CN115911191A - 一种提升led芯片侧面出光效率的方法 - Google Patents

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徐盼盼
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高瑜
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Abstract

本发明涉及一种提升LED芯片侧面出光效率的方法。步骤如下：(1)提供LED外延片，在外延片GaN层上生长SiO2薄膜；(2)在SiO2薄膜上均匀地涂覆光刻胶，制作光刻胶掩膜图形；(3)将外延片放入缓冲氧化物刻蚀液中腐蚀50～150s；(4)将外延片进行ICP干法刻蚀，形成MESA结构；(5)将外延片进行常规去胶作业，并制备透明导电层、蒸镀P/N电极和制备钝化层。本发明制作的LED芯片具有两段斜坡的MESA结构，首先增加了LED芯片的出光面积；其次增加了侧面出光路线中的角度组合，增加了GaN内部的波导或多次反射的光线的逃逸机会；最后更有利于发自MQW的光线横向传播的一次出光，相较于常规MESA结构的LED芯片发光效率提高了1.2％以上。

Description

一种提升LED芯片侧面出光效率的方法
技术领域
本发明涉及一种提升LED芯片侧面出光效率的方法，属于半导体加工技术领域。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)因具有体积小、能耗低、寿命长、稳定性高等优点，从发展之初就受到政府的大力扶持。自2010年开始LED照明市场呈快速发展态势，目前国内LED已经获得长足发展。然而，制约GaN基LED亮度提升的关键问题，是其发光效率较低。根据目前现状，GaN基LED的内量子效率已达到90％，但常规LED结构的外量子效率受全反射的影响，仅为5％左右。为了尽可能的提高出光，改善LED发光效率，相关的技术手段如图形化衬底(PSS)、各膜层表面或者界面的粗化、背面反射层等研究方向被大家所热衷。但这些基于对正向出光的改善，对LED发光效率的改善程度还较有限，为了进一步提高出光效率，对改善LED芯片的侧面出光进行相关的研究是非常有必要的。
中国专利文献CN202957285U公开了一种改善LED侧面出光的外延结构及其制造方法。该方法采用GaN/AlGaN超晶格结构来替代普通GaN外延层，基于ICP刻蚀对GaN与AlGaN刻蚀速度不同的原理，实现LED芯片侧面锯齿状的轮廓，从而增加芯片侧壁的出光面积。该专利中通过对芯片侧壁实现微结构粗化效果，来提升侧壁出光效果，但未对侧壁角度实现优化。同时，该方法需通过改变外延结构来达到目的，且在外延层中引入Al元素，因Al元素对氢离子具有不稳定性，可能会对芯片的耐水汽/酸酸性气体腐蚀产生影响，从而带来可靠性风险，不适宜进行规模应用。
中国专利文献CN104538511A公开了一种提高出光效率的LED芯片及其制作方法。该方法利用mesa图形为掩膜，在形成的mesa图形区域中的边缘位置刻蚀沟槽，并刻蚀至N型半导体层，从而形成一个梯形的反射面，增加对侧面光的反射，从而提高正向光的输出。但该方法在mesa边缘区域额外刻蚀一个沟槽，很大程度上降低了芯片正面的有效利用面积，不利于单位面积发光效率的提升。
有鉴于此，有必要研究一种可靠性高、且简单有效、易于实现的工艺方案，在现有工艺基础上进一步提升芯片的侧面出光，从而提升芯片的发光效率。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种提升LED芯片侧面出光效率的方法。本发明通过增加SiO2腌膜，利用SiO2和GaN的选择性刻蚀，形成了由两段斜坡构成的MESA侧面结构，在整个LED芯片出光设计中引入新的出光路线，提高外量子效率。该方案可靠性高，方案简单，无需引入额外的设备，具备较高的可行性。
本发明的技术方案如下：
一种提升LED芯片侧面出光效率的方法，包括步骤如下：
(1)提供LED外延片，外延片包括衬底和衬底上的GaN层，在GaN层上通过PECVD方法生长SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上均匀地涂覆光刻胶，制作光刻胶掩膜图形；
