專利名稱：Led芯片及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體發(fā)光器件領域，具體而言，涉及一種大尺寸 LED (Light-Emitting Diode)芯片及其制備方法。
背景技術：
LED作為一種節(jié)能、環(huán)保、低碳的新型發(fā)光材料，與傳統(tǒng)照明相比較具有不可比擬 的優(yōu)勢。但是目前LED要在照明領域完全替代其他光源，還需要解決如光效不理想，成本 過高，降低芯片發(fā)熱量，提高LED使用壽命等諸多問題，而這些問題全部都受到LED量子效 率的制約。早期LED發(fā)展集中在提高其內部量子效率上，主要采用如下方法通過提高壘 晶的質量及改變壘晶的結構，使電能不易轉換成熱能，進而間接提高LED的發(fā)光效率，從而 可獲得70%左右的理論內部量子效率，但是這樣的內部量子效率幾乎已經(jīng)接近理論上的極 限。而芯片的光取出效率指的是組件內部產(chǎn)生的光子，在經(jīng)過組件本身的吸收、折射、 反射后，實際在組件外部可測量到的光子數(shù)目。從而可知，影響取出效率的因素還包括LED 芯片材料本身的吸收、芯片的幾何結構、芯片所使用的材料的折射率差及組件結構的光散 射特性等。為了最大限度的提高LED芯片的光取出效率，在以往的LED技術改進中，針對 以上所述幾點因素做了不同的改進。如芯片幾何結構的優(yōu)化設計有表面粗化、ITOandium Tin Oxide (In203+Sn02))粗化、倒裝芯片、垂直結構、光子晶體等等。普通的GaN (氮化鎵)基LED均采用藍寶石作為襯底材料，在其上分別生長N_GaN、 多重量子阱、P-GaN等等層疊結構，再在其表面通過蒸鍍或者氣相沉積等方式形成透明導電 層、金屬電極和鈍化層。由于GaN材料和ITO材料的折射率分別為2. 5和2. 1左右，遠遠大 于空氣的折射率。根據(jù)斯涅耳定律的關系Ii1Sin θ工=n2sin θ 2，只有小于臨界角(Critical Angle) θ。內的光才可以被完全射出，其他的光則被反射回內部或被吸收。經(jīng)計算該臨界角 只有22. 2°的圓錐角。這樣由量子阱產(chǎn)生的光仍舊有一大部分光因為全反射而最終消耗在 芯片內部，轉化成熱能。這樣既不利于光的取出，也不利于LED的散熱、而影響LED的壽命。 在LED向更大尺寸更高功率方向推進的過程中，這種不利影響將表現(xiàn)得更為突出。因此，如何破壞全反射條件，獲得更好的光取出，就需要在圖形設計方面進行優(yōu)化 改良。
發(fā)明內容
本發(fā)明旨在提供一種LED芯片及其制備方法，對于幾何尺寸較大的芯片尤為適 用。能夠解決由于全反射導致的出射光吸收在芯片內部，而影響光取出、LED芯片的散熱， 進而影響LED芯片壽命的問題。本發(fā)明提供了一種LED芯片，該芯片包括外延片，形成在該外延片上的透明電極 層和芯片電極，其中，該芯片的邊緣呈波紋狀或者鋸齒狀。進一步地，上述透明電極層表面具有波紋狀圖案。
進一步地，上述芯片邊緣的波紋狀的圓弧半徑為3-5微米，上述鋸齒狀的縱深為 2-3微米。進一步地，上述透明電極層的厚度為4200-4800A。進一步地，上述透明電極層具有1 1的蝕刻深度。另外，本發(fā)明提供了一種LED芯片的制備方法，包括以下步驟在外延片上鍍透明 電極層，并進行MESA圖形光刻；化學蝕刻；等離子體刻蝕；透明電極圖形光刻；芯片電極圖 形光刻；以及金屬蒸鍍和剝離形成電極，其中，上述MESA圖形光刻所用光刻版的邊緣制作 成波紋狀或者鋸齒狀。進一步地，將上述光刻版的切割道制作成波紋狀或等邊三角形相連的方式。進一步地，上述切割道的波紋狀呈相鄰兩個半圓形沿一個軸線交錯相連的方式， 半圓的半徑大于2微米，小于等于3微米。進一步地，上述等邊三角形的邊長為5微米。進一步地，采用ITO蝕刻液對上述透明電極圖形光刻完成后的芯片進行蝕刻，獲 得1 1的蝕刻深度。