CN105118905B - 一种led芯片电极及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种LED芯片电极的制作方法，包括步骤：干法刻蚀外延层，露出N型GaN层；制作氧化铟锡薄膜导电层；蒸镀铬层；蒸镀镍层；氮气氛围中对镍层进行退火处理，使镍层在铬层的表面上形成均匀分布的球状镍颗粒；利用球状镍颗粒作为掩膜刻蚀铬层，在铬层表面刻蚀形成纳米级凹状矩形坑；腐蚀去掉球状镍颗粒；依次蒸镀铝层、钛层、铂层和金层；剥离去胶，得到LED芯片电极。本发明还公开了一种LED芯片电极，自下而上顺次包括：铬层、铝层及蒸镀铝层、钛层、铂层和金层，在铬层表面刻蚀有纳米级凹状矩形坑。本发明使铬层表面形成纳米级的凹凸状，增加光在铬层表面的出射率，被铝层反射回芯片内部而再次反射出去的光线也将增加，LED的发光效率明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，具体地说，是涉及一种LED芯片电极及其制作方法。
背景技术
LED是一种固体光源，它是利用半导体P-N结制成的发光器件。在正向导通时，半导体中的少数载流子和多数载流子复合，释放出的能量以光子或部分以光子的形式发射出来。半导体LED照明具有高效、节能、环保、使用寿命长、等显著优点，已经广泛应用于路灯、显示屏、室内照明、汽车灯等各个领域。如何提高发光效率是LED需要解决的主要问题。
目前大多数LED电极都采用含有铝层的反射电极结构，电极中的铝层能将传输到P、N电极的光反射回芯片内部，被反射回的光从芯片内部再射出来，从而提高了LED芯片的外量子效率。Al层直接与GaN外延层表面接触，虽然可以保证LED的发光效率，但是存在两个问题：一是整个电极与GaN的粘附性会很差，在后续的焊线、打线过程中，电极容易脱落；二是电压会升高。现有的电极结构中，在铝层和GaN外延层表面之间会设计一层金属薄膜，比如铬层，这既能保证电极粘附性，又能降低电压，但是这层薄膜会对光产生吸收，从而影响了LED的发光效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种LED芯片电极的制作方法，包括步骤：
干法刻蚀设备ICP刻蚀自下至上依次包含N型GaN层、量子阱和P型GaN层的外延层，形成台阶，露出N型GaN层，刻蚀深度1-2μm，切割道的宽度在10-25μm之间；
电子束真空蒸镀方法制作氧化铟锡薄膜导电层，薄膜厚度为，腔体温度150-350℃，氧气流量5-15sccm，真空度3×10-5-3×10-7Torr；涂覆厚度2.5-3.0μm的负性光刻胶，曝光、显影，露出电极区；
电子束真空蒸镀方法蒸镀10-12nm的铬层，镀膜速率为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.35-0.45倍，腔体压力为1.0×10-6Torr；
电子束真空蒸镀方法蒸镀5-10nm的镍层，镀膜速率设为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.16-0.19倍，腔体压力为1.0×10-6Torr；
氮气氛围中对所述镍层进行退火处理，使镍层在所述铬层的表面上形成均匀分布的球状镍颗粒，球状镍颗粒之间的距离为2.5-4nm，氮气流量为5-7L/min，温度为500-540℃，时间为60-120s；
利用球状镍颗粒作为掩膜，刻蚀所述铬层，在铬层表面刻蚀形成纳米级凹状矩形坑，凹状矩形坑的长、宽、高为3-8nm，相邻凹状矩形坑之间相距2.5-4nm，刻蚀采用反应离子刻蚀机或感应耦合等离子体刻蚀机进行的干法刻蚀，所使用的刻蚀气体为BCl3、Cl2或Ar，BCl3通入的浓度为15-22ml/min，Cl2通入的浓度为20-30ml/min，Ar通入的浓度为24-33ml/min；
采用包含氯化铁、盐酸以及水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒；
电子束真空蒸镀方法依次蒸镀铝层、钛层、铂层和金层；
剥离去胶，得到LED芯片电极。
