CN102376836A - Led芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种LED芯片及其制造方法，所述LED芯片包括第一导电类型半导体层、有源层、第二导电类型半导体层；所述LED芯片在刻蚀后，LED芯片的侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；所述LED芯片的上述区域呈正台形。本发明提出的LED芯片及其制造方法，LED芯片刻蚀后的所有侧壁与垂直线典型夹角成30deg到60deg，芯片的这种侧壁结构增加了侧向光源的出光面积，同时给光子提供更多的出射几率，出射角度在临界角以外的光也可通过芯片侧面的多次折射，最后进入临界角内，使芯片获得更多的出光。

Description

LED芯片及其制造方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种半导体芯片，尤其涉及一种LED芯片；同时，本发明进一步涉及一种LED芯片的制造方法。
背景技术
外量子效率是高亮度LED芯片的主要技术瓶颈，其大小等于内量子效率与光的出射率之积。当前，商业化LED的内量子效率已经接近100％，但是外量子效率小于30％。这主要是由于光的出射率低造成的。引起光的出射率低的主要因素有：晶格缺陷对光的吸收，衬底对光的吸收，光在出射过程中，在各个界面由于全反射造成的损失。
目前，常用的LED芯片在刻蚀后所有的侧壁与垂直线的典型夹角小于10deg(即10°)，由于GaN和空气的折射率分别是2.5和1，在InGaN-GaN活性区产生的光能够传播出去的临界角约为23deg，因此LED发射的大部分光在界面被反射回来，形成波导光被困在器件内部，经过多次反射最终被半导体吸收，这大大限制了GaN基发光二极管的外量子效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种LED芯片，可提高LED芯片外量子效率。
此外，本发明进一步提供一种LED芯片的制造方法，可提高LED芯片外量子效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种LED芯片，所述LED芯片在刻蚀后，LED芯片的侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；所述LED芯片的上述区域呈正台形。
作为本发明的一种优选方案，所述LED芯片包括第一导电类型半导体层、有源层、第二导电类型半导体层；有源层的侧壁，以及第一导电类型半导体层或/和第二导电类型半导体层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
作为本发明的一种优选方案，所述LED芯片包括蓝宝石层、缓冲层、N-GaN层、MQW层、P-GaN层；所述MQW层、P-GaN层的侧壁，以及N-GaN层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
作为本发明的一种优选方案，所述LED芯片自下而上依次包括蓝宝石层、缓冲层、N-GaN层、MQW层、P-AlGaN层、P-GaN层；所述MQW层、P-AlGaN层、P-GaN层的侧壁，以及N-GaN层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
一种LED芯片，所述LED芯片在刻蚀后，LED芯片侧壁的部分或全部与芯片的中轴线的夹角为30°-60°；所述LED芯片的上述区域呈正台形。
作为本发明的一种优选方案，所述LED芯片包括第一导电类型半导体层、有源层、第二导电类型半导体层；
有源层的侧壁，以及第一导电类型半导体层或/和第二导电类型半导体层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
一种LED芯片的制造方法，所述方法包括：
在衬底上生长LED结构外延片；
所述外延片高温退火；
用清洗液将所述外延片表面清洗干净；
在外延片上光刻出特定尺寸的图形；
刻蚀外延片，并使刻蚀后的芯片周围的侧壁与垂直线典型夹角为30°-60°，呈正台形。
作为本发明的一种优选方案，所述方法具体包括：
步骤1、在图形化蓝宝石衬底上生长GaN基LED结构外延片；
步骤2、GaN外延片在氮气和氧气气氛中高温退火；
步骤3、用王水和H2SO4、H2O2溶液将GaN外延片表面清洗干净；
步骤4、在外延片上光刻出特定尺寸的图形；
