專利名稱：一種氮化鎵基發(fā)光二極管芯片及其制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于氮化鎵基發(fā)光二極管技術(shù)領域，特別涉及一種氮化鎵基發(fā)光二 極管芯片及其制作方法。
背景技術(shù)：
半導體發(fā)光二極管應用曰益廣泛，特別是在照明方面有取代白熾燈和熒光 燈的趨勢，但是目前還面臨一些技術(shù)上的問題，特別是光取出效率比較低，通
常影響光取出效率主要有三個方面的原因 一種是由于材料對光的吸收，另一 種是光在穿過不同介質(zhì)時產(chǎn)生全反射，還有一種是光的菲涅爾效應損失。
目前常規(guī)制作發(fā)光二極管芯片的技術(shù)為，在襯底1上依次外延生長得到發(fā) 光二極管的結(jié)構(gòu)，N型GaN層2，有源層3， P型GaN層4，通過蝕刻的方法 得到芯片的切割道和N型GaN的表面5和側(cè)壁6，然后制作透明導電層7，并 形成P型歐姆電極8、 N型歐姆電極9，最后用劃片或切割的方法分割成單個晶 粒，也即得到單個的芯片。如圖1所示，為常規(guī)工藝制作成的發(fā)光二極管芯片 的光路圖，由于N型GaN折射系數(shù)較大，其臨界角只有23。左右，因此只有 一部分的側(cè)向光可以直接射出，大部分的側(cè)向光在芯片內(nèi)部形成全反射而損失 掉，從而導致芯片的外部發(fā)光效率比較低。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的氣化鎵基發(fā)光二極管芯片外部發(fā)光 效率低的問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種氮化鎵基發(fā)光二極管芯片及其 制作方法，通過降低發(fā)光二極管芯片內(nèi)部的全反射，增加側(cè)向光的取出，從而 提升發(fā)光二極管芯片的外部發(fā)光效率。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一,氮化鎵基發(fā)光二極管芯片，包括露在外面的N型氮化鎵的表面和側(cè)壁， 其中，該N型氮化鎵的表面為納米柱狀結(jié)構(gòu)，N型氮化鎵的側(cè)壁為粗化的側(cè)壁。
制作上述氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的方法，包括下述步驟
(1 )在氮化鎵基發(fā)光二極管外延片的表面先生成保護掩膜，再涂上光刻膠， 接著在光刻膠表面光刻并顯影，規(guī)劃出晶粒區(qū)域的圖形以及切割道區(qū)域的圖形，
(2) 去除切割道區(qū)域的保護掩膜，并去除未顯影的光刻膠，
(3) 在壓力大于等于5亳托且小于等于10亳托的條件下，對切割道區(qū)域 進行干蝕刻，露出N型氮化鎵并形成側(cè)壁，且N型氮化鎵的表面與襯底表面的 距離大于等于lpm且小于等于1.5|am,
(4) 對側(cè)壁和N型氮化鎵表面在堿性溶液中進行時間大于等于30min且 小于等于70min的濕蝕刻，形成粗化的N型氮化鎵側(cè)壁和粗化的N型氮化鎵表 面，
(5) 在壓力大于等于5亳托且小于等于30亳托的條件下，對N型氮化鎵 表面進行干蝕刻，利用外延生長時N型氮化鎵與襯底磊晶過程中形成的晶格缺 陷，使N型氮化鎵的表面形成納米柱狀結(jié)構(gòu)，
(6) 去除晶粒區(qū)域表面的保護掩膜，接著從P型氮化鎵表面往下干蝕刻露 出N型氮化鎵層，再在P型氮化鎵表面形成透明導電膜，進一步制備P型歐姆 電極，最后在該沒有經(jīng)過粗化處理的N型氮化鎵的表面制備N型歐姆電極，形 成氮化鎵基發(fā)光二極管芯片。
其中