根據(jù)本發(fā)明，將MESA圖形的邊緣制作成波紋狀或者鋸齒狀，這樣極大的提高了側 邊出光的出光面積，另一方面也破壞了側邊出光的全反射條件，使光可以更好的取出。且將 該MESA圖形的切割道利用等離子體刻蝕同時制作出相連的幾何圖形幫助光導出，該幾何 圖形可以是波紋狀或者是以等邊三角形的底邊與另一等邊三角形頂角相連而形成的等邊 三角形相連的方式，其特點是符合幾何規(guī)律排布、彼此相連。這樣，在芯片制作過程中增大 了光刻膠與材質表面的接觸面積，亦即增大了其相互粘附性，可防止在進行濕法蝕刻或者 顯影等操作時出現(xiàn)圖形脫落的情況，而通過ITO蝕刻，獲得透明電極層幾何形貌，并同時進 行芯片表面粗糙化，破壞光在透明電極層臨界面的全反射條件，提高了光取出效率。從而， 克服了全反射對光取出的影響，避免導致LED散熱不良，進而影響LED芯片壽命等問題。
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發(fā) 明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中圖1為MESA圖形光刻版邊緣的圖形化設計示意圖；圖2為MESA圖形光刻版的邊緣圖形以及切割道導光柱示意圖；圖3為MESA圖形光刻版的邊緣圖形以及切割道導光柱示意圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的單顆芯粒平面圖；圖5為圖4的單顆芯粒平面圖中的方框區(qū)域透明導電層的放大圖形；圖6為根據(jù)本發(fā)明的芯片的實物照片圖形；圖7為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的芯片結構剖視圖；以及圖8為根據(jù)本發(fā)明的MESA圖形光刻版分布圖。
具體實施例方式下面將對本發(fā)明的發(fā)明目的、技術方案和有益效果作進一步詳細的說明。應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對所要求的本發(fā)明提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本發(fā)明所屬技術領域的普通技 術人員通常理解的相同含義。為達到本發(fā)明的目的以及其他目的，并提高產(chǎn)品品質，本發(fā)明提供了一種可以有 效地提高LED芯片光取出效率的途徑，通過改變芯片的幾何結構，利用現(xiàn)有技術在光電學 薄膜上形成幾何圖形，進一步優(yōu)化圖形結構，獲得更好的光取出效果。本發(fā)明提供的芯片包括外延片，形成在該外延片上的透明電極層以及芯片電極。 其中，該芯片的邊緣呈波紋狀或者鋸齒狀，波紋狀的圓弧半徑為3-5微米，所述鋸齒狀的縱 深為2-3微米。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當芯片邊緣的波紋狀圓弧半徑為3-5微米，鋸齒狀縱深為2-3 微米時，芯片不僅可以獲得精準的圖形，易于對位，還增大了出光面積，降低了全反射帶來 的出光損失。優(yōu)選的，鋸齒狀的尖角角度大于45度。如圖1所示，芯片的周圍形成波紋狀 結構。制備上述LED芯片的方法包括以下步驟在外延片上鍍透明電極層，并進行透明 電極圖形光刻；MESA(平臺)圖形光刻；以及芯片電極圖形光刻，其中，上述MESA圖形光刻 所用光刻版的邊緣制作成波紋狀或者鋸齒狀。通過這種對光刻板的設計，替代了傳統(tǒng)的直 線型邊緣。該波紋狀圓弧半徑3-5微米，而鋸齒狀縱深2-3微米為宜。優(yōu)選的，鋸齒狀的尖 角角度大于45度。經(jīng)過計算，改良后的芯片結構要比以往的芯片的邊長多出1.5到3倍。 該比例依照芯片尺寸的不同、邊緣設計的不同以及形狀的差異性而略有起伏。一方面極大 的提高了側邊出光的出光面積，另一方面也破壞了側邊出光的全反射條件。優(yōu)選地，如圖4和圖5所示，本發(fā)明所提供芯片上的透明電極層同樣形成波紋狀， 通過這種波紋狀設計，提高了芯片的光取出效率。