步骤5、用ICP刻蚀机将外延片刻蚀到n-GaN层，并使刻蚀后的芯片周围所有侧壁与垂直线典型夹角为30°-60°，呈正台形。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤4中光刻的条件为：光刻胶是AZ1500，粘度为38cp，涂胶厚度为1000nm-3000nm，采用ABM接触式光刻机曝光，使用接近式曝光方式，晶片wafer上表面距离遮罩层mask下表面在5um到10um之间；所述步骤5中ICP刻蚀的条件为：ICP功率为1000W-2000W，RF功率为100W-300W，腔体压力为3-5mTorr，刻蚀气体流量比Cl2∶BCl3＝2-4∶1。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤4中光刻的条件为：光刻胶是AZ1500，粘度为38cp，涂胶厚度为2000nm，采用ABM接触式光刻机曝光，使用接近式曝光方式，晶片wafer上表面距离遮罩层mask下表面在5um到10um之间；所述步骤5中ICP刻蚀的条件为：ICP功率为1000W，RF功率为100W-300W，腔体压力为3-5mTorr，刻蚀气体流量比Cl2∶BCl3＝2-4∶1。
本发明的有益效果在于：本发明提出的LED芯片及其制造方法，LED芯片刻蚀后的所有侧壁与垂直线典型夹角成30deg到60deg，芯片的这种侧壁结构增加了侧向光源的出光面积，同时给光子提供更多的出射几率，出射角度在临界角以外的光也可通过芯片侧面的多次折射，最后进入临界角内，使芯片获得更多的出光。
本发明采用了与常规光刻和ICP刻蚀不同的工艺条件，使得LED芯片刻蚀后的所有侧壁与垂直线典型夹角成30deg到60deg，光线可以在芯片侧面多次折射，提高了光源的外量子效率。
附图说明
图1为本发明LED芯片的结构示意图。
图2为实施例一中LED芯片的结构示意图。
图3为实施侧二中LED芯片的结构示意图。
图4为实施例三中LED芯片的结构示意图。
图5为本发明LED芯片制造方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图1，本发明揭示了一种LED芯片，所述LED芯片在刻蚀后，LED芯片的侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；所述LED芯片的上述区域呈正台形。
所述LED芯片包括第一导电类型半导体层、有源层、第二导电类型半导体层；有源层的侧壁，以及第一导电类型半导体层或/和第二导电类型半导体层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
具体地，请继续参阅图1，所述LED芯片自下而上依次包括蓝宝石层saphire、缓冲层buffer、N-GaN层、MQW层、P-AlGaN层、P-GaN层；所述MQW层、P-AlGaN层、P-GaN层的侧壁，以及N-GaN层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
本实施例中，请参阅图2，LED芯片的侧壁与垂直线的典型夹角为30°。
以上介绍了本发明的LED芯片，本发明在揭示上述LED芯片的同时，还揭示上述LED芯片的制造方法，所述方法包括：
-在衬底上生长LED结构外延片；
-所述外延片高温退火；
-用清洗液将所述外延片表面清洗干净；
-在外延片上光刻出特定尺寸的图形；
-刻蚀外延片，并使刻蚀后的芯片周围的侧壁与垂直线典型夹角为30°-60°，呈正台形。
具体地，请参阅图5，所述LED芯片制造方法包括如下步骤：
【步骤1】在图形化蓝宝石衬底上生长GaN基LED结构外延片。
【步骤2】GaN外延片在氮气和氧气气氛中高温退火。
【步骤3】用王水和H2SO4、H2O2溶液将GaN外延片表面清洗干净。
【步骤4】在外延片上光刻出特定尺寸的图形。
本实施例中，光刻的条件为：光刻胶是AZ1500，粘度为38cp，涂胶厚度为1000nm-3000nm(如2000nm)，采用ABM接触式光刻机曝光，使用接近式曝光方式，晶片wafer上表面距离遮罩层mask下表面在5um到10um之间。
【步骤5】用ICP刻蚀机将外延片刻蚀到n-GaN层，并使刻蚀后的芯片周围所有侧壁与垂直线典型夹角为30°-60°，呈正台形。
本实施例中，ICP刻蚀的条件为：ICP功率为1000W-2000W(如1000W)，RF功率为100W-300W，腔体压力为3-5mTorr，刻蚀气体流量比Cl2∶BCl3＝2-4∶1。
综上所述，本发明提出的LED芯片及其制造方法，LED芯片刻蚀后的所有侧壁与垂直线典型夹角成30deg到60deg，芯片的这种侧壁结构增加了侧向光源的出光面积，同时给光子提供更多的出射几率，出射角度在临界角以外的光也可通过芯片侧面的多次折射，最后进入临界角内，使芯片获得更多的出光。本发明采用了与常规光刻和ICP刻蚀不同的工艺条件，使得LED芯片刻蚀后的所有侧壁与垂直线典型夹角成30deg到60deg，光线可以在芯片侧面多次折射，提高了光源的外量子效率。