步驟(4)中濕蝕刻的時間大于等于50min且小于等于70min; 步驟(5)中干蝕刻的深度大于等于0.1pm且小于等于l.Opm; 步驟(5)中的壓力大于等于15毫托且小于等于30亳托； 所述步驟(4)中N型氮化鎵粗化側(cè)壁的均方根粗糙度大于等于2.7nm且 小于等于8.2nm;
步驟(4)中N型氮化鎵粗化表面的均方根粗糙度大于等于3.6nm且小于 等于13.2nm;，(5)中干蝕刻的寬度大于等于tOpm且小于等于30pm。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明先釆用干蝕刻技術(shù)蝕刻切割道，再用堿性溶液浸 泡此外延片，利用濕蝕刻的非等向性蝕刻特性達到粗化側(cè)壁及N型GaN表面 的目的，同時降低發(fā)光二極管芯片內(nèi)部的全反射，且增加側(cè)向光的取出。另外， 通常外延片在外延生長過程中，由于襯底材料和GaN的特性不匹配，在磊晶過 程中容易形成一些晶格缺陷，而且越接近襯底晶格缺陷越多。第一次干蝕刻切 割道后，N型GaN層已接近襯底材料，再次干蝕刻后，可使這些晶格缺陷顯現(xiàn) 出來，從而形成具有納米柱狀結(jié)構(gòu)的粗化表面，此粗化表面進一步降低發(fā)光二 極管芯片內(nèi)部的全反射。本發(fā)明通過干蝕刻與濕蝕刻相結(jié)合的方法，增加了光 取出效率，最終提升了發(fā)光二極管芯片的外部發(fā)光效率。
圖1為常規(guī)工藝制作成的發(fā)光二極管芯片的光路圖； 圖2為發(fā)光二極管外延片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明的發(fā)光二極管芯片的制作流程圖； 圖4為本發(fā)明外延片完成光刻和第一次濕蝕刻后的俯視圖； 圖5為本發(fā)明外延片的單個晶粒完成第一次干蝕刻后的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6為本發(fā)明外延片的單個晶粒完成第二次濕蝕刻后的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明外延片的單個晶粒完成第二次干蝕刻后的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為放大倍數(shù)為80000倍的N型GaN局部納米柱狀結(jié)構(gòu)的掃描電子顯 微鏡照片；
圖9為本發(fā)明氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖IO為本發(fā)明氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例1
提供一GaN基發(fā)光二極管外延片，如圖2所示，外延片的結(jié)構(gòu)包括藍寶石
6襯底11、 N型GaN層12、有源層13、 P型GaN層14。襯底的林料除了藍寶石 以外，也可以是碳化硅、硫化鋅或砷化鎵。
請參照圖3,本發(fā)明所述的氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的制作方法，包括下 述步驟
(1) 在外延片的表面先生成保護掩膜15，再涂上光刻膠，接著利用光刻 掩膜版在光刻膠表面光刻并顯影，規(guī)劃出晶粒區(qū)域的圖形以及切割道區(qū)域16 的圖形，
(2) 對切割道區(qū)域16進行濕蝕刻，蝕刻去除切割道區(qū)域16的保護掩膜 15，最后去除未顯影的光刻膠，露出晶粒區(qū)域表面的保護掩膜15,如圖4所示，
(3) 在5亳托的壓力環(huán)境下，利用等離子刻蝕機臺主要以化學蝕刻的方式 對切割道區(qū)域16進行干蝕刻，露出N型GaN層12并形成側(cè)壁，且干蝕刻后 的N型GaN表面18與藍寶石襯底11的表面的距離為1.5pm,蝕刻的寬度為 10pm，如圖5所示，該蝕刻的寬度與設計的晶粒尺寸大小有關(guān)，
