CN103137795A - 一种GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,在凸PSS上制作LED发光外延层,然后利用光刻胶及SiO2层作为掩膜,通过控制ICP的各项参数对发光外延层进行深刻蚀,以形成完全分离的LED晶胞。由此方法制得的LED芯片的晶胞可以达到完全分离,而且,能够依照不同输入电压的需求而决定其晶胞的数量与尺寸,可以针对每颗晶胞加以优化,因此能够得到较佳的电流分布,进而提高发光效率。本方法工艺简单,适合用于工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管的制备方法,特别是涉及一种GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法。
背景技术
半导体照明作为新型高效固体光源,具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点,将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃,其应用领域正在迅速扩大,正带动传统照明、显示等行业的升级换代,其经济效益和社会效益巨大。正因如此,半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一,也是未来几年光电子领域最重要的制高点之一。
对于高功率LED的设计,目前各大厂多以大尺寸单颗低压为主,做法有两种:一种为传统水平结构,另一种则为垂直导电结构。
对于传统水平结构,其制程和一般小尺寸芯片几乎相同,两者的剖面结构一样,但有别于小尺寸芯片,大尺寸高功率LED常常需要在大电流之下驱动,若P、N电极的设计不平衡,都会导致严重的电流拥堵(Current Crowding),其结果是LED达不到设计所需的亮度,且也会损害芯片的可靠度(reliability)。
对于垂直导电结构,由于目前商品化的蓝光LED几乎都是成长于蓝宝石基板上,要改为垂直导电结构,必须先和导电、散热良好基板做键合,再采用激光剥离的方法,将不导电的蓝宝石基本剥离移除,之后完成芯片制备。垂直结构与传统水平结构相比,有着较均匀的电流分布,同时也改善了散热。但该结构的做法最大的缺点在于,制程工艺复杂度大大提高,良率较传统水平结构低,制作成本高。
晶胞隔离技术是晶胞与晶胞之间有沟槽,沟槽的目的在于将多个晶胞独立开来,因此其沟槽下方需要达到绝缘的基板(比如,蓝宝石基板GaN基LED,需达到蓝宝石衬底),其深度依据不同的外延结构,一般在4~15um;沟槽的宽度方面则无一定的限制,但是沟槽太宽,则代表着有效发光区域的减少,将影响高压LED的发光效率。
在现有技术中,外延工艺一般采用平片加粗化工艺,这样就比较容易地实现晶胞的隔离,而这种方法,对亮度的提升有较大的限制。而目前外延工艺技术绝大多数采用蓝宝石凸PSS(Patterned Sapphire Substrate;蓝宝石晶圆进行表面图案化)基板,这给晶胞的隔离产生了很大的困难,因为凸PSS的包与包之间的GaN非常难以刻蚀干净,如图1所示,如果刻蚀不干净,就造成整个器件内部直接连通,从而整个器件失效。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,用于解决现有技术中凸PSS的包与包之间的GaN难以刻蚀干净而导致器件内部直接连通,从而整个器件失效的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,至少包括以下步骤:1)提供一表面具有多个凸起结构的蓝宝石衬底,且相邻的两个凸起结构之间具有间隔,在所述蓝宝石衬底表面形成由GaN材料组成的外延发光层;2)在所述外延发光层表面依次制作掩膜层及光刻胶,然后进行光刻,蚀刻去除部分光刻胶及掩膜层,以使所述光刻胶及掩膜层形成以特定间距排列的掩膜叠层;3)以所述掩膜叠层作为掩膜,进行第一次刻蚀,去除各该掩膜叠层之间的外延发光层;其中,所述第一次刻蚀后,所述蓝宝石衬底上各该凸起结构之间具有残余的GaN材料;4)以所述掩膜叠层作为掩膜,进行第二次刻蚀,去除所述蓝宝石衬底上各该凸起结构之间残余的GaN材料,形成相互独立的多个发光二极管芯片晶胞;5)进行第三次刻蚀,去除所述发光二极管芯片晶胞侧壁表面的缺陷。
在本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法中,所述外延发光层至少包括:u-GaN层、n-GaN层、MQW层以及p-GaN层。
在本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法中,所述掩膜层为采用PECVD方法进行沉积的SiO2层,其厚度为5000~15000nm。采用BOE溶液对所述SiO2层进行刻蚀。
在本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法中,所述步骤2)还包括对所述掩膜叠层进行清洗及甩干的步骤。
在本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法中,所述第一次刻蚀、第二次刻蚀及第三次刻蚀在ICP或RIE刻蚀设备中进行。
在本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法中,所述第一次刻蚀在ICP刻蚀设备中进行,采用Cl2、BCl3混合气体作为刻蚀气体,其中Cl2的含量为50%-85%,BCl3的含量为5%-10%。优选地,所述ICP设备中,刻蚀压力为0.5~1pa,Cl2流量为25~35sccm,BCl3流量为5~8sccm,ICP功率为80~250W,RF偏压功率为60~150W,刻蚀时间为400~900秒。
