CN112447893B - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体领域，尤其涉及发光二极管及其制作方法，通过在相邻的发光单元之间刻蚀沟道，并在沟道的底部制作高反射层，通过高反射层产生干涉条纹，采用干涉条纹对发光二极管侧面进行曝光处理，从而在发光二极管侧面形成凹槽和凸起结构，并且凹槽底部宽度大于开口宽度，凸起结构表面设置有二氧化硅层，从而可以进一步提高发光二极管的出光效率。

Description

发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体制造领域，具体涉及一种发光二极管及其制作方法。
背景技术
现有技术中发光二极管结构一般包括衬底、设置与衬底上的外延层以及位于外延层上的电极。而随着发光二极管作为照明器件的普及，提高其发光效率成为越来越重要的工艺难点。发光效率可以通过提高内量子效率或者外量子效率而得到提高。通过对发光二极管表面进行粗化处理，已经成为提高发光二极管外量子效率的常规工艺手段。通常是将发光二极管表面涂覆光阻掩膜层，通过曝光、显影和蚀刻工艺进行表面粗化，然而常规的曝光工艺中，曝光光束垂直射入发光二极管上表面，其侧面无法或者有效的曝光光束的照射，导致发光二极管侧面不易形成有效的图形化掩膜，从而无法将掩膜的图案转移至发光二极管侧面，对其进行粗化处理。
因此，如何对发光二极管侧面进行粗化是本领域的一个技术难题。
发明内容
本发明根据光的干涉原理，采用干涉条纹对发光二极管侧面进行曝光处理，从而实现对发光二极管侧面的粗化处理。
根据本发明的第一个方面，提供了一种采用曝光光束的干涉条纹对发光二极管侧面进行曝光制作凹槽和凸起结构的发光二极管制作方法，其包括：S1、提供一衬底，于所述衬底上生长外延层；S2、刻蚀所述外延层，形成复数个相互连接的发光单元，相邻发光单元之间具有沟道；S3、于所述发光单元侧面制作掩膜层，于所述沟道的底部制作高反射层；S4、曝光光束垂直射入高反射层表面，入射光和反射光形成明暗交替的干涉条纹，所述掩膜层在干涉条纹的作用下形成交替分布的变性区和非变性区；采用显影液对掩膜层进行显影，形成图案化掩膜层；S5、刻蚀掩膜层和发光单元侧面，将掩膜层的图案转移至发光单元侧面，形成凹槽和凸起结构；S6、在所述外延层之远离衬底的一侧表面上制作第一电极和第二电极；S7、减薄衬底并分离发光单元，形成独立的发光二极管。
进一步地，所述步骤S3先于所述发光单元侧面制作掩膜层，后于所述沟道的底部制作高反射层；或者，先于所述沟道的底部制作高反射层，后于所述发光单元侧面制作掩膜层。
进一步地，刻蚀所述外延层至衬底表面，形成复数个相互连接的发光单元，所述沟道的深度等于外延层的厚度；或者，刻蚀所述外延层至衬底的一定深度，形成复数个相互连接的发光单元，所述沟道的深度大于外延层的厚度。
优选的，沟道的深度范围可以为2~10μm。
进一步地，所述掩膜层为光阻层，形成的所述发光二极管的侧面的凸起由外延层组成。
进一步地，所述掩膜层包括保护层和涂覆于保护层表面的光阻层，形成的所述发光二极管的侧面的凸起由外延层和保护层组成，所述保护层的折射率小于外延层的折射率，可以有利于发光二极管侧面的出光。
优选的，所述保护层包括二氧化硅层、氮化硅层或者碳化硅层。更优选的，所述保护层为二氧化硅层。
进一步地，通过调整曝光光束的波长和高反射层的厚度，调整干涉条纹的宽度，进而调整发光单元侧面相邻凹槽或者相邻凸起之间的间隔距离。
进一步地，所述高反射层的反射率范围为30%-100%。优选的，所述高反射层的反射率范围为95~99%，曝光光束射入高反射层表面可以发生镜面反射。
进一步地，所述高反射层为金属反射层。优选的，所述高反射层为铝反射层或者银反射层。
进一步地，所述高反射层的厚度为λ/4（2n+1），其中λ为曝光光束波长，n为大于或等于0的自然数。优选的，所述高反射层的厚度为λ/4，其中λ为曝光光束波长。
进一步地，所述曝光光束波长范围为200~500nm。优选的，所述曝光光束为I线、深紫外、H线或者G线。更优选的，所述曝光光束包括激光。
进一步地，所述步骤S2和步骤S2中的刻蚀方法均包括湿法刻蚀或者干法刻蚀。
优选的，所述步骤S2中的刻蚀方法为干法刻蚀，所述步骤S7中的刻蚀方法为湿法刻蚀，湿法刻蚀溶液包括硫酸和磷酸。
