CN105374917B - 发光二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种发光二极管及其制作方法。发光二极管包括：衬底；缓冲层，位于所述衬底之上；N型GaN层，位于所述缓冲层之上；有源层，位于所述N型GaN层之上；P型GaN层，位于所述有源层之上；电流阻挡层，位于所述P型GaN层之上；透明导电层，位于所述电流阻挡层之上；P型电极和N型电极；钝化层，用以覆盖所述发光二极管除所述P型电极和所述N型电极的其他部分；以及复合式孔洞，所述复合式孔洞是所述钝化层覆盖第一孔洞和第二孔洞所形成；其中，所述第一孔洞开孔于所述透明导电层之中，用于露出所述P型GaN层；所述第二孔洞开孔于所述P型GaN层、所述有源层、所述N型GaN层之中。本申请的发光二极管及其制作方法通过开孔将光移至其他暗区，使光更容易提取，从而提高发光二极管的亮度。

Description

发光二极管及其制作方法

技术领域

本申请涉及发光二极管芯片制造技术，更具体地，涉及一种发光二极管及其制作方法。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diode，简称LED)是一种将电能转化为光能的半导体电子器件。当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光。LED作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性等优点，正在被迅速广泛地得到应用。如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源、户外全彩显示屏等。尤其是在照明领域，大功率芯片是未来LED发展的趋势。

图1为传统Ⅲ族氮化物LED的剖面结构示意图。如图1所示，Ⅲ族氮化物LED包括衬底1，在所述衬底1上外延生长缓冲层2，在所述缓冲层2上外延生长的n型氮化物半导体层3，在所述n型氮化物半导体层3上外延生长的有源层4，在所述有源层4上外延生长的p型氮化物半导体层5，在所述p型氮化物半导体5上分别沉积电流阻挡层6、透明导电层7及P型电极8，在通过蚀刻p型氮化物半导体层5和有源层4，而暴露n型氮化物半导体层3上形成N型电极9，最后沉积钝化层10。

图2为图1所示的传统Ⅲ族氮化物LED的二维发光图。图3为图1所示的传统Ⅲ族氮化物LED的三维发光图。如图3所示，显示了不同的颜色表示的发光强弱情况，从上往下颜色表示发光由强到弱，白-红-黄-绿-青-蓝-紫。由此可看出图2中，A区和B区的发光最强，而C区发光较弱，发光最强的地方也是器件温度最高的地方。

因此现有大功率高阶的LED芯片技术会存在亮度低、电压高及/或光型聚集导致的寿命短的缺陷，需要一种新的LED及其制作方法以解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种LED芯片及其制作方法，以解决上述问题。

本发明公开的一种发光二极管，其特征在于，包括：

衬底；

缓冲层，位于所述衬底之上；

N型GaN层，位于所述缓冲层之上；

有源层，位于所述N型GaN层之上；

P型GaN层，位于所述有源层之上；

电流阻挡层，位于所述P型GaN层之上；

透明导电层，位于所述电流阻挡层之上；

P型电极和N型电极；

钝化层，用以覆盖所述发光二极管除所述P型电极和所述N型电极的其他部分；以及

复合式孔洞，所述复合式孔洞是所述钝化层覆盖第一孔洞和第二孔洞所形成；其中，所述第一孔洞开孔于所述透明导电层之中，用于露出所述P型GaN层；所述第二孔洞开孔于所述P型GaN层、所述有源层、所述N型GaN层之中。

优选地，其中，所述第二孔洞在所述第一孔洞中垂直开孔。

优选地，其中，所述第一孔洞为方形、圆形或花瓣形，所述第二孔洞在所述第一孔洞的基础上相应地为方形、圆形或花瓣形。

优选地，其中，所述透明导电层为扩大的透明导电层。

优选地，其中，对所述透明导电层的所述扩大的部分不进行有源区的刻蚀。

本发明还公开了一种发光二极管制作方法，所述发光二极管包括衬底，位于所述衬底之上的缓冲层，位于所述缓冲层之上的N型GaN层，位于所述N型GaN层之上的有源层以及位于所述有源层之上的P型GaN层，其特征在于，所述方法包括：