(4 )在堿性溶液中對側(cè)壁和N型GaN表面18進行濕蝕刻50min,堿性溶 液與N型GaN的反應對N型GaN的側(cè)壁和表面能產(chǎn)生一定的粗化效果，濕法 蝕刻的等向性蝕刻特性對側(cè)壁和N型GaN表面18產(chǎn)生粗化效果，形成粗化的 N型GaN側(cè)壁17和粗化的N型GaN表面18 (如圖6所示)，N型GaN側(cè)壁 17的均方根粗糙度為2.7nm, N型GaN表面18的均方根粗糙度為3.6nm，此 粗化的N型GaN側(cè)壁17和表面18通過降低氮化鎵基發(fā)光二極管芯片內(nèi)部的 全反射而可以給光線提供更多的出射機會，
(5)在5亳托的壓力環(huán)境下，利用等離子刻蝕機臺主要以物理撞擊的方式 對完成粗化效應的N型GaN表面18進行干蝕刻，蝕刻的深度為lpm，干蝕刻 的深度與外延片的磊晶結(jié)構(gòu)有關(guān)，利用N型GaN12與藍寶石襯底11磊晶過程 中形成的晶格缺陷，從而使N型GaN的表面18形成納米柱狀結(jié)構(gòu)(如圖7所 示)，進一步加大了表面18的粗化效果。圖8是通過掃描電子顯微鏡(SEM) 觀察到的放大倍數(shù)為80000倍的納米柱狀結(jié)構(gòu)的照片，該納米柱狀結(jié)構(gòu)具有錐 柱高，密度大的粗化表面，進一步降低了氮化鎵基發(fā)光二極管芯片內(nèi)部的全反射，
(6)去除晶粒區(qū)域表面的保護掩膜，接著從P型GaN14表面往下干蝕刻 一適當深度的臺階露出N型GaN層12，再在P型GaN14表面形成透明導電膜 19，進一步制備P型歐姆電極20,最后在該沒有經(jīng)過粗化處理的N型GaN12 的表面制備N型歐姆電極21,形成高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管芯片。 實施例2
本發(fā)明所述的氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的制作方法，包括下述步驟
(1) 在外延片的表面先生成保護掩膜15,再涂上光刻膠，接著利用光刻 掩膜版在光刻膠表面光刻并顯影，規(guī)劃出晶粒區(qū)域的圖形以及切割道區(qū)域16 的圖形，
(2) 對切割道區(qū)域16進行濕蝕刻，蝕刻去除切割道區(qū)域16的保護掩膜 15，最后去除未顯影的光刻膠，露出晶粒區(qū)域表面的保護掩膜15,
(3) 在IO毫托的壓力環(huán)境下，利用等離子刻蝕機臺主要以化學蝕刻的方 式對切割道區(qū)域16進行干蝕刻，露出N型GaN層12并形成側(cè)壁，且干蝕刻 后的N型GaN表面18與藍寶石襯底11表面的距離為lnm，蝕刻的寬度為30pm， 該蝕刻的寬度與設計的晶粒尺寸大小有關(guān)，
(4) 在堿性溶液中對側(cè)壁和N型GaN表面18進行濕蝕刻70min，堿性溶 液與N型GaN12的反應對N型GaN12的側(cè)壁和表面能產(chǎn)生一定的粗化效果， 濕法蝕刻的等向性蝕刻特性對側(cè)壁和N型GaN表面18產(chǎn)生粗化效果，形成粗 化的N型GaN側(cè)壁17和粗化的N型GaN表面18， N型GaN側(cè)壁17的均方 根粗糙度為8.2nm， N型GaN表面18的均方根粗糙度為13.2nm,
(5) 在15毫托的壓力環(huán)境下，利用等離子刻蝕機臺主要以物理撞擊的方 式對完成粗化效應的N型GaN表面18進行干蝕刻，蝕刻的深度為0.8|mi，利 用N型GaN12與藍寶石襯底11磊晶過程中形成的晶格缺陷，從而使N型GaN 的表面18形成納米柱狀結(jié)構(gòu)，
(6) 去除晶粒區(qū)域表面的保護掩膜，接著從P型GaN14表面往下干蝕刻 一適當深度的臺階露出N型GaN層12，再在P型GaN14表面形成透明導電膜19，進一步制備P型歐姆電極20，最后在該沒有經(jīng)過粗化處理的N型GaN12 的表面制備N型歐姆電極21，形成高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管芯片。 實施例3
