P电极20，其中，所述P电极20的覆盖区域小于所述凹槽的开口区域；
设置在所述衬底11背面的网格型N电极21；
其中，所述外延层暴露在外的表面和侧壁以及所述衬底暴露在外的背面和侧壁均为粗化面22。
进一步的，所述红外LED芯片还包括：N型缓冲层12和N型电流扩展层13，二者设置在所述衬底11和所述N型限制层14之间，所述N型缓冲层12相邻所述衬底11，所述N型电流扩展层相邻所述N型限制层。
通过上述描述可知，该六面粗化的红外LED芯片采用ITO指状电极而不是金属指状电极进行电流扩展，可以有效避免金属指状电极的遮光吸收问题，且同样可获得良好的电流扩展。并且，该ITO指状电极相比较正面的ITO电流扩展层，可以在ITO指状电极以外区域进行表面粗化处理，进而提高光取出效率。
并且，在ITO指状电极下方设置肖特基势垒区，可以使电流优先沿ITO指状电极扩展到芯片四周，减少了直接向电极下方注入的电流，进而提高了电流的有效注入，可使得芯片光效提高，寿命增长。
再者，采用网格型N电极结构，可以避免点阵型背电极电流分布不均匀问题，也可以避免整面型背电极的吸光问题。点阵型背电极有可能存在某些背电极圆点由于背面不平整而没有注入电流，而网格型N电极将所有背电极圆点进行电学互联，进而有效解决了该问题。
并且，网格型N电极结构的空白区域是粗化面可以有效提高光取出效率；
最后，该六面粗化的红外LED芯片的侧面也均为粗化面，以形成正面、背面和四周的侧壁均是粗化面的结构，以大幅度提高光取出效率。
进一步的，基于本发明上述实施例，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种肖特基势垒区形状为圆形的示意图，其中，所述凹槽为圆形凹槽，即，所述肖特基势垒区18的半径为R2。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种肖特基势垒区和ITO指状电极的结构示意图，所述ITO指状电极19的中心区域为圆形区域，其半径为R3。
参考图4，图4为本发明实施例提供的一种肖特基势垒区、ITO指状电极和P电极的结构示意图，所述P电极20的覆盖区域为圆形区域，其半径为R1。
参考图5，图5为本发明实施例提供的一种表面粗化区域的示意图，其阴影区域51表示表面粗化区域，即所述ITO指状电极以外的区域。
其中，所述凹槽、所述ITO指状电极的中心区域和所述P电极的尺寸关系满足R1＜R2＜R3。
需要说明的是，上述实施例只是以举例的形式进行说明，三者示例的圆形区域也可以采用多边形代替，在本发明实施例中并不作限定。
进一步的，参考图6，图6为本发明实施例提供的一种网格型N电极的结构示意图，在所述衬底的背面设置网格型N电极21，并且网格型N电极的空白区域也进行粗化处理，如图6所示，其中阴影部分为金属电极，空白区域61为粗化区域。当需要调节网格型N电极占芯片背面面积的占比时，只需改变格点处圆形半径R或网格间距a即可。并且，这种调节可以改变LED芯片的工作电压和亮度。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述P型窗口层的厚度为1μm-10μm，包括端点值。
在该实施例中，例如所述P型窗口层的厚度为2μm或5μm或6μm或8μm，可根据具体工艺而定，在本发明实施例中并不作限定。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述P型窗口层包括高掺杂区域和低掺杂区域；所述低掺杂区域相邻所述P型限制层，所述高掺杂区域背离所述P型限制层。
可选的，所述高掺杂区域的掺杂浓度为1E19/cm3-9.9E19/cm3，所述低掺杂区域的掺杂浓度为1E18/cm3-9.9E18/cm3。
进一步的，基于本发明上述实施例，所述ITO指状电极的厚度为50nm-500nm，包括端点值。
在该实施例中，例如所述ITO指状电极的厚度为80nm或120nm或230nm，可根据具体工艺而定，在本发明实施例中并不作限定。
基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种六面粗化的红外LED芯片的制作方法，参考图7，图7为本发明实施例提供的一种六面粗化的红外LED芯片的制作方法的流程示意图，所述制作方法包括：
S101：提供一衬底。
在该步骤中，所述衬底包括但不限定于GaAs衬底。
S102：在所述衬底正面设置外延层，所述外延层包括在第一方向上依次设置的N型限制层、MQW有源层、P型限制层和P型窗口层，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层。