优选地，所述步骤采用包含氯化铁、盐酸以及水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒，进一步为，采用质量分数为8-15％的氯化铁、质量分数10-18％的盐酸、其余为水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒，溶液温度50-65℃，反应时间5-10min。
优选地，所述步骤电子束真空蒸镀方法依次蒸镀铝层、钛层、铂层和金层，进一步为，蒸镀条件为：镀膜速率为，功率为其输出功率的0.30-0.45倍，腔体压力为1.0×10-6Torr。
优选地，所述步骤剥离去胶，进一步为，采用蓝膜对金属进行剥离，待金属剥离干净后再将芯片放入去胶剂中进行超声浸泡，其中所述去胶剂包括质量分数为99.5-99.8％的N-甲基吡咯烷酮以及质量分数为0.2-0.5％的水。
本发明还公开了一种利用上述LED芯片电极的制作方法制作的LED芯片电极，该LED芯片电极自下而上顺次包括：铬层、铝层及蒸镀铝层、钛层、铂层和金层，其中，在所述铬层表面刻蚀有纳米级凹状矩形坑，凹状矩形坑的长、宽、高为3-8nm，相邻凹状矩形坑之间相距2.5-4nm。
与现有技术相比，本发明所述的LED芯片电极及其制作方法，达到了如下效果：
本发明使铝层下面的铬层表面形成纳米级的凹凸状，与平整的表面相比，光线在这种凹凸状的表面上能够以漫反射和散射的方式出射出去，增加光在铬层表面的出射率，进而增加到达铝层的光线数量，这样，被铝层反射回芯片内部而再次反射出去的光线也将增加，LED的发光效率明显提高，本发明的电极结构比传统方法亮度高5％-6％。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术的LED芯片电极结构；
图2为本发明的LED芯片电极结构；
图3为本发明铬层表面的纳米级凹状矩形坑；
图4为芯片表面涂覆光刻胶，露出电极区；
图5为蒸镀铬层；
图6为蒸镀镍层；
图7为镍层退火后形成镍球；
图8为以镍球为掩膜刻蚀在铬层表面形成纳米级凹状矩形坑；
图9为化学溶液去除镍球。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1：
结合图2-图9，本实施例提供了一种LED芯片电极的制作方法，包括步骤：
步骤101：干法刻蚀设备ICP刻蚀自下至上依次包含N型GaN层、量子阱和P型GaN层的外延层1，形成台阶，露出N型GaN层，刻蚀深度1μm，切割道的宽度在10μm之间，P电极制作在P型GaN层上，N电极制作在N型GaN层上；
步骤102：电子束真空蒸镀方法制作氧化铟锡薄膜导电层，薄膜厚度为，腔体温度150℃，氧气流量5sccm，真空度3×10-5Torr；
步骤103：如图4所示，涂覆厚度2.5μm的负性光刻胶5，曝光、显影，露出电极区；
步骤104：如图5所示，电子束真空蒸镀方法蒸镀10nm的铬层2，镀膜速率为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.35倍，腔体压力为1.0×10-6Torr；
步骤105：结合图6，电子束真空蒸镀方法蒸镀5-10nm的镍层6，镀膜速率设为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.16倍，腔体压力为1.0×10-6Torr；
步骤106：结合图7，氮气氛围中对所述镍层6进行退火处理，使镍层6在所述铬层2的表面上形成均匀分布的球状镍颗粒61，球状镍颗粒61之间的距离为2.5nm，氮气流量为5L/min，温度为500℃，时间为60s；
步骤107：如图8所示，利用球状镍颗粒61作为掩膜，刻蚀所述铬层2，在铬层2表面刻蚀形成纳米级凹状矩形坑，凹状矩形坑的长a、宽b、高h为3nm，相邻凹状矩形坑之间相距2.5nm，刻蚀采用反应离子刻蚀机或感应耦合等离子体刻蚀机进行的干法刻蚀，所使用的刻蚀气体为BCl3、Cl2或Ar，BCl3通入的浓度为15ml/min，Cl2通入的浓度为20ml/min，Ar通入的浓度为24ml/min；