通過TCL透明導電層光刻，形成該波紋狀 圖形，該波紋狀呈相鄰兩個半圓形沿一個軸線交錯相連的方式，半圓的半徑大于2微米，小 于等于3微米。優(yōu)選地，本發(fā)明所提供芯片的透明電極層的厚度為4200-4800A。這是為了滿足 后續(xù)工藝中對該透明導電層進行粗化時的厚度條件，而能夠獲得本發(fā)明所需的蝕刻深度。優(yōu)選地，本發(fā)明所提供芯片的透明電極層具有1 1的蝕刻深度。這樣，即得到了 透明導電層良好的粗化效果，在該蝕刻深度下，可有效地提高光取出效率。優(yōu)選地，本發(fā)明所提供芯片制備方法中的光刻版的切割道制作成波紋狀或多個等 邊三角形相連的方式，如圖2和圖3所示。將切割道制作成波紋狀，該波紋狀呈相鄰兩個半 圓形沿一個軸線交錯相連的方式，半圓的半徑大于2微米，小于等于3微米。并且，上述等邊 三角形的邊長為5微米。從而，與現(xiàn)有技術相比較，增大了光刻膠與材質表面的接觸面積， 亦即增大了其相互粘附性。另外也考慮到導光柱設計過大過于密集可能影響其導光效果， 所以經(jīng)過鐳射切割工藝后，該類型的導光柱將從對稱軸位置一分為二且分別歸屬于不同的 芯粒。這樣，既保證了在加工過程中的圖形的穩(wěn)定性，也保證了在經(jīng)過切割工藝后依然具備 導光的效果。本實施例中的三角形的設計方案，在后續(xù)的光刻作業(yè)中，會帶來額外的積極效果。 本設計可很好的解決黃光操作人員在進行光刻對位操作時難以找到晶片中的相應對位標 記點的問題。如圖8所示，光刻版整面分布有上、中、下、左、右五處對位標記點，其中最為常 用的為左右兩處標記點。接觸式光刻操作中，光刻版的位置是固定不動的，因此，顯微鏡也 會將圖像鎖定在這兩處標記點處。但是考慮到片與片之間的差異性，往往出現(xiàn)在這兩處標記點所呈現(xiàn)的圖像范圍內不能找到晶片中的對應位置。此時即需要同時調整晶片角度以及 水平方向位移。本發(fā)明借助三角形的方向特性，以左、中、右三點的連線作為分界線，其上方 三角形的銳角朝下，其下方三角形的銳角朝上。所有三角形均指向標記點位置，這樣，操作 人員即可依據(jù)切割道中三角形的指向，很快的找到晶片中對應的對位標記點。提高了生產(chǎn)效率。綜上所述，本發(fā)明所提供芯片制備方法中的光刻版的切割道圖形設計克服了現(xiàn)有 技術中的以下缺點為了獲得較好的出光效果，現(xiàn)有技術中通常在設計MESA圖形光刻版 時，在切割道位置預留直徑2-4微米的圓形柱狀圖案，再通過光刻和等離子刻蝕等技術將 該柱狀保留在GaN材料上，形成永久性的柱狀，借此來幫助芯片發(fā)射到側面的光導出。但導 光柱往往尺寸設計過小，導致圖形底面與基材表面的接觸面積過小，從而光刻膠與GaN表 面粘附性不好，往往在進行濕法蝕刻或者顯影等操作時出現(xiàn)圖形脫落。本發(fā)明的上述切割道圖形設計可達到如下效果增大了光刻膠與材質表面的接觸 面積，亦即增大了其相互粘附性。從而，保證了在加工過程中的圖形的穩(wěn)定性，也保證了在 經(jīng)過切割工藝后依然具備導光的效果。根據(jù)本發(fā)明的上述芯片邊緣的波紋狀或鋸齒狀以及切割道圖形可通過以下途徑 得到。步驟1-1 如圖7所示，在藍寶石襯底1上依次生長低溫GaN緩沖層2、不摻雜GaN 層3、N型GaN層4、多重量子阱5和P型GaN層6 ；步驟1-2 在上述步驟1. 1的基礎上通過高速旋轉方式獲得光刻膠薄膜，薄膜厚度 選擇應當考慮到其與GaN材料的ICPdnductiveCoupling Plasma)刻蝕選擇比，而作為后 續(xù)ICP刻蝕的阻擋材料，光刻膠應能保證外延片的被保護區(qū)域不受等離子體刻蝕氣體的損 傷；步驟1-3 進行光刻，形成產(chǎn)品輪廓；步驟1-4 將存在該表面形態(tài)的外延片進行ICP刻蝕，刻蝕氣體優(yōu)先選用Cl2、Ar、 BCl3作為反應氣體，刻蝕深度依據(jù)外延片材質而異，刻蝕至適當?shù)纳疃龋灰约安襟E1-5 采用Κ0Η、去膠液或者等離子體去膠機對表面進行去膠處理，并用超純 水(電阻率大于18ΜΩ女cm)清洗干凈。