(3)将步骤(2)所得外延片放入缓冲氧化物刻蚀液中腐蚀50～150s；
(4)将步骤(3)所得外延片进行ICP干法刻蚀，形成MESA结构；
其中，所述MESA结构为两段斜坡构成的不规则侧面结构；
(5)将步骤(4)所得外延片进行常规去胶作业，并制备透明导电层、蒸镀P/N电极和制备钝化层。
根据本发明优选的，步骤(1)中，所述GaN层的厚度为4～5μm，所述SiO2薄膜的厚度为200～250nm。
根据本发明优选的，步骤(2)中，所述光刻胶的厚度为2.2～3.0μm。
根据本发明优选的，步骤(2)中，所述光刻胶掩膜图形为LED芯片常规MESA几何掩膜图形。
根据本发明优选的，步骤(2)中，所述光刻胶掩膜图形按照如下方法制作：通过曝光机把光刻版上的图形转移光刻胶上，再进行显影和烘烤工序完成光刻胶掩膜图形的制作。
根据本发明优选的，步骤(3)中，所述缓冲氧化物刻蚀液配比为：按体积比，49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：20，腐蚀温度为20～30℃。
根据本发明优选的，步骤(3)中，所述腐蚀时间为90～120s，使得未被光刻胶覆盖区域的SiO2被腐蚀干净，并使光刻胶下方未裸露SiO2薄膜被侧向腐蚀0.5～3.0μm。
根据本发明优选的，步骤(4)中，所述ICP干法刻蚀在氯气、三氯化硼、氩气组成的等离子气体中进行，时间为300～500s。
根据本发明优选的，步骤(4)中，所形成两段斜坡中，第一段斜坡与水平的夹角为30～35度，垂直高度为0.4～0.8μm；第二段斜坡与水平的夹角为55～60度，垂直高度为0.6～1.0μm。
本发明还提供一种侧面出光效率高的LED芯片，该芯片是按照上述方法制备得到。
本发明其余未详尽之处，均可采用现有技术。
本发明的技术特点：
本发明在常规MESA制作工艺的基础上增加SiO2薄膜，首先利用光刻胶的掩膜效果，采用湿法腐蚀将裸露在光刻胶外的SiO2薄膜腐蚀干净并将光刻胶下方未裸露的SiO2薄膜侧向侵蚀0.5～3.0μm。然后将腐蚀后的外延片进行常规的ICP(感应耦合等离子体刻蚀机)刻蚀，随着刻蚀时间的进行，初始阶段，MESA侧壁的形貌由边缘的光刻胶形貌复制，因为光刻胶与GaN的刻蚀选择比接近1:1，MESA侧壁的角度与光刻胶的侧壁角度基本一致；当进行一段时间刻蚀后，光刻胶边缘被刻蚀掉，露出SiO2薄膜，后续进行的刻蚀过程中，MESA边缘形貌由SiO2薄膜的侧壁形貌决定，由于SiO2薄膜与GaN的刻蚀选择比接近1:5，故该阶段MESA刻蚀基本呈陡直坡度。基于两个阶段不同的刻蚀角度，最终刻蚀完成后得到具有两段斜坡的MESA外观形貌。
本发明的有益效果在于：
1、本发明制作的LED芯片具有两段斜坡的MESA结构，首先此MESA结构有效地增加了LED芯片的出光面积；其次此MESA结构增加了出光路线中的角度组合，使在GaN内部的波导或多次反射的光线增加了逃逸机会；最后因为此MESA结构靠近GaN表面的MESA侧壁角度更陡峭，更有利于发自MQW(多量子肼)的光线横向传播的一次出光。基于这些优势，两段斜坡的MESA结构提高了LED芯片的侧面出光效率，9*25mil2的GaN基LED晶片在150mA测试电流下LOP达到了267mW以上，相较于现有的LED芯片发光效率提高了1.2％以上。
2、本发明提供的方法可靠性高，方案简单，成本低，无需引入额外的设备，有利于工业推广使用。
附图说明
图1是本发明MESA结构的制作方法示意图；
图2是常规MESA结构的制作方法示意图；
图3是本发明方法制作的MESA结构的侧面SEM图片；
图4是常规方法制作的MESA结构侧面SEM图片。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1
一种提升LED芯片侧面出光效率的方法，包括步骤如下：
(1)提供LED外延片，外延片包括衬底和衬底上厚度为4.5μm的GaN层，在GaN层上通过PECVD方法生长厚度为220nm的SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上均匀地涂覆厚度为2.5μm的光刻胶，通过曝光机把光刻版上的图形转移光刻胶上，再进行显影和烘烤工序完成光刻胶掩膜图形的制作；