在本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法中,所述第二次刻蚀在ICP刻蚀设备中进行,采用Cl2、BCl3、Ar混合气体作为刻蚀气体,其中Cl2的含量为50%-85%,BCl3的含量为5%-10%。优选地,所述ICP设备中,刻蚀压力为0.5~1pa,Cl2流量为25~40sccm,BCl3流量为2~5sccm,Ar流量为3~7sccm,ICP功率为450~700W,RF偏压功率为200~350W,刻蚀时间为450~1000秒。
在本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法中,所述第三次刻蚀在ICP刻蚀设备中进行,采用Cl2及BCl3混合气体作为刻蚀气体,其中,刻蚀压力为0.5~0.8pa,Cl2流量为5~15sccm,BCl3流量为3~10sccm,ICP功率为200~350W,RF偏压功率为45~90W,刻蚀时间为200~350秒。
在本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法中,所述步骤4)还包括去除所述光刻胶与掩膜层的步骤。
如上所述,本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,具有以下有益效果:在凸PSS上制作LED发光外延层,然后利用光刻胶及SiO2层作为掩膜,通过控制ICP的各项参数对发光外延层进行刻蚀,以形成完全分离的LED晶胞。由此方法制得的LED芯片的晶胞可以达到完全分离,而且,能够依照不同输入电压的需求而决定其晶胞的数量与尺寸,可以针对每颗晶胞加以优化,因此能够得到较佳的电流分布,进而提高发光效率。本方法工艺简单,适合用于工业生产。
附图说明
图1显示现有技术中的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法中的结构示意图。
图2~图6显示为本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图6。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图所示,本发明提供一种GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,至少包括以下步骤:
请参阅图2,如图所示,首先进行步骤1),提供一表面具有多个凸起结构111的蓝宝石衬底11,且相邻的两个凸起结构111之间具有间隔,在本实施例中,所述的凸起结构111为圆弧面凸起结构111,当然,在其他的实施例中,所述的凸起结构111也可以为圆锥体状凸起结构或其它的锥状体凸起结构(例如为三角锥形等等),在所述蓝宝石衬底11表面形成由GaN材料组成的外延发光层,在本实施例中,所述外延发光层通过金属有机物化学气相沉积法制备,当然,也可以采用分子束外延或氢化物气相外延技术进行制备,在具体的实施过程中,在所述蓝宝石衬底表面制作u-GaN层12,在所述u-GaN层12表面制作n-GaN层13,在所述n-GaN层13表面制作MQW层14,最后在所述MQW层14表面制作p-GaN层15。
请参阅图3~图4,如图所示,然后进行步骤2),在所述外延发光层表面依次制作掩膜层16及光刻胶17,然后进行光刻,刻蚀去除部分的光刻胶17及掩膜层16,以使所述光刻胶17及掩膜层16形成以特定间距排列的掩膜叠层16及17,在本实施例中,采用PECVD方法进行沉积的SiO2层,其厚度为5000~15000nm,然后采用BOE溶液对所述SiO2层进行刻蚀以去除所述的SiO2层,也可使用BOE与HF混合容易进行刻蚀。当然,所述掩膜层16的材料为也可以为Si3N4,或Ni、Ti、Cr、Al、Ag、Pt中的一种或多种金属与Au的组合,其中,所述掩膜层16为Si3N4时,采用BOE溶液或氢氟酸去除;所述掩膜层16为Ni、Ti、Cr、Al、Ag、Pt中的一种或多种金属与Au的组合时,其中的Ni采用硝酸去除,Ti采用氢氟酸、热的浓盐酸或热的浓硫酸去除,Cr采用盐酸与Cr的混合液去除,Al采用强碱或稀酸去除,Ag采用硝酸和热的浓硫酸去除,Pt、Au采用王水去除。所述掩膜叠层16及17制备完成后,对其进行清洗以去除残留的杂质,并对其进行甩干。需要说明的是,所述掩膜叠层16及17之间的间距大小根据不同的工艺条件和实际需求来确定。
请参阅图5,如图所示,接着进行步骤3),以所述掩膜叠层16及17作为掩膜,进行第一次刻蚀,去除所述掩膜叠层16及17之间的外延发光层,其中,所述第一次刻蚀后,所述蓝宝石衬底上各该凸起结构111之间具有残余的GaN材料;其中,所述的第一次刻蚀可在ICP或RIE刻蚀设备中进行。在本实施例中,所述第一次刻蚀在ICP刻蚀设备中进行,采用Cl2、BCl3混合气体作为刻蚀气体,其中Cl2的含量为50%-85%,BCl3的含量为5%-10%。所述ICP设备中,刻蚀压力为0.5~1pa,Cl2流量为25~35sccm,BCl3流量为5~8sccm,ICP功率为80~250W,RF偏压功率为60~150W,刻蚀时间为400~900秒。
请参阅图6,如图所示,接着进行步骤4),以所述掩膜叠层16及17作为掩膜,进行第二次刻蚀,去除所述蓝宝石衬底上各该凸起结构111之间残余的GaN材料,形成相互独立的多个发光二极管芯片晶胞;在本实施例中,所述第二次刻蚀在ICP刻蚀设备中进行,采用Cl2、BCl3、Ar混合气体作为刻蚀气体,其中Cl2的含量为50%-85%,BCl3的含量为5%-10%。所述ICP设备中,刻蚀压力为0.5~1pa,Cl2流量为25~40sccm,BCl3流量为2~5sccm,Ar流量为3~7sccm,ICP功率为450~700W,RF偏压功率为200~350W,刻蚀时间为450~1000秒。在具体的实施过程中,刻蚀压力为0.7pa,Cl2流量为32sccm,BCl3流量为3sccm,Ar流量为5sccm,ICP功率为500W,RF偏压功率为250W,刻蚀时间为800秒。