实施例二
本实施例中，请参阅图3，LED芯片的侧壁与垂直线的典型夹角为60°。
实施例三
本实施例中，请参阅图4，LED芯片的侧壁与垂直线的典型夹角为45°。当然，LED芯片的侧壁与垂直线的典型夹角还可以为其他角度。
实施例四
本实施例揭示一种LED芯片，所述LED芯片在刻蚀后，LED芯片侧壁的部分或全部与芯片的中轴线的夹角为30°-60°；所述LED芯片的上述区域呈正台形。
所述LED芯片包括第一导电类型半导体层、有源层、第二导电类型半导体层；有源层的侧壁，以及第一导电类型半导体层或/和第二导电类型半导体层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种LED芯片，其特征在于：所述LED芯片在刻蚀后，LED芯片的侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；所述LED芯片的上述区域呈正台形。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于：
所述LED芯片包括第一导电类型半导体层、有源层、第二导电类型半导体层；
有源层的侧壁，以及第一导电类型半导体层或/和第二导电类型半导体层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于：
所述LED芯片包括蓝宝石层、缓冲层、N-GaN层、MQW层、P-GaN层；
所述MQW层、P-GaN层的侧壁，以及N-GaN层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
4.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于：
所述LED芯片自下而上依次包括蓝宝石层、缓冲层、N-GaN层、MQW层、P-AlGaN层、P-GaN层；
所述MQW层、P-AlGaN层、P-GaN层的侧壁，以及N-GaN层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
5.一种LED芯片，其特征在于：所述LED芯片在刻蚀后，LED芯片侧壁的部分或全部与芯片的中轴线的夹角为30°-60°；所述LED芯片的上述区域呈正台形。
6.根据权利要求5所述的LED芯片，其特征在于：
所述LED芯片包括第一导电类型半导体层、有源层、第二导电类型半导体层；
有源层的侧壁，以及第一导电类型半导体层或/和第二导电类型半导体层的全部或部分侧壁与垂直线的典型夹角为30°-60°；该部分区域呈正台形。
7.一种LED芯片的制造方法，其特征在于：所述方法包括：
在衬底上生长LED结构外延片；
所述外延片高温退火；
用清洗液将所述外延片表面清洗干净；
在外延片上光刻出特定尺寸的图形；
刻蚀外延片，并使刻蚀后的芯片周围的侧壁与垂直线典型夹角为30°-60°，呈正台形。
8.根据权利要求7所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：
所述方法具体包括：
步骤1、在图形化蓝宝石衬底上生长GaN基LED结构外延片；
步骤2、GaN外延片在氮气和氧气气氛中高温退火；
步骤3、用王水和H2SO4、H2O2溶液将GaN外延片表面清洗干净；
步骤4、在外延片上光刻出特定尺寸的图形；
步骤5、用ICP刻蚀机将外延片刻蚀到n-GaN层，并使刻蚀后的芯片周围所有侧壁与垂直线典型夹角为30°-60°，呈正台形。
9.根据权利要求7所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：
所述步骤4中光刻的条件为：光刻胶是AZ1500，粘度为38cp，涂胶厚度为1000nm-3000nm，采用ABM接触式光刻机曝光，使用接近式曝光方式，晶片wafer上表面距离遮罩层mask下表面在5um到10um之间；
所述步骤5中ICP刻蚀的条件为：ICP功率为1000W-2000W，RF功率为100W-300W，腔体压力为3-5mTorr，刻蚀气体流量比Cl2∶BCl3＝2-4∶1。
10.根据权利要求7所述的LED芯片的制造方法，其特征在于：
所述步骤4中光刻的条件为：光刻胶是AZ1500，粘度为38cp，涂胶厚度为2000nm，采用ABM接触式光刻机曝光，使用接近式曝光方式，晶片wafer上表面距离遮罩层mask下表面在5um到10um之间；
所述步骤5中ICP刻蚀的条件为：ICP功率为1000W，RF功率为100W-300W，腔体压力为3-5mTorr，刻蚀气体流量比Cl2∶BCl3＝2-4∶1。
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