(3)将步骤(2)所得外延片放入缓冲氧化物刻蚀液中腐蚀100s；所述缓冲氧化物刻蚀液配比为：按体积比，49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：20，腐蚀温度为25℃；
(4)将步骤(3)所得外延片在氯气、三氯化硼、氩气组成的等离子气体中进行ICP干法刻蚀，刻蚀时间为400s形成MESA结构；
其中，所述MESA结构为两段斜坡形成的不规则结构；两段斜坡中，第一段斜坡与水平的夹角为32度，垂直高度为0.6μm；第二段斜坡与水平的夹角为58度，垂直高度为0.75μm；
(5)将步骤(4)所得外延片进行常规去胶作业，并蒸镀P/N电极和制备钝化层。
本实施例中MESA结构的制作方法示意图如图1所示，所形成的MESA结构的侧面SEM图片如图3所示。
实施例2
一种提升LED芯片侧面出光效率的方法，包括步骤如下：
(1)提供LED外延片，外延片包括衬底和衬底上厚度为4.5μm的GaN层，在GaN层上通过PECVD方法生长厚度为200nm的SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上均匀地涂覆厚度为2.2μm的光刻胶，通过曝光机把光刻版上的图形转移光刻胶上，再进行显影和烘烤工序完成光刻胶掩膜图形的制作；
(3)将步骤(2)所得外延片放入缓冲氧化物刻蚀液中腐蚀90s；所述缓冲氧化物刻蚀液配比为：按体积比，49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：20，腐蚀温度为25℃；
(4)将步骤(3)所得外延片在氯气、三氯化硼、氩气组成的等离子气体中进行ICP干法刻蚀，刻蚀时间为300s，形成MESA结构；
其中，所述MESA结构为两段斜坡形成的不规则结构；两段斜坡中，第一段斜坡与水平的夹角为34度，垂直高度为0.55μm；第二段斜坡与水平的夹角为58度，垂直高度为0.8μm；
(5)将步骤(4)所得外延片进行常规去胶作业，并蒸镀P/N电极和制备钝化层。
实施例3
一种提升LED芯片侧面出光效率的方法，包括步骤如下：
(1)提供LED外延片，外延片包括衬底和衬底上厚度为4.5μm的GaN层，在GaN层上通过PECVD方法生长厚度为250nm的SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上均匀地涂覆厚度为3μm的光刻胶，通过曝光机把光刻版上的图形转移光刻胶上，再进行显影和烘烤工序完成光刻胶掩膜图形的制作；
(3)将步骤(2)所得外延片放入缓冲氧化物刻蚀液中腐蚀120s；所述缓冲氧化物刻蚀液配比为：按体积比，49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：20，腐蚀温度为25℃；
(4)将步骤(3)所得外延片在氯气、三氯化硼、氩气组成的等离子气体中进行ICP干法刻蚀，刻蚀时间为500s形成MESA结构；
其中，所述MESA结构为两段斜坡形成的不规则结构；第一段斜坡与水平的夹角为34度，垂直高度为0.7μm；第二段斜坡与水平的夹角为58度，垂直高度为0.7μm；
(5)将步骤(4)所得外延片进行常规去胶作业，并蒸镀P/N电极以及制备钝化层。
对比例1
一种MESA结构及其制作方法，包括步骤如下：
(1)提供LED外延片，外延片包括衬底和衬底上的GaN层，在GaN层表面均匀的涂覆厚度为2.5μm的光刻胶，通过曝光机把光刻版上的图形转移光刻胶上，再进行显影和烘烤工序完成光刻胶掩膜图形的制作；
(2)将步骤(1)所得外延片放入ICP(感应耦合等离子体刻蚀机)腔体内，利用氯气、三氯化硼、氩气等气体形成的等离子体轰击刻蚀400s；
(3)对步骤(2)所得外延片进行常规去胶作业，完成MESA结构的制作。
本对比例中MESA结构的制作方法示意图如图2所示，所形成的MESA结构侧面SEM图片如图4所示。
试验例