优选的，当所述掩膜层包括保护层和涂覆于保护层表面的光阻层时，所述步骤S7的具体步骤如下：首先采用氟化氢和氨水的混合液腐蚀光阻层和保护层，然后采用硫酸和磷酸混合液腐蚀外延层的侧面，形成具有凹槽和凸起结构的发光二极管侧面。更优选的，所述硫酸和磷酸的体积比范围为3:1~2:1。更优选的，所述硫酸和磷酸腐蚀的温度范围为250℃~300℃。
进一步地，所述凹槽底部的宽度大于开口的宽度，该种结构的凹槽更有利于发光二极管的侧面出光，提高发光二极管的出光效率。
优选的，所述凹槽开口大小范围为10~50μm，凹槽开口的大小与干涉条纹的宽度以及刻蚀温度、溶液、时间有关。
进一步地，所述凹槽的间隔距离范围为20~100μm。
根据本发明的第二个方面，本发明公开的发光二极管，包括衬底以及层叠于所述衬底上的外延层，其特征在于：采用上述任意一种的制作方法形成，所述外延层的侧面具有凹槽和凸起结构，所述凹槽的底部的宽度大于开口的宽度, 外延层的侧面的凹槽和凸起结构，一方面改变了射入发光二极管侧面的光的路径，更有利于出光，另一方面，增大了外延层与周围介质的接触面积，有利于散热。
进一步地，所述凸起由外延层和保护层组成，所述保护层的折射率小于外延层的折射率，可以有利于发光二极管侧面的出光。
进一步地，所述保护层为二氧化硅层或者氮化硅层或者碳化硅层。更优选的，所述保护层为二氧化硅层。
在一些实施例中，分离所述发光单元前或者后，可以去除产生干涉条纹的高反射层，形成发光二极管，该发光二极管的侧面无高反射层。
在一些实施例中，可以保留产生干涉条纹的高反射层，形成衬底底部的侧面具有高反射层的发光二极管，可以简化去除高反射层的工艺步骤，并且保留的高反射层可以改变射向侧面的光的路径，从而又利于提高出光。此时，所述外延层靠近衬底的一侧的侧面具有高反射层。优选的，所述高反射层为金属反射层。更优选的，所述高反射层为铝反射层或者银反射层。
进一步地，所述高反射层的高度范围为2~10μm。
进一步地，所述凹槽的开口大小范围为10~50μm，凹槽开口的大小与干涉条纹的宽度以及刻蚀温度、溶液、时间有关。
进一步地，所述凹槽的间隔距离范围为20~100μm。
本发明的发光二极管及其制作方法，具有以下有益效果：
（1）采用相邻发光单元之间的高反射层产生曝光光束的干涉条纹，进一步采用干涉条纹对发光二极管的侧面进行曝光处理，并通过显影和蚀刻步骤形成具有凹槽和凸起的发光二极管，解决了现有技术中发光二极管侧面不易曝光的难题。
（2）形成的发光二极管的侧面具有凹槽和凸起结构，并且凹槽的底部的宽度大于开口的宽度，该凹槽的设计结构，一方面改变了射入发光二极管侧面的光的路径，更有利于出光，另一方面，增大了外延层与周围介质的接触面积，有利于散热。
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是根据本发明实施1的发光二极管制作方法的流程图。
图2~8是根据本发明实施1的制作发光二极管的过程示意图。
图9是根据本发明实施例2中发光二极管侧面的局部示意图。
图10是根据本发明实施2中其他实施例的发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
实施例1
附图1为本发明实施1的发光二极管制作方法的流程图。参看附图1，本发明提供了一种采用曝光光束的干涉条纹对发光二极管侧面进行曝光制作凹槽和凸起结构的发光二极管制作方法，其包括：
S1、参看附图2，提供一衬底10，于衬底10上形成外延层20。
其中，衬底10的材质材料是选自Al2O3、SiC、GaAs、GaN、AlN、GaP、 Si、ZnO、MnO及上述的任意组合中择其中之一。本实施例的的外延成长衬底10以蓝宝石衬底10（sapphiresubstrate）为例说明，晶格方向例如为(0001)，但本发明不限制所使用的衬底10材质与晶格方向。可以对衬底10进行图形化处理，改变光的传播路径，提升发光元件的出光效率。
外延层20采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）于衬底10上制作而成，至少包括N型半导体层、P型半导体层和两者之间的发光层。P型半导体层或N型半导体层分别为n或p型掺杂，n型掺杂有诸如Si、Ge、或者Sn的n型掺杂物。p型被掺杂有诸如Mg、Zn、Ca、 Sr、或者Ba的p型掺杂物，也不排除其他的元素等效替代的掺杂。P型半导体层或N型半导体层可以为氮化镓基、砷化镓基、磷化镓基材质。发光层为能够提供光辐射的材料，具体的辐射波段介于390~950nm，如蓝、绿、红、黄、橙、红外光，发光层可以为单量子阱或多量子阱。