在该步骤中，包括但不限定于采用MOCVD(Metal-Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉积)工艺，在所述衬底上生长外延层。
进一步的，还包括：设置在所述衬底11和所述N型限制层14之间的N型缓冲层12和N型电流扩展层13，所述N型缓冲层12相邻所述衬底11，所述N型电流扩展层相邻所述N型限制层。
可选的，所述N型缓冲层为GaAs缓冲层，所述N型电流扩展层为N型AlGaAs电流扩展层，N型限制层为N型AlGaAs限制层，所述P型限制层为P型AlGaAs限制层，所述P型窗口层为P型AlGaAs窗口层。
需要说明的是，AlGaAs是指AlxGa(1-x)As材料，各AlxGa(1-x)As的功能层组分可根据实际需求分别进行调整，以实现相应的功能。
S103：对所述P型窗口层进行刻蚀形成凹槽，所述凹槽形成肖特基势垒区。
在该步骤中，在所述外延层表面旋涂正性光刻胶，曝光显影后定义出肖特基势垒区，采用湿法蚀刻的方式对P型窗口层进行刻蚀，以将表面高掺杂层刻蚀去除形成所述凹槽，然后去除光刻胶，去除表面高掺杂的P型窗口层使其与ITO指状电极不能形成欧姆接触，进而形成肖特基势垒区。
S104：在所述凹槽上形成ITO指状电极，其中，所述ITO指状电极的中心区域大于所述凹槽的开口区域，且所述ITO指状电极的指状部分向四周延伸。
在该步骤中，在上述已制作好肖特基势垒区图形的外延片表面沉积ITO电流扩展层，通过光刻和刻蚀等工艺形成ITO指状电极，然后去除光刻胶。ITO指状电极的中心区域略大于肖特基势垒区，可将肖特基势垒区完全覆盖即可。
S105：在所述ITO指状电极上的中心区域形成P电极，其中，所述P电极的覆盖区域小于所述凹槽的开口区域。
在该步骤中，在上述制作好ITO指状电极的外延片表面旋涂负性光刻胶，曝光显影后蒸镀P电极金属材料，再通过剥离工艺完成P电极制作，P电极的面积略小于肖特基势垒区面积。
S106：对所述外延层暴露在外的表面进行粗化处理。
S107：生长正面保护层。
在该步骤中，所述保护层包括但不限于氮化硅保护层或二氧化硅保护层。
S108：在所述衬底背面形成网格型N电极。
在该步骤中，将所述衬底研磨减薄至所需厚度后，通过光刻、蒸镀、剥离和退火等工艺制作网格型N电极。
S109：对所述衬底暴露在外的背面进行粗化处理。
S110：生长背面保护层。
在该步骤中，所述保护层包括但不限于氮化硅保护层或二氧化硅保护层。
S111：进行切割处理，以形成单个的LED芯粒。
在该步骤中，将上述制作的晶圆背面贴附在蓝膜上，从正面将晶圆切穿分割开，成为分离的LED芯片。
S112：对所述外延层暴露在外的侧壁和所述衬底暴露在外的侧壁进行粗化处理，并去除正面保护层。
在该步骤中，将上述正面切穿分割开的晶圆进行扩膜，使分离的LED芯片之间的间距增加以便侧壁的粗化处理，扩膜后相邻LED芯片之间的距离为芯片尺寸的1.1倍-2.0倍。
将上述扩膜后整齐排布的LED芯片浸入粗化液中，LED芯片的侧壁形成粗化面，然后浸入BOE刻蚀液中去除正面保护层。
S113：去除背面保护层。
在该步骤中，通过一次翻膜，使得LED芯片正面贴附于蓝膜上，并将LED芯片背面的蓝膜揭去，露出LED芯片的背面，浸入BOE刻蚀液中去除背面保护层。
并且，通过第二次翻膜，使得LED芯片背面贴附于蓝膜上，并将LED芯片正面的蓝膜揭去，LED芯片正面朝上，以便于封装阶段固晶取用，即完成LED芯片的制程。
基于本发明上述实施例，在本发明另一实施例中，参考图8，图8为本发明实施例提供的一种对所述衬底暴露在外的背面进行粗化处理的流程示意图，包括：
S201：以所述网格型N电极为掩膜，对所述衬底暴露在外的背面进行刻蚀形成台阶。
在该步骤中，如图9和图10所示，包括但不限定于采用ICP干法蚀刻的方式对所述衬底暴露在外的背面进行刻蚀，所述台阶的高度为0.1μm-1μm，包括端点值。
S202：旋涂光刻胶，以覆盖所述网格型N电极。
在该步骤中，如图11所示，所述光刻胶用于将网格型N电极完整的保护起来，并露出网格型N电极的空白区域。
S203：对所述衬底暴露在外的背面进行粗化处理。
在该步骤中，如图12所示，将器件浸入粗化液中进行背面粗化处理。
S204：去除所述光刻胶。
在该步骤中，如图13所示，去除光刻胶，完成背面粗化处理。
基于本发明上述实施例，在本发明另一实施例中，参考图14，图14为本发明实施例提供的一种对所述外延层暴露在外的表面进行粗化处理的流程示意图，包括：