步骤108：采用包含氯化铁、盐酸以及水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒61；如图9所示，采用质量分数为8％的氯化铁、质量分数10％的盐酸、其余为水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒61，溶液温度50℃，反应时间5min。
步骤109：电子束真空蒸镀方法依次蒸镀铝层3及钛层、铂层和金层图2中4代表钛层、铂层和金层；蒸镀条件为：镀膜速率为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.30倍，腔体压力为1.0×10-6Torr。
步骤110：剥离去胶，得到LED芯片电极。采用蓝膜对金属进行剥离，待金属剥离干净后再将芯片放入去胶剂中进行超声浸泡，其中所述去胶剂包括质量分数为99.5％的N-甲基吡咯烷酮以及质量分数为0.2％的水。
根据上述方法制作的LED芯片电极，如图2所示，该LED芯片电极自下而上顺次包括：铬层2、铝层3及钛层、铂层和金层，如图3所示，在所述铬层2表面刻蚀有纳米级凹状矩形坑，凹状矩形坑的长、宽、高为3nm，相邻凹状矩形坑之间相距2.5nm。
实施例2：
结合图2-图9，本实施例提供了一种LED芯片电极的制作方法，包括步骤：
步骤201：干法刻蚀设备ICP刻蚀自下至上依次包含N型GaN层、量子阱和P型GaN层的外延层1，形成台阶，露出N型GaN层，刻蚀深度2μm，切割道的宽度在25μm之间，P电极制作在P型GaN层上，N电极制作在N型GaN层上；
步骤202：电子束真空蒸镀方法制作氧化铟锡薄膜导电层，薄膜厚度为，腔体温度350℃，氧气流量15sccm，真空度3×10-7Torr；
步骤203：如图4所示，涂覆厚度3.0μm的负性光刻胶5，曝光、显影，露出电极区；
步骤204：如图5所示，电子束真空蒸镀方法蒸镀12nm的铬层2，镀膜速率为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.45倍，腔体压力为1.0×10-6Torr；
步骤205：结合图6，电子束真空蒸镀方法蒸镀10nm的镍层6，镀膜速率设为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.19倍，腔体压力为1.0×10-6Torr；
步骤206：结合图7，氮气氛围中对所述镍层6进行退火处理，使镍层6在所述铬层2的表面上形成均匀分布的球状镍颗粒61，球状镍颗粒61之间的距离为4nm，氮气流量为7L/min，温度为540℃，时间为120s；
步骤207：如图8所示，利用球状镍颗粒61作为掩膜，刻蚀所述铬层2，在铬层2表面刻蚀形成纳米级凹状矩形坑，凹状矩形坑的长a、宽b、高h为8nm，相邻凹状矩形坑之间相距4nm，刻蚀采用反应离子刻蚀机或感应耦合等离子体刻蚀机进行的干法刻蚀，所使用的刻蚀气体为BCl3、Cl2或Ar，BCl3通入的浓度为22ml/min，Cl2通入的浓度为30ml/min，Ar通入的浓度为33ml/min；
步骤208：采用包含氯化铁、盐酸以及水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒61；如图9所示，采用质量分数为15％的氯化铁、质量分数18％的盐酸、其余为水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒61，溶液温度65℃，反应时间10min。
步骤209：电子束真空蒸镀方法依次蒸镀铝层3及钛层、铂层和金层图2中4代表钛层、铂层和金层；蒸镀条件为：镀膜速率为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.45倍，腔体压力为1.0×10-6Torr。
步骤210：剥离去胶，得到LED芯片电极。采用蓝膜对金属进行剥离，待金属剥离干净后再将芯片放入去胶剂中进行超声浸泡，其中所述去胶剂包括质量分数为99.8％的N-甲基吡咯烷酮以及质量分数为0.5％的水。