按照实施例1以及对比例1所述方法制备MESA结构，并且分别进行后续透明导电层、P/N电极及钝化层的制作，得到25片9*25mil2的GaN基LED晶片，然后分别在150mA电流下进行亮度测试，对测试数值取平均值，具体测试结果如下表1所示。
表1
样品 LOP亮度/mW
实施例1 269.5
对比例1 266.3
由表1可知，实施例1制备的具有两段斜坡结构的LED芯片的LOP亮度为269.5mW，而对比例1制备的MESA结构的LED芯片的LOP亮度为266.3mW，说明本发明提供的方法首先有效地增加了LED芯片的出光面积；其次增加了出光路线中的角度组合，使在GaN内部的波导或多次反射的光线增加了逃逸机会；最后更有利于发自MQW的光线横向传播的一次出光，提高了LED芯片的外量子效率，实施例1相较于对比例1的LED芯片发光效率提高了1.2％以上。

Claims (10)

1.一种提升LED芯片侧面出光效率的方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)提供LED外延片，外延片包括衬底和衬底上的GaN层，在GaN层上通过PECVD方法生长SiO2薄膜；
(2)在SiO2薄膜上均匀地涂覆光刻胶，制作光刻胶掩膜图形；
(3)将步骤(2)所得外延片放入缓冲氧化物刻蚀液中腐蚀50～150s；
(4)将步骤(3)所得外延片进行ICP干法刻蚀，形成MESA结构；
其中，所述MESA结构为两段斜坡构成的不规则侧面结构；
(5)将步骤(4)所得外延片进行常规去胶作业，并制备透明导电层、蒸镀P/N电极和制备钝化层。
2.如权利要求1所述提升LED芯片侧面出光效率的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述GaN层的厚度为4～5μm，所述SiO2薄膜的厚度为200～250nm。
3.如权利要求1所述提升LED芯片侧面出光效率的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述光刻胶的厚度为2.2～3.0μm。
4.如权利要求1所述提升LED芯片侧面出光效率的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述光刻胶掩膜图形为LED芯片常规MESA几何掩膜图形。
5.如权利要求1所述提升LED芯片侧面出光效率的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述光刻胶掩膜图形按照如下方法制作：通过曝光机把光刻版上的图形转移光刻胶上，再进行显影和烘烤工序。
6.如权利要求1所述提升LED芯片侧面出光效率的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述缓冲氧化物刻蚀液配比为：按体积比，49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：20，腐蚀温度为20～30℃。
7.如权利要求1所述提升LED芯片侧面出光效率的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述腐蚀时间为90～120s，使得未被光刻胶覆盖区域的SiO2被腐蚀干净，并使光刻胶下方未裸露SiO2薄膜被侧向腐蚀0.5～3.0μm。
8.如权利要求1所述提升LED芯片侧面出光效率的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述ICP干法刻蚀在氯气、三氯化硼、氩气组成的等离子气体中进行，时间为300～500s。
9.如权利要求1所述提升LED芯片侧面出光效率的方法，其特征在于，步骤(4)中，所形成两段斜坡中，第一段斜坡与水平的夹角为30～35度，垂直高度为0.4～0.8μm；第二段斜坡与水平的夹角为55～60度，垂直高度为0.6～1.0μm。
10.一种侧面出光效率高的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片根据权利要求1-9任一项所述方法制备得到。
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