S301：以所述ITO指状电极为掩膜，对所述外延层暴露在外的表面进行刻蚀形成台阶。
S302：旋涂光刻胶，以覆盖所述ITO指状电极和所述P电极；
S303：对所述外延层暴露在外的表面进行粗化处理；
S304：去除所述光刻胶。
在该实施例中，其原理与上述实施例相同，在此不再赘述。
通过上述描述可知，本发明采用台阶保护法的工艺流程，通过将ITO指状电极与P型窗口层之间的界面和粗化区域不在同一平面，具有台阶高度差；网格型N电极与衬底之间的界面和粗化区域不在同一平面，具有台阶高度差，防止网格型N电极和ITO指状电极因粗化过程中被侧蚀导致易脱落的问题。
以上对本发明所提供的一种六面粗化的红外LED芯片及制作方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
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)
1.一种六面粗化的红外LED芯片，其特征在于，所述红外LED芯片包括：
衬底；
设置在所述衬底正面的外延层，所述外延层包括在所述第一方向上依次设置的N型限制层、MQW有源层、P型限制层和P型窗口层，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层；
设置在所述P型窗口层背离所述P型限制层一侧上的凹槽，所述凹槽形成肖特基势垒区；
设置在所述凹槽上的ITO指状电极，其中，所述ITO指状电极的中心区域大于所述凹槽的开口区域，且所述ITO指状电极的指状部分向四周延伸；
设置在所述ITO指状电极上中心区域的P电极，其中，所述P电极的覆盖区域小于所述凹槽的开口区域；
设置在所述衬底背面的网格型N电极；
其中，所述外延层暴露在外的表面和侧壁以及所述衬底暴露在外的背面和侧壁均为粗化面。
2.根据权利要求1所述的红外LED芯片，其特征在于，所述P型窗口层的厚度为1μm-10μm，包括端点值。
3.根据权利要求1所述的红外LED芯片，其特征在于，所述P型窗口层包括高掺杂区域和低掺杂区域；
所述低掺杂区域相邻所述P型限制层，所述高掺杂区域背离所述P型限制层。
4.根据权利要求3所述的红外LED芯片，其特征在于，所述高掺杂区域的掺杂浓度为1E19/cm3-9.9E19/cm3。
5.根据权利要求3所述的红外LED芯片，其特征在于，所述低掺杂区域的掺杂浓度为1E18/cm3-9.9E18/cm3。
6.根据权利要求1所述的红外LED芯片，其特征在于，所述ITO指状电极的厚度为50nm-500nm，包括端点值。
7.一种六面粗化的红外LED芯片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底正面设置外延层，所述外延层包括在第一方向上依次设置的N型限制层、MQW有源层、P型限制层和P型窗口层，所述第一方向垂直于所述衬底，且由所述衬底指向所述外延层；
对所述P型窗口层进行刻蚀形成凹槽，所述凹槽形成肖特基势垒区；
在所述凹槽上形成ITO指状电极，其中，所述ITO指状电极的中心区域大于所述凹槽的开口区域，且所述ITO指状电极的指状部分向四周延伸；
在所述ITO指状电极上的中心区域形成P电极，其中，所述P电极的覆盖区域小于所述凹槽的开口区域；
对所述外延层暴露在外的表面进行粗化处理；
生长正面保护层；
在所述衬底背面形成网格型N电极；
对所述衬底暴露在外的背面进行粗化处理；
生长背面保护层；
进行切割处理，以形成单个的LED芯粒；
对所述外延层暴露在外的侧壁和所述衬底暴露在外的侧壁进行粗化处理，并去除正面保护层；
去除背面保护层。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述对所述外延层暴露在外的表面进行粗化处理，包括：
以所述ITO指状电极为掩膜，对所述外延层暴露在外的表面进行刻蚀形成台阶；
旋涂光刻胶，以覆盖所述ITO指状电极和所述P电极；
对所述外延层暴露在外的表面进行粗化处理；
去除所述光刻胶。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述对所述衬底暴露在外的背面进行粗化处理，包括：
以所述网格型N电极为掩膜，对所述衬底暴露在外的背面进行刻蚀形成台阶；
旋涂光刻胶，以覆盖所述网格型N电极；
对所述衬底暴露在外的背面进行粗化处理；
去除所述光刻胶。
10.根据权利要求8或9所述的制作方法，其特征在于，所述台阶的高度为0.1μm-1μm，包括端点值。
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