沉积电流阻挡层于所述P型GaN层之上；

蒸镀透明导电层于所述电流阻挡层之上；

在所述透明导电层中开出第一孔洞及切割道区域，用于露出所述P型GaN层；

在所述第一孔洞的基础上开出第二孔洞、N型电极区域，用于露出N型GaN层；

制作P型电极和N型电极；以及

沉积钝化层，用以覆盖所述发光二极管除所述P型电极和所述N型电极的其他部分；

其中，在所述第一孔洞和所述第二孔洞上沉积所述钝化层之后形成复合式孔洞。

优选地，其中，在所述第一孔洞中垂直开孔所述第二孔洞。

优选地，其中，所述第一孔洞为方形、圆形或花瓣形，所述第二孔洞在所述第一孔洞的基础上相应地为方形、圆形或花瓣形。

优选地，其中，扩大所述透明导电层。

优选地，其中，对所述透明导电层的所述扩大的部分不进行有源区的刻蚀。

本发明提出的LED及其制作方法与现有的LED及其制作方法相比，具有以下优点：

1)在光型聚集区制作复合式开孔技术，一方面将光移至其他暗区，另一方面使光更容易提取，此方式制作的LED器件亮度高；

2)取消传统的切割道被刻蚀工艺还原切割道，扩大ITO与有源区面积，减小电流密度，降低电压，提高亮度。

3)LED器件的光型达到均匀，LED芯片上产生的温度也均匀，提高产品的可靠性，同时提高亮度，降低电压。

当然，实施本申请的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为传统Ⅲ族氮化物LED的剖面结构示意图；

图2为图1所示的传统Ⅲ族氮化物LED的二维发光图；

图3为图1所示的传统Ⅲ族氮化物LED的三维发光图；

图4为依据本发明一实施例的LED制作方法的流程示意图；

图5为利用图4的LED制作方法生产出的LED的剖面结构示意图；

图6为是复合式孔洞技术制作的LED芯片的发光图示意图；

图7为依据本发明另一实施例的LED制作方法的流程示意图；

图8为利用图7的LED制作方法生产出的LED的剖面结构示意图；

图9为是复合式孔洞和还原切割道技术制作的LED芯片的发光图示意图。

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。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

图4为依据本发明一实施例的LED制作方法的流程示意图。在本发明的一实施例中，对LED外延片做处理。其中LED外延片可以为市场上售卖的LED外延片，其结构如图1所示，包括衬底1，形成于衬底1顶面上的缓冲层2，形成于缓冲层2顶面上的N型GaN层3，形成于N型GaN层3顶面上的有源层4，形成于有源层4顶面上的P型GaN层5。具体制作方式如下述步骤。

步骤401，清洗外延片。

其中该外延片是在PSS蓝宝石衬底上生长的具有GaN基的外延片。

步骤402，沉积电流阻挡层。

在本发明的一实施例中，可采用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)沉积电流阻挡层。并进一步通过黄光光刻、湿法蚀刻等方法制作电流阻挡层图案。其中，腐蚀溶液为BOE，温度60～65℃，腐蚀时间为1～2分钟。

步骤403，蒸镀透明导电层。

在本发明的一实施例中，可采用电子束蒸发法蒸镀透明导电层，例如透明导电层材料是氧化铟锡(ITO)，镀膜速率为厚度为

步骤404，在透明导电层中开出第一孔洞及切割道区域，露出P型GaN层。

在本发明的一实施例中，可进一步通过黄光光刻、湿法蚀刻等制作ITO图案，同时在透明导电层中开出第一孔洞、PN型电极区域及切割道区域，露出P型GaN层。需注意的是，本发明并不限于第一孔洞的具体形状及/或大小。例如形状可以为方形、圆形、花瓣形等等。在本发明的一实施例中，腐蚀溶液为ITO蚀刻液，温度60～70℃，腐蚀时间4～5分钟。

步骤405，在第一孔洞的基础上开出第二孔洞、N型电极区域及切割道区域，露出N型GaN层。

在本发明的一实施例中，可采用黄光光刻、电感偶和等离子体(ICP)刻蚀、去胶清洗等方法在第一孔洞的基础上在P型GaN层、有源层、N型GaN层中开出第二孔洞、N型电极区域及切割道区域。在本发明的一实施例中在第一孔洞中继续垂直开出第二孔洞，制造出单颗芯粒的N-GaN发光区台面，露出N型GaN层及沟槽(切割道区域)。需注意的是，本发明并不限于第二孔洞的具体形状及/或大小。例如形状可以为方形、圆形、花瓣形等等。在本发明的一实施例中，采用花瓣形的第二孔洞，因为这种形状的孔洞使得光提取面积最大，角度最多。在本发明的另一实施例中，所述第二孔洞在所述第一孔洞的基础上相应地为方形、圆形或花瓣形。

步骤406，高温退火。

将上述步骤处理后的晶片进行高温退火，使ITO与P-GaN之间形成良好的欧姆接触，同时ITO更加致密，导电性更优。在本发明的一实施例中，退火方式使用炉管退火，温度为520℃，时间为10分钟。