根据上述方法制作的LED芯片电极，如图2所示，该LED芯片电极自下而上顺次包括：铬层2、铝层3及钛层、铂层和金层，如图3所示，在所述铬层2表面刻蚀有纳米级凹状矩形坑，凹状矩形坑的长、宽、高为8nm，相邻凹状矩形坑之间相距4nm。
实施例3：
结合图2-图9，本实施例提供了一种LED芯片电极的制作方法，包括步骤：
步骤301：干法刻蚀设备ICP刻蚀自下至上依次包含N型GaN层、量子阱和P型GaN层的外延层1，形成台阶，露出N型GaN层，刻蚀深度1.5μm，切割道的宽度在17μm之间，P电极制作在P型GaN层上，N电极制作在N型GaN层上；
步骤302：电子束真空蒸镀方法制作氧化铟锡薄膜导电层，薄膜厚度为腔体温度250℃，氧气流量10sccm，真空度5.05×10-6Torr；
步骤303：如图4所示，涂覆厚度2.7μm的负性光刻胶5，曝光、显影，露出电极区；
步骤304：如图5所示，电子束真空蒸镀方法蒸镀11nm的铬层2，镀膜速率为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.4倍，腔体压力为1.0×10-6Torr；
步骤305：结合图6，电子束真空蒸镀方法蒸镀7nm的镍层6，镀膜速率设为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.17倍，腔体压力为1.0×10-6Torr；
步骤306：结合图7，氮气氛围中对所述镍层6进行退火处理，使镍层6在所述铬层2的表面上形成均匀分布的球状镍颗粒61，球状镍颗粒61之间的距离为3.2nm，氮气流量为6L/min，温度为520℃，时间为90s；
步骤307：如图8所示，利用球状镍颗粒61作为掩膜，刻蚀所述铬层2，在铬层2表面刻蚀形成纳米级凹状矩形坑，凹状矩形坑的长a、宽b、高h为5nm，相邻凹状矩形坑之间相距3.2nm，刻蚀采用反应离子刻蚀机或感应耦合等离子体刻蚀机进行的干法刻蚀，所使用的刻蚀气体为BCl3、Cl2或Ar，BCl3通入的浓度为18ml/min，Cl2通入的浓度为25ml/min，Ar通入的浓度为28ml/min；
步骤308：采用包含氯化铁、盐酸以及水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒61；如图9所示，采用质量分数为11％的氯化铁、质量分数14％的盐酸、其余为水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒61，溶液温度60℃，反应时间7min。
步骤309：电子束真空蒸镀方法依次蒸镀铝层3及钛层、铂层和金层，图2中4代表钛层、铂层和金层；蒸镀条件为：镀膜速率为，镀膜功率为电子枪输出功率的0.35倍，腔体压力为1.0×10-6Torr。
步骤310：剥离去胶，得到LED芯片电极。采用蓝膜对金属进行剥离，待金属剥离干净后再将芯片放入去胶剂中进行超声浸泡，其中所述去胶剂包括质量分数为99.6％的N-甲基吡咯烷酮以及质量分数为0.35％的水。
根据上述方法制作的LED芯片电极，如图2所示，该LED芯片电极自下而上顺次包括：铬层2、铝层3及及钛层、铂层和金层，如图3所示，在所述铬层2表面刻蚀有纳米级凹状矩形坑，凹状矩形坑的长、宽、高为5nm，相邻凹状矩形坑之间相距3.2nm。
对比实验：
1)常规方法刻蚀N、P台面；干法刻蚀设备ICP刻蚀自下至上依次包含N型GaN层、量子阱和P型GaN层的外延层1，形成台阶，露出N型GaN层，刻蚀深度1-2μm，切割道的宽度在10-25μm之间。
2)常规方法制作透明导电层；电子束真空蒸镀方法制作氧化铟锡薄膜导电层；薄膜厚度，腔体温度150-350℃，氧气流量5-15sccm，真空度10-5-10-7Torr。
3)常规方法做光刻，露出电极区；涂覆2.5-3.0微米的负性光刻胶，曝光、显影，露出电极区
4)电子束真空蒸镀方法依次蒸镀铬层、铝层以及其它各层金属。蒸镀时腔体压力为1.0×10-6Torr，蒸镀铬层、铝层以及钛层、铂层和金层时镀膜速率为4.5-10埃/秒，镀膜功率为电子枪输出功率的0.30-0.45倍，