另外，為了破壞光在ITO層臨界面的全反射條件，結合運用上述在切割道上的導 光柱的設計效果，提出了本發(fā)明的透明導電層的圖形化設計方案。該圖形化設計方案實施 后可獲得比較粗糙的ITO層表面和穩(wěn)定可靠的導光柱結構。根據(jù)本發(fā)明的上述透明導電層的圖形化設計所涉及的技術方案可通過以下途徑 實現(xiàn)步驟2-1 在步驟1-1的基礎上，經(jīng)過步驟1-2至1_5的工藝之后，所獲得的具備 P/N臺面的干凈外延片上蒸鍍ITO透明電極層7 (參見圖7)，厚度為4200-4800A, ITO層 的厚度依據(jù)該材質外延片所體現(xiàn)的本征波長的半波長的(2n+l)倍為基準，蒸鍍后透明電 極層的穿透率應不低于85%，方塊電阻應小于10 Ω / □；步驟2-2 :TCL透明電極層光刻、濕法蝕刻去除切割道以及多余部分的ITO材料，形 成發(fā)光區(qū)?；瘜W蝕刻液的選擇應考慮到膜厚的因素，優(yōu)先選用具有強酸性特性的蝕刻液，由 此可獲得良好的蝕刻效果；
步驟2-3 同樣采用2-2所述的光刻工藝條件，進行IT0圖形化光刻，將在光刻版 上設計好的圖形轉移到光刻膠上，而得到透明電極層表面的波紋狀圖形，該波紋狀呈相鄰 兩個半圓形沿一個軸線交錯相連的方式，半圓的半徑大于2微米，小于等于3微米；步驟2-4 采用IT0蝕刻液對光刻完成后的芯片進行蝕刻，需嚴格控制蝕刻速率， 最終獲得1 1的蝕刻深度。在IT0蝕刻液的選擇上應選取酸性較弱的蝕刻速率較緩和的 蝕刻液。本發(fā)明采用的是蘇州晶瑞產(chǎn)IT0蝕刻液，在20°C下lOmin可獲得良好的蝕刻效果， 但是本發(fā)明所涉及的蝕刻液選擇不應局限在此類蝕刻液范圍內。同樣，可獲得與本發(fā)明所 述蝕刻效果的化學蝕刻液，也均包含在本發(fā)明的范圍內；以及步驟2-5 采用去膠液去除光刻膠并清洗。根據(jù)本發(fā)明的圖形設計，對于從事本行業(yè)的專業(yè)技術人員來說，結合
，其 積極效果將顯而易見。本發(fā)明的一個實施例中，將芯片邊緣的波紋狀、切割道圖形以及透明電極層表面 粗化實施在同一芯片制備工藝中，制得了一種光取出效率較高的芯片，得到的最終產(chǎn)品如 圖6所示。該芯片采用藍寶石襯底來正裝LED，，制備工藝包括以下步驟(1)生長外延片；(2)蒸鍍IT0透明電極層；(3)通過光刻和化學蝕刻的方式形成MESA圖形光刻版和切割道；(4)通過ICP等離子刻蝕方式將圖形轉移至GaN上，并且此時形成臺面，部分N區(qū) 裸露；(5)在透明電極層上進行光刻和化學蝕刻；(6)通過光刻和蒸發(fā)的方式形成P型電極8和N型電極9(參見圖7)；以及(7)最終經(jīng)過剝離、合金、清洗等工藝形成產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明的MESA圖形光刻板的邊緣設計，可有效的增大側邊的出光面積，使量 子阱區(qū)域發(fā)射出來的光有更多的途徑射出，并且可以使經(jīng)由側邊出來的光更多的折射出去 而不致全反射而消耗掉。根據(jù)本發(fā)明的ITO層粗化技術方案，經(jīng)由實驗論證的利用ITO蝕刻液處理ITO表 面，控制蝕刻速率和蝕刻條件，可以獲得一定的ITO粗化效果，有利于光的取出，但是化學 蝕刻的穩(wěn)定性差，受環(huán)境及人為操作的影響大，所以這種方法在生產(chǎn)上具有很大的局限性。 本發(fā)明中所提出的第二次ITO蝕刻提倡采用低速率的蝕刻液，蝕刻后被蝕刻層面上仍舊有 2300A左右的ITO層存在，該ITO層由于濕法蝕刻的作用得到了很好的粗化效果。此外， 被保留部分的ITO層做為柱狀突起承擔著導光柱的作用。根據(jù)生產(chǎn)統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，在相同驅動電流下，采用該設計方案制作出來的芯片，其光 輸出增加了 7%到10%，并且其提升比例隨著尺寸的增大而表現(xiàn)得尤為明顯。