本發(fā)明所述的氣化鎵基發(fā)光二極管芯片的制作方法，包括下述步驟
(1) 在外延片的表面先生成保護掩膜15，再涂上光刻膠，接著利用光刻 掩膜版在光刻膠表面光刻并顯影，規(guī)劃出晶粒區(qū)域的圖形以及切割道區(qū)域16 的圖形，
(2) 對切割道區(qū)域16進行濕蝕刻，蝕刻去除切割道區(qū)域16的保護掩膜 15,最后去除未顯影的光刻膠，露出晶粒區(qū)域表面的保護掩膜15,
(3) 在7亳托的壓力環(huán)境下，利用等離子刻蝕機臺主要以化學蝕刻的方式 對切割道區(qū)域16進行干蝕刻，露出N型GaN層12并形成側(cè)壁，且干蝕刻后 的N型GaN表面18與藍寶石襯底ll表面的距離為1.2(mi,蝕刻的寬度為20(^m, 該蝕刻的寬度與設計的晶粒尺寸大小有關(guān)，
(4 )在堿性溶液中對側(cè)壁和N型GaN表面18進行濕蝕刻60min，堿性溶 液與N型GaN12的反應對N型GaN12的側(cè)壁和表面能產(chǎn)生一定的粗化效果， 濕法蝕刻的等向性蝕刻特性對側(cè)壁和N型GaN表面18產(chǎn)生粗化效果，形成粗 化的N型GaN側(cè)壁17和粗化的N型GaN表面18, N型GaN側(cè)壁17的均方 根粗糙度為4.8nm， N型GaN表面18的均方根粗糙度為9.6nm,
(5) 在30亳托的壓力環(huán)境下，利用等離子刻蝕機臺主要以物理撞擊的方 式對完成粗化效應的N型GaN表面18進行干蝕刻，蝕刻的深度為O.lpm，利 用N型GaN12與藍寶石襯底11磊晶過程中形成的晶格缺陷，從而使N型GaN 的表面18形成納米柱狀結(jié)構(gòu)，
(6) 去除晶粒區(qū)域表面的保護掩膜，接著從P型GaN14表面往下干蝕刻 一適當深度的臺階露出N型GaN層12,再在P型GaN14表面形成透明導電膜 19,進一步制備P型歐姆電極20，最后在該沒有經(jīng)過粗化處理的N型GaN12 的表面制備N型歐姆電極21，形成高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管芯片。
實施例4本發(fā)明所述的氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的制作方法，包括下述步驟
(1) 在外延片的表面先生成保護掩膜15，再涂上光刻膠，接著利用光刻
掩膜版在光刻膠表面光刻并顯影，規(guī)劃出晶粒區(qū)域的圖形以及切割道區(qū)域16
的圖形，
(2) 對切割道區(qū)域16進行濕蝕刻，蝕刻去除切割道區(qū)域16的保護掩膜 15,最后去除未顯影的光刻膠，露出晶粒區(qū)域表面的保護掩膜15,
(3) 在9亳托的壓力環(huán)境下，利用等離子刻蝕機臺主要以化學蝕刻的方式 對切割道區(qū)域16進行干蝕刻，露出N型GaN層12并形成側(cè)壁，且干蝕刻后 的N型GaN表面18與藍寶石襯底ll表面的距離為1.4pm,蝕刻的寬度為30|im， 該蝕刻的寬度與設計的晶粒尺寸大小有關(guān)，
(4) 在堿性溶液中對側(cè)壁和N型GaN表面18進行濕蝕刻65min，堿性溶 液與N型GaN12的反應對N型GaN12的側(cè)壁和表面能產(chǎn)生一定的粗化效果， 濕法蝕刻的等向性蝕刻特性對側(cè)壁和N型GaN表面18產(chǎn)生粗化效果，形成粗 化的N型GaN側(cè)壁17和粗化的N型GaN表面18, N型GaN側(cè)壁17的均方 根粗糙度為5.7nm， N型GaN表面18的均方根粗糙度為10.8nm,
(5) 在20毫托的壓力環(huán)境下，利用等離子刻蝕機臺主要以物理撞擊的方 式對完成粗化效應的N型GaN表面18進行干蝕刻，蝕刻的深度為0.7pm,利 用N型GaN12與藍寶石襯底11暴晶過程中形成的晶格缺陷，從而使N型GaN 的表面18形成納米柱狀結(jié)構(gòu)，