为了提高外延层20的生长质量和性能，还可以在衬底10和N型半导体层之间生长缓冲层（图中未显示），以及N型半导体层和发光层之间生长应力释放层（图中未显示），以及发光层和P型半导体层之间生长电子阻挡层（图中未显示）。具体根据生产需要而定。
S2、参看附图3，刻蚀外延层20，形成复数个相互连接的发光单元，相邻发光单元之间具有沟道30。
刻蚀外延层20所采用的方法可以是干法刻蚀，也可以是湿法蚀刻，本实施例优选采用干法刻蚀。具体地，包括以下步骤：首先，刻蚀P型半导体层、发光层和部分N型半导体层，暴漏出部分N型半导体层，此时，外延层20被刻蚀后形成L型，具有一N型台阶；然后，将N型台阶外侧部分的N型半导体层继续刻蚀至衬底10的一定深度，形成复数个以衬底10相互连接的发光单元，相邻发光单元之间具有沟道30，沟道30两侧的底层为衬底10的侧面，上层为N型半导体层的侧面。此时，每个发光单元均包括衬底10和沉积于衬底10上的外延层20，外延层20则包括N型层、发光层和P型层，沟道30的深度则大于外延层20的厚度。
在其他实施例中，也可以仅仅刻蚀至衬底10的表面，形成的沟道30两侧均为外延层20的侧面。此时，刻蚀形成的沟道30的深度则等于外延层20的厚度。
关于刻蚀深度，具体根据后续对衬底10侧面进行粗化的需要而定，如果需要对衬底10侧面进行粗化处理，则需刻蚀部分衬底10形成深度较深的沟道30；而如仅需外延层20侧面进行粗化处理，则仅需刻蚀至衬底10表面即可。
S3、参看附图4，于发光单元侧面制作掩膜层40,于沟道30的底部制作高反射层50。
具体地，可以先于发光单元侧面制作掩膜层40，后于沟道30的底部制作高反射层50。或者先于沟道30的底部制作高反射层50，后于发光单元侧面制作掩膜层40。本发明并不限制制作掩膜层40和高反射层50的顺序。
本实施例中，掩膜层40包括保护层41和涂覆于保护层41表面的光阻层42，通过光刻工艺后续形成的发光二极管的侧面的凸起81由外延层20和保护层41组成，其中，保护层41的折射率小于外延层20的折射率，可以有利于发光二极管侧面的出光。保护层41可以包括二氧化硅层、氮化硅层或者碳化硅层。优选的，保护层41为二氧化硅层。
通常外延层20的折射率约为2.5，空气的折射率约为1，而当光从光密的介质射向光疏的介质传播时，易出现全反射致使光不能有效的提取。因此，凸起81由外延层20和二氧化硅层组成时，二氧化硅的折射率约为1.45，发光二极管侧面的光则从外延层20（折射率2.5）射入二氧化硅层（折射率1.45），再射入空气（折射率1））中，可以减少发生全反射的光量，从而提高发光二极管侧面出光效率。
在其他实施例中，掩膜层40也可以仅为光阻层42，此时，通过光刻工艺后续形成的发光二极管的侧面的凸起81由外延层20组成，其出光效果不及具有由外延层20和保护层41组成的凸起81的发光二极管。
可以采用真空蒸镀法、溅射法或者化学蒸镀法在沟道30的底部制作高反射层50，具体为在沟道30内的衬底10表面制作高反射层50。高反射层50的作用是在后续的曝光工艺中产生干涉条纹T（如图6所示），因此，其反射率范围为30%-100%，更进一步地，高反射层50的反射率越高越好，其反射率范围可以达到为95~99%。最优的是，曝光光束射入高反射层50可以发生镜面反射，此时，高反射层50产生的干涉条纹T更清晰。因此，高反射层50优选为金属反射层。更优选的，高反射层50为铝反射层或者银反射层。
而通过调整曝光光束的波长和高反射层50的厚度，调整干涉条纹T的宽度，进而调整发光单元侧面相邻凹槽或者相邻凸起81之间的间隔距离。具体地，高反射层50的厚度h和曝光光束的波长λ具有以下关系：h=λ/4（2n+1），其中n为大于或等于0的自然数。本实施例中，优选高反射层50的厚度h=λ/4（n=0），此时曝光光束的入射光（L1）和反射光(L2)产生的干涉相位差约为λ/4
S4、参看附图5，曝光光束垂直射入高反射层50表面，入射光（L1）和反射光（L2）形成明暗交替的干涉条纹T（如图6所示），掩膜层40在干涉条纹T的作用下形成交替分布的变性区和非变性区；采用显影液对掩膜层40进行显影，形成图案化掩膜层40。