步骤407、制作P型和N型电极。

用去离子水冲洗并甩干后，通过负胶光刻，并采用E-Gun蒸镀电极，经过剥离技术(lift off)、去胶清洗等步骤制作P型和N型电极。其中P型和N型电极材料均为Ni、Al、Cr、Ni和Au的复合材料，厚度分为30、2000、400、200、

步骤408，沉积钝化层。

对步骤407处理后的晶片进行清洗后采用PECVD方法沉积钝化层。在本发明的一实施例中，进一步通过黄光光刻、湿法蚀刻等步骤制作钝化层图案，覆盖除P型电极和N型电极的其他部分，仅露出P、N型电极。此时，钝化层在步骤404形成的第一孔洞和步骤405形成的第二孔洞上均匀铺设用以防止漏电，形成复合式孔洞。其中，使用的腐蚀溶液为BOE，室温腐蚀，腐蚀时间2～3分钟。

图5为利用图4的LED制作方法生产出的LED的剖面结构示意图。其中，图5与图1中相同结构的用相同的数字表示。如图5所示，待清洗的外延片包括衬底1，形成于衬底1顶面上的缓冲层2，形成于缓冲层2顶面上的N型GaN层3，形成于N型GaN层3顶面上的有源层4，形成于有源层4顶面上的P型GaN层5。6为依据上述步骤402沉积的电流阻挡层，7为依据上述步骤403蒸镀的透明导电层。1-1为依据上述步骤404在透明导电层开出的第一孔洞。需注意的是，本发明并不限于第一孔洞1-1的具体形状及/或大小。例如形状可以为方形、圆形、花瓣形等等。1-2为依据上述步骤405在P型GaN层、有源层、N型GaN层中开出的第二孔洞。在本发明的一实施例中，如图5所示在第一孔洞1-1中继续垂直开出第二孔洞1-2。需注意的是，本发明并不限于第二孔洞1-2的具体形状及/或大小。例如形状可以为方形、圆形、花瓣形等等。在本发明的一实施例中，采用花瓣形的第二孔洞1-2，因为这种形状的孔洞使得光提取面积最大，角度最多。8为依据上述步骤406和407制作的P型电极，9为依据上述步骤406和407制作的N型电极。10为依据上述步骤408制作的钝化层，1-3为依据步骤408在第一孔洞1-1和第二孔洞1-2上沉积钝化层10之后形成的复合式孔洞。

图6为是复合式孔洞技术制作的LED芯片的发光图示意图。依据图4的方法制作的LED芯片，用惠特6001点测的图(mapping)显示，该LED芯片片内生产综合良率达到95.6％，漏电良率为98％，其他电性参数正常。用远方积分球(HAAS-2000)测试封装芯粒，比现有方法制作的芯片亮度高5.6％，电压高0.03V，可靠性提高9.8％。虽然依据图4的方法制作的LED芯片亮度和可靠性得到提到，但电压却增高了，这将会导致芯片的寿命缩短。

图7为依据本发明另一实施例的LED制作方法的流程示意图。在本发明的一实施例中，对LED外延片做处理。其中LED外延片可以为市场上售卖的LED外延片，其结构如图1所示，包括衬底1，形成于衬底1顶面上的缓冲层2，形成于缓冲层2顶面上的N型GaN层3，形成于N型GaN层3顶面上的有源层4，形成于有源层4顶面上的P型GaN层5。具体制作方式如下述步骤。

步骤701，清洗外延片。

其中该外延片是在PSS蓝宝石衬底上生长的具有GaN基的外延片。

步骤702，沉积电流阻挡层。

在本发明的一实施例中，可采用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)沉积电流阻挡层，进一步通过黄光光刻、湿法蚀刻等方法制作电流阻挡层图案。其中，腐蚀溶液为BOE，温度60～65℃，腐蚀时间为1～2分钟。

步骤703，蒸镀透明导电层。

在本发明的一实施例中，可采用电子束蒸发法蒸镀透明导电层，例如透明导电层材料是氧化铟锡(ITO)，镀膜速率为厚度为

步骤704，在透明导电层中开出第一孔洞及切割道区域，露出P型GaN层并扩大ITO的面积。

在本发明的一实施例中，可进一步通过黄光光刻、湿法蚀刻等制作ITO图案，同时在透明导电层中开出第一孔洞、PN型电极区域及切割道区域，露出P型GaN层，同时扩大ITO的面积。需注意的是，本发明并不限于第一孔洞的具体形状及/或大小。例如形状可以为方形、圆形、花瓣形等等。在本发明的一实施例中，腐蚀溶液为ITO蚀刻液，温度60～70℃，腐蚀时间4～5分钟。