(6) 去除晶粒區(qū)域表面的保護掩膜，接著從P型GaN14表面往下干蝕刻 一適當深度的臺階露出N型GaN層12，再在P型GaN14表面形成透明導電膜 19，進一步制備P型歐姆電極20，最后在該沒有經(jīng)過粗化處理的N型GaN12 的表面制備N型歐姆電極21,形成高亮度氮化鎵基發(fā)光二極管芯片。
在濕蝕刻步驟中，可以采用其他輔助措施，利用增加分子運動，從而提高 反應速率的原理，而縮短濕蝕刻的時間，可達到相同的粗化側(cè)壁和表面的效果。 例如 實施例5其他條件不變，將實施例2中步驟(4)的濕蝕刻的時間改為30min，同時 以8(TC的溫度加熱該堿性溶液，通過加熱來增加分子的運動，從而提高N型 GaN與堿性溶液的反應速率，縮短濕蝕刻的時間，而達到相同的粗化效果。
實施例6
其他條件不變，將實施例4中步驟(4)的濕蝕刻的時間改為40min,同時 以頻率為28KHz/s的超聲波振蕩該堿性溶液，通過超聲波振蕩來增加分子的運 動，從而提高N型GaN與堿性溶液的反應速率，縮短濕蝕刻的時間，而達到 相同的粗化效果。
在本發(fā)明的實施例中，干蝕刻都是釆用等離子刻蝕機臺在低壓(50毫托以 下)下操作，但也可以采用其他設備在高壓(400毫托左右)下操作。
如圖9所示，為本發(fā)明氣化鎵基發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的 氮化鎵基發(fā)光二極管芯片，包括露在外面的N型GaN的表面18和側(cè)壁17,該 N型GaN的表面18為納米柱狀結(jié)構(gòu)，N型GaN的側(cè)壁17為粗化的側(cè)壁。
如圖10所示，為本發(fā)明的氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的光路圖，本發(fā)明的N 型GaN的粗化側(cè)壁17以及N型GaN表面18的納米柱狀結(jié)構(gòu)可以使光更多地 進入臨界角內(nèi)而給光提供更多的出射機會，從而提高發(fā)光二極管芯片的外部發(fā) 光效率。
表1是釆用本發(fā)明實施例1至實施例6的芯片被封裝成綠光發(fā)光二極管后， 注入電流為350mA時的光通量，芯片的尺寸均為1000|imx 1000|am,即40mil x 40mil。
實施例123456光通量的平均值
光通量(流明)32.334.432.733.533.933.133.32
表1
通過表l中數(shù)據(jù)的比較，可以發(fā)現(xiàn)，釆用本發(fā)明制作得到的發(fā)光二極管的
光通量的平均值為33.32流明，而相同條件下釆用常規(guī)工藝制作得到的發(fā)光二 極管的光通量的平均值僅為25.94流明左右，因此，相比較之下，本發(fā)明制作的發(fā)光二極管的光通量提升了約28.45%。
以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種氮化鎵基發(fā)光二極管芯片，包括露在外面的N型氮化鎵的表面和側(cè)壁，其特征在于，所述N型氮化鎵的表面為納米柱狀結(jié)構(gòu)，N型氮化鎵的側(cè)壁為粗化的側(cè)壁。
2、 一種制作權(quán)利要求l的氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的方法，其特征在于， 該方法包括下述步驟(1 )在氮化鎵基發(fā)光二極管外延片的表面先生成保護掩膜，再涂上光刻膠， 接著在光刻膠表面光刻并顯影，規(guī)劃出晶粒區(qū)域的圖形以及切割道區(qū)域的圖形，(2) 去除切割道區(qū)域的保護掩膜，并去除未顯影的光刻膠，(3) 在壓力大于等于5毫托且小于等于10亳托的條件下，對切割道區(qū)域 