最后进行步骤5),进行第三次刻蚀,去除所述发光二极管芯片晶胞侧壁表面的缺陷。其中,所述的第二次刻蚀可在ICP或RIE刻蚀设备中进行,所述的缺陷主要为第一次刻蚀与第二次刻蚀后造成晶胞侧壁表面的凹凸不平。所述第三次刻蚀在ICP刻蚀设备中进行,采用Cl2及BCl3混合气体作为刻蚀气体,其中,刻蚀压力为0.5~0.8pa,Cl2流量为5~15sccm,BCl3流量为3~10sccm,ICP功率为200~350W,RF偏压功率为45~90W,刻蚀时间为200~350秒。在具体的实施过程中,刻蚀压力为0.7pa,Cl2流量为7.5sccm,BCl3流量为5sccm,ICP功率为300W,RF偏压功率为60W,刻蚀时间为300秒。最后去除所述的光刻胶17及掩膜层16,已完成发光二极管芯片晶胞的制备。
综上所述,本发明的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法在凸PSS上制作LED发光外延层,然后利用光刻胶及SiO2层作为掩膜,通过控制ICP的各项参数对发光外延层进行刻蚀,以形成完全分离的LED晶胞。由此方法制得的LED芯片的晶胞可以达到完全分离,而且,能够依照不同输入电压的需求而决定其晶胞的数量与尺寸,可以针对每颗晶胞加以优化,因此能够得到较佳的电流分布,进而提高发光效率。本方法工艺简单,适合用于工业生产。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于,至少包括以下步骤:
1)提供一表面具有多个凸起结构的蓝宝石衬底,且相邻的两个凸起结构之间具有间隔,在所述蓝宝石衬底表面形成由GaN材料组成的外延发光层;
2)在所述外延发光层表面依次制作掩膜层及光刻胶,然后进行光刻,蚀刻去除部分光刻胶及掩膜层,以使所述光刻胶及掩膜层形成以特定间距排列的掩膜叠层;
3)以所述掩膜叠层作为掩膜,进行第一次刻蚀,去除各该掩膜叠层之间的外延发光层;其中,所述第一次刻蚀后,所述蓝宝石衬底上各该凸起结构之间具有残余的GaN材料;
4)以所述掩膜叠层作为掩膜,进行第二次刻蚀,去除所述蓝宝石衬底上各该凸起结构之间残余的GaN材料,形成相互独立的多个发光二极管芯片晶胞;
5)进行第三次刻蚀,去除所述发光二极管芯片晶胞侧壁表面的缺陷。
2.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:所述外延发光层至少包括:u-GaN层、n-GaN层、MQW层以及p-GaN层。
3.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:所述掩膜层为采用PECVD方法进行沉积的SiO2层,其厚度为5000~15000nm。
4.根据权利要求3所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:采用BOE溶液对所述SiO2层进行刻蚀。
5.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:所述步骤2)还包括对所述掩膜叠层进行清洗及甩干的步骤。
6.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:所述第一次刻蚀、第二次刻蚀及第三次刻蚀在ICP或RIE刻蚀设备中进行。
7.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:所述第一次刻蚀在ICP刻蚀设备中进行,采用Cl2、BCl3混合气体作为刻蚀气体,其中Cl2的含量为50%-85%,BCl3的含量为5%-10%。
8.根据权利要求7所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:所述ICP设备中,刻蚀压力为0.5~1pa,Cl2流量为25~35sccm,BCl3流量为5~8sccm,ICP功率为80~250W,RF偏压功率为60~150W,刻蚀时间为400~900秒。
9.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:所述第二次刻蚀在ICP刻蚀设备中进行,采用Cl2、BCl3、Ar混合气体作为刻蚀气体,其中Cl2的含量为50%-85%,BCl3的含量为5%-10%。
10.根据权利要求9所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:所述ICP设备中,刻蚀压力为0.5~1pa,Cl2流量为25~40sccm,BCl3流量为2~5sccm,Ar流量为3~7sccm,ICP功率为450~700W,RF偏压功率为200~350W,刻蚀时间为450~1000秒。
11.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:所述第三次刻蚀在ICP刻蚀设备中进行,采用Cl2及BCl3混合气体作为刻蚀气体,其中,刻蚀压力为0.5~0.8pa,Cl2流量为5~15sccm,BCl3流量为3~10sccm,ICP功率为200~350W,RF偏压功率为45~90W,刻蚀时间为200~350秒。
12.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片晶胞的制备方法,其特征在于:所述步骤4)还包括去除所述光刻胶与掩膜层的步骤。
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