5)剥离去胶。采用蓝膜对金属进行剥离，待金属剥离干净后再将芯片放入去胶剂中进行超声浸泡，其中所述去胶剂包括质量分数为99.5-99.8％的N-甲基吡咯烷酮以及质量分数为0.2-0.5％的水。得到图1所示的LED及其电极。
与现有技术相比，本发明所述的LED芯片电极及其制作方法，达到了如下效果：
本发明使铝层下面的铬层表面形成纳米级的凹凸状，与平整的表面相比，光线在这种凹凸状的表面上能够以漫反射和散射的方式出射出去，增加光在铬层表面的出射率，进而增加到达铝层的光线数量，这样，被铝层反射回芯片内部而再次反射出去的光线也将增加，LED的发光效率明显提高，本发明的电极结构比传统方法亮度高5％-6％。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种LED芯片电极的制作方法，其特征在于，包括步骤：
采用干法刻蚀设备ICP刻蚀自下至上依次包含N型GaN层、量子阱和P型GaN层的外延层，形成台阶，露出N型GaN层，刻蚀深度1-2μm，切割道的宽度在10-25μm之间；
采用电子束真空蒸镀方法制作氧化铟锡薄膜导电层，薄膜厚度为腔体温度150-350℃，氧气流量5-15sccm，真空度3×10-5-3×10-7Torr；涂覆厚度2.5-3.0μm的负性光刻胶，曝光、显影，露出电极区；
采用电子束真空蒸镀方法蒸镀10-12nm的铬层，镀膜速率为镀膜功率为电子枪输出功率的0.35-0.45倍，腔体压力为1.0×10-6Torr；
采用电子束真空蒸镀方法蒸镀5-10nm的镍层，镀膜速率设为镀膜功率为电子枪输出功率的0.16-0.19倍，腔体压力为1.0×10-6Torr；
氮气氛围中对所述镍层进行退火处理，使镍层在所述铬层的表面上形成均匀分布的球状镍颗粒，球状镍颗粒之间的距离为2.5-4nm，氮气流量为5-7L/min，温度为500-540℃，时间为60-120s；
利用球状镍颗粒作为掩膜，刻蚀所述铬层，在铬层表面刻蚀形成纳米级凹状矩形坑，凹状矩形坑的长、宽、高为3-8nm，相邻凹状矩形坑之间相距2.5-4nm，刻蚀采用反应离子刻蚀机或感应耦合等离子体刻蚀机进行的干法刻蚀，所使用的刻蚀气体为BCl3、Cl2或Ar，BCl3通入的浓度为15-22ml/min，Cl2通入的浓度为20-30ml/min，Ar通入的浓度为24-33ml/min；
采用包含氯化铁、盐酸以及水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒；
采用电子束真空蒸镀方法依次蒸镀铝层、钛层、铂层和金层；
剥离去胶，得到LED芯片电极。
2.根据权利要求1所述的LED芯片电极的制作方法，其特征在于，所述步骤采用包含氯化铁、盐酸以及水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒，进一步为，采用质量分数为8-15％的氯化铁、质量分数10-18％的盐酸、其余为水的溶液腐蚀去掉球状镍颗粒，溶液温度50-65℃，反应时间5-10min。
3.根据权利要求1所述的LED芯片电极的制作方法，其特征在于，所述步骤采用电子束真空蒸镀方法依次蒸镀铝层、钛层、铂层和金层，进一步为，蒸镀条件为：镀膜速率为功率为其输出功率的0.30-0.45倍，腔体压力为1.0×10-6Torr。
4.根据权利要求1所述的LED芯片电极的制作方法，其特征在于，所述步骤剥离去胶，进一步为，采用蓝膜对金属进行剥离，待金属剥离干净后再将芯片放入去胶剂中进行超声浸泡，其中所述去胶剂包括质量分数为99.5-99.8％的N-甲基吡咯烷酮以及质量分数为0.2-0.5％的水。
5.根据权利要求1至4中任一所述的LED芯片电极的制作方法制作的LED芯片电极，其特征在于，该LED芯片电极自下而上顺次包括：铬层、铝层及蒸镀铝层、钛层、铂层和金层，其中，在所述铬层表面刻蚀有纳米级凹状矩形坑，凹状矩形坑的长、宽、高为3-8nm，相邻凹状矩形坑之间相距2.5-4nm。
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