進行干蝕刻，露出N型氮化鎵并形成側(cè)壁，且N型氮化鎵的表面與襯底表面的 距離大于等于l(im且小于等于1.5pm，(4) 對側(cè)壁和N型氣化鎵表面在堿性溶液中進行時間大于等于30min且 小于等于70min的濕蝕刻，形成粗化的N型氮化鎵側(cè)壁和粗化的N型氮化鎵表 面，(5) 在壓力大于等于5亳托且小于等于30亳托的條件下，對N型氮化鎵 表面進行干蝕刻，利用外延生長時N型氮化鎵與襯底暴晶過程中形成的晶格缺 陷，使N型氮化鎵的表面形成納米柱狀結(jié)構(gòu)，(6) 去除晶粒區(qū)域表面的保護掩膜，接著從P型氮化鎵表面往下干蝕刻露 出N型氮化鎵層，再在P型氮化鎵表面形成透明導電膜，進一步制備P型歐姆 電極，最后在該沒有經(jīng)過粗化處理的N型氮化鎵的表面制備N型歐姆電極，形 成氮化鎵基發(fā)光二極管芯片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制作氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的方法，其特征在 于，所述步驟(4)中濕蝕刻的時間大于等于50min且小于等于70min。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的方法，其特征在 于，所述步驟(5)中干蝕刻的深度大于等于0.1pm且小于等于l.Opm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作氣化鎵基發(fā)光二極管芯片的方法，其特征在于，所述步驟(5)中的壓力大于等于15亳托且小于等于30亳托。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作氣化鎵基發(fā)光二極管芯片的方法，其特征在 于，所述步驟(4)中N型氮化鎵粗化側(cè)壁的均方根粗糙度大于等于2.7nm且 小于等于8.2nm。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制作氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的方法，其特征在 于，所述步驟(4)中N型氮化鎵粗化表面的均方根粗糙度大于等于3.6nm且 小于等于13.2nm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2、 3、 4、 5、 6或7所述的制作氮化鎵基發(fā)光二極管芯片 的方法，其特征在于，所述步驟(3)中干蝕刻的寬度大于等于10pm且小于等 于30,。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氮化鎵基發(fā)光二極管芯片及其制作方法，制作方法包括下述步驟在外延片表面規(guī)劃出晶粒區(qū)域以及切割道區(qū)域；去除切割道區(qū)域的保護掩膜，再去除未顯影的光刻膠；對切割道區(qū)域進行干蝕刻，露出N型氮化鎵并形成側(cè)壁，N型氮化鎵的表面與外延片的襯底的表面的距離為1～1.5μm；對側(cè)壁和N型氮化鎵表面在堿性溶液中進行濕蝕刻，形成粗化的N型氮化鎵側(cè)壁和粗化的N型氮化鎵表面；對N型氮化鎵表面進行干蝕刻，利用外延磊晶過程中形成的晶格缺陷，使N型氮化鎵表面形成納米柱狀結(jié)構(gòu)，最后制作成芯片，此種芯片能提升氮化鎵基發(fā)光二極管芯片的外部發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/00GK101436630SQ20071017727
公開日2009年5月20日 申請日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者王孟源, 陸前軍, 陳國聰 申請人:普光科技(廣州)有限公司