從以上所披露的發(fā)明宗旨可以看出，本發(fā)明的實施要點也可部分或者全部適用于 其他結構和其他形式的LED芯片中，例如倒裝結構、垂直結構以及其他材質的襯底材料所 生長出來的外延片后續(xù)芯片加工領域。從以上的描述中，可以看出，本發(fā)明上述的實施例實現(xiàn)了如下技術效果將MESA 圖形光刻版的邊緣制作成波紋狀或者鋸齒狀，這樣極大地提高了側邊出光的出光面積，另 一方面也破壞了側邊出光的全反射條件，且將所述MESA圖形光刻版的切割道制作成等邊三角形相連的方式，從而增大了光刻膠與材質表面的接觸面積，亦即增大了其相互粘附性， 這樣防止了在進行濕法蝕刻或者顯影等操作時出現(xiàn)的圖形脫落，而通過進行IT0表面粗糙 化，破壞光在IT0層臨界面的全反射條件，提高了光取出量。從而，克服了全反射影響光取 出，而導致的LED散熱不良，進而影響LED芯片壽命等問題。 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技 術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
一種LED芯片，包括外延片、形成在所述外延片上的透明電極層和芯片電極，其特征在于，所述芯片的邊緣呈波紋狀或者鋸齒狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的芯片，其特征在于，所述透明電極層表面具有波紋狀圖案。
3.根據(jù)權利要求1所述的芯片，其特征在于，所述波紋狀的圓弧半徑為3-5微米，所述 鋸齒狀的縱深為2-3微米。
4.根據(jù)權利要求2所述的芯片，其特征在于，所述透明電極層的厚度為 4200-4800A。
5.根據(jù)權利要求2所述的芯片，其特征在于，所述透明電極層具有1 1的蝕刻深度。
6.一種制備權利要求1-5中任一項所述芯片的方法，包括以下步驟在外延片上鍍透明電極層，并進行MESA圖形光刻；化學蝕刻；等離子體刻蝕；透明電極圖形光刻；芯片電極圖形光刻；以及金屬蒸鍍和剝離形成電極，其特征在于，所述MESA圖形光刻所用光刻版的邊緣制作成 波紋狀或者鋸齒狀。
7.根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，將所述光刻版的切割道制作成波紋狀或 多個等邊三角形相連的方式。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述切割道的波紋狀呈相鄰兩個半圓形 沿一個軸線交錯相連的方式，半圓的半徑大于2微米，小于等于3微米。
9.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，所述等邊三角形的邊長為5微米。
10.根據(jù)權利要求6-9中任一項所述的方法，其特征在于，采用ITO蝕刻液對所述透明 電極圖形光刻完成后的芯片進行蝕刻，獲得1 1的蝕刻深度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種LED芯片及其制備方法，該芯片的邊緣呈波紋狀或者鋸齒狀。本發(fā)明提供的制備該芯片的方法包括以下步驟在外延片上鍍透明電極層，并進行MESA圖形光刻；化學蝕刻；等離子體刻蝕；透明電極圖形光刻；芯片電極圖形光刻；以及金屬蒸鍍和剝離形成電極，其中，上述MESA圖形光刻所用光刻版的邊緣制作成波紋狀或者鋸齒狀。根據(jù)本發(fā)明提供的LED芯片具有良好的光取出效率，克服了全反射對光取出效率的影響。
文檔編號H01L33/22GK101944564SQ20101027149
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月3日 優(yōu)先權日2010年9月3日
發(fā)明者姚禹, 戚運東, 羅正加, 許亞兵 申請人:湘能華磊光電股份有限公司