曝光光束波长范围可以为200~500nm。优选的，曝光光束为I线、深紫外、H线或者G线。更优选的，所述曝光光束包括激光。
S5、参看附图7，刻蚀掩膜层40和发光单元侧面，将掩膜层40的图案转移至发光单元侧面，形成凹槽82和凸起81结构。
可以采用干法刻蚀或者湿法刻蚀的方法刻蚀掩膜层40和发光单元侧面，本实施例优选采用湿法刻蚀的方法。具体的，对由保护层41和涂覆于保护层41表面的光阻层42组成的掩膜层40进行湿法刻蚀时，首先，采用氟化氢和氨水的混合液腐蚀光阻层42和保护层41，保护层41优选为二氧化硅层；然后采用硫酸和磷酸混合液腐蚀外延层20的侧面，形成具有凹槽82和凸起81结构的发光二极管侧面。
进一步地，湿法刻蚀掩膜层40时，硫酸和磷酸的体积比范围为3:1~2:1，腐蚀温度范围为250℃~300℃。
S6、参看附图7，在外延层20之远离衬底10的一侧表面上制作第一电极60和第二电极70。第一电极60与N型半导体层电性连接，第二电极70与P型半导体层电性连接。第一电极60和第二电极70分别与外部的电源的两极连接，电流由第二电极70注入P型半导体层内，并流经外延层20到达第一电极60，使外延层20发射一定波长的光。
S7、参看附图8，减薄衬底10并分离发光单元，形成独立的发光二极管。
可以采用对衬底10的背面进行研磨以减薄衬底。采用上述的方法所形成的发光二极管，其侧面的凹槽82底部的宽度大于开口的宽度，该种结构的凹槽82更有利于发光二极管的侧面出光，提高发光二极管的出光效率。凹槽82的底部的宽度大于开口的宽度, 外延层20的侧面的凹槽82和凸起81结构，一方面改变了射入发光二极管侧面的光的路径，更有利于出光，另一方面，增大了外延层20与周围介质的接触面积，有利于散热。
其中，凹槽82开口大小范围为10~50μm，凹槽82开口的大小与干涉条纹T的宽度以及刻蚀温度、溶液、时间有关。发光单元侧面的凹槽82的间隔距离范围为20~100μm。
实施例2
附图8示出了本发明发光二极管的结构示意图。本发明公开的发光二极管，是采用上述实施例1的方法制作而成。具体如下：发光二极管，包括衬底10以及层叠于所述衬底10上的外延层20，外延层20的侧面具有凹槽82和凸起81结构，凹槽82的底部的宽度大于开口的宽度。
外延层20的侧面的凹槽82和凸起81结构，一方面改变了射入发光二极管侧面的光的路径，更有利于出光，另一方面，增大了外延层20与周围介质的接触面积，有利于散热。
参看附图9，本实施例中，凸起81由外延层20（在一些变形实施例中，可以为外延层20和/或衬底10）和保护层41组成，并且保护层41的折射率小于外延层20的折射率，可以有利于发光二极管侧面的出光。保护层41可以为二氧化硅层或者氮化硅层或者碳化硅层。本实施例中优选保护层41为二氧化硅层。
如图8所示，产生干涉条纹T的高反射层50可以去除，并且再经过衬底10的减薄处理，形成侧面无高反射层50，并且侧面全部具有凹槽82和凸起81结构的发光二极管；或者，在其他实施例中，如图10所示，产生干涉条纹T的高反射层50保留，此时形成侧面有高反射层50的发光二极管。保留高反射层50，即一方面可以省去高反射层50去除的工艺步骤，另一方面，保留的高反射层50可以改变射向侧面的光的路径，从而又利于提高出光。高反射层50可以为金属反射层，例如铝反射层或者银反射层。
其中，发光单元侧面的凹槽82的开口大小范围为10~50μm，凹槽82开口的大小与干涉条纹T的宽度以及刻蚀温度、溶液、时间有关。凹槽82的间隔距离范围为20~100μm。
本发明的发光二极管及其制作方法，具有以下有益效果：
（1）采用相邻发光单元之间的高反射层50产生曝光光束的干涉条纹T，进一步将干涉条纹T图案转移至发光二极管的侧面，并通过显影和蚀刻步骤形成具有凹槽82和凸起81的发光二极管，解决了现有技术中发光二极管侧面不易曝光的难题。
（2）形成的发光二极管的侧面具有凹槽82和凸起81结构，并且凹槽82的底部的宽度大于开口的宽度，一方面改变了射入发光二极管侧面的光的路径，更有利于出光，另一方面，增大了外延层20与周围介质的接触面积，有利于散热。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (21)

1.发光二极管的制作方法，包括步骤：
S1、提供一衬底，于所述衬底上生长外延层；
S2、刻蚀所述外延层，形成复数个相互连接的发光单元，相邻发光单元之间具有沟道；
S3、于所述沟道的底部制作高反射层，于所述发光单元侧面制作掩膜层；
S4、曝光光束垂直射入高反射层表面，入射光和反射光形成明暗交替的干涉条纹，所述掩膜层在干涉条纹的作用下形成交替分布的变性区和非变性区；采用显影液对掩膜层进行显影，形成图案化掩膜层；
S5、刻蚀掩膜层和发光单元侧面，将掩膜层的图案转移至发光单元侧面，形成凹槽和凸起结构，所述掩膜层包括保护层和涂覆于保护层表面的光阻层，形成的所述发光二极管的侧面的凸起由外延层和保护层组成，所述保护层的折射率小于外延层的折射率；
S6、在所述外延层之远离衬底的一侧表面上制作第一电极和第二电极；
S7、减薄衬底并分离发光单元，形成独立的发光二极管。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述沟道的深度等于或者大于外延层的厚度。
3.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤S2中沟道的深度范围为2~10μm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述保护层包括二氧化硅层、氮化硅层或者碳化硅层。
5.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：通过调整曝光光束的波长和高反射层的厚度，调整干涉条纹的宽度，进而调整发光单元侧面相邻凹槽或者相邻凸起之间的间隔距离。
6.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述高反射层为金属反射层，反射率范围为30%-100%。
7.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述高反射层为铝反射层或者银反射层。
8.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述高反射层的厚度为λ/4（2n+1），其中λ为曝光光束波长，n为大于或等于0的自然数。
9.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述曝光光束波长范围为200~500nm。
10.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述曝光光束为I线、深紫外、H线或者G线。
11.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述曝光光束包括激光。
12.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤S2和步骤S5中的刻蚀方法均包括湿法刻蚀或者干法刻蚀。
13.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述凹槽底部的宽度大于开口的宽度。
14.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述凹槽的开口大小范围为10~50μm。
15.根据权利要求1所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述发光单元侧面的凹槽的间隔距离范围为20~100μm。
16.发光二极管，包括衬底以及层叠于所述衬底上的外延层，其特征在于：采用权利要求1~15任意一项所述的方法制作而成，所述外延层的侧面具有凹槽和凸起结构，所述凹槽的底部的宽度大于开口的宽度，所述凸起由外延层和保护层组成，所述保护层的折射率小于外延层的折射率。
17.根据权利要求16所述的发光二极管，其特征在于：所述保护层为二氧化硅层或者氮化硅层或者碳化硅层。
18.根据权利要求16所述的发光二极管，其特征在于：所述外延层靠近衬底的一侧的侧面具有高反射层。
19.根据权利要求18所述的发光二极管，其特征在于：所述高反射层的高度范围为2-10μm。
20.根据权利要求16所述的发光二极管，其特征在于：所述发光单元侧面的凹槽的开口大小范围为10~50μm。
21.根据权利要求16所述的发光二极管，其特征在于：所述发光单元侧面的凹槽的间隔距离范围为20~100μm。
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