步骤705，在第一孔洞的基础上开出第二孔洞、N型电极区域，露出N型GaN层，对于ITO扩大面积的这部分的下面不进行P型GaN层，有源层，N型GaN层的刻蚀。

在本发明的一实施例中，可采用黄光光刻、电感偶和等离子体(ICP)刻蚀、去胶清洗等方法在第一孔洞的基础上在P型GaN层、有源层、N型GaN层中开出第二孔洞、N型电极区域。在本发明的一实施例中在第一孔洞中继续垂直开出第二孔洞，制造出单颗芯粒的N-GaN发光区台面，露出N型GaN层。需注意的是，本发明并不限于第二孔洞的具体形状及/或大小。例如形状可以为方形、圆形、花瓣形等等。在本发明的一实施例中，采用花瓣形的第二孔洞，因为这种形状的孔洞使得光提取面积最大，角度最多。在本发明的另一实施例中，所述第二孔洞在所述第一孔洞的基础上相应地为方形、圆形或花瓣形。请注意，在本发明的一实施例中，取消传统的切割道被刻蚀工艺，还原切割道，也就是，在步骤705中对于切割道这部分的ITO，蚀刻掉的面积缩小(远远缩小，如图8所示中2-2的位置)，也就是单颗芯粒ITO面积扩大，并且切割道这部分不进行有源区的刻蚀(也就是这个部分不刻蚀P型GaN层、有源层、N型GaN层)。

步骤706，高温退火。

将上述步骤处理后的晶片进行高温退火，使ITO与P-GaN之间形成良好的欧姆接触，同时ITO更加致密，导电性更优。在本发明的另一实施例中，退火方式使用炉管退火，温度为520℃，时间为10分钟。

步骤707、制作P型和N型电极。

用去离子水冲洗并甩干后，通过负胶光刻，并采用E-Gun蒸镀电极，经过剥离技术(lift off)、去胶清洗等步骤制作P型和N型电极。其中P型和N型电极材料均为Ni、Al、Cr、Ni和Au的复合材料，厚度分为30、2000、400、200、

步骤708，沉积钝化层。

对步骤707处理后的晶片进行清洗后采用PECVD方法沉积钝化层。在本发明的一实施例中，进一步通过黄光光刻、湿法蚀刻等步骤制作钝化层图案，覆盖除P型电极和N型电极的其他部分，仅露出P、N型电极。此时，钝化层在步骤704形成的第一孔洞和步骤705形成的第二孔洞上均匀铺设用以防止漏电，形成复合式孔洞。其中，使用的腐蚀溶液为BOE，室温腐蚀，腐蚀时间2～3分钟。

图8为利用图7的LED制作方法生产出的LED的剖面结构示意图。其中，图8与图5中相同结构的用相同的数字表示。如图8所示，待清洗的外延片包括衬底1，形成于衬底1顶面上的缓冲层2，形成于缓冲层2顶面上的N型GaN层3，形成于N型GaN层3顶面上的有源层4，形成于有源层4顶面上的P型GaN层5。6为依据上述步骤702沉积的电流阻挡层，7为依据上述步骤703蒸镀的透明导电层。1-1为依据上述步骤704在透明导电层开出的第一孔洞。需注意的是，本发明并不限于第一孔洞1-1的具体形状及/或大小。例如形状可以为方形、圆形、花瓣形等等。2-1为依据上述步骤704扩大透明导电层面积之后形成的ITO，扩大ITO面积用以减小电流密度，降低电压。1-2为依据上述步骤705在P型GaN层、有源层、N型GaN层中开出的第二孔洞。在本发明的一实施例中，如图8所示在第一孔洞1-1中继续垂直开出第二孔洞1-2。需注意的是，本发明并不限于第二孔洞1-2的具体形状及/或大小。例如形状可以为方形、圆形、花瓣形等等。在本发明的一实施例中，采用花瓣形的第二孔洞1-2，因为这种形状的孔洞使得光提取面积最大，角度最多。2-2为取消传统的切割道被刻蚀工艺，还原的有源区，用以减小电流密度并增加发光区的面积，从而提高亮度并降低电压。即这个部分不刻蚀P型GaN层、有源层、N型GaN层。8为依据上述步骤706和707制作的P型电极，9为依据上述步骤706和707制作的N型电极。10为依据上述步骤408制作的钝化层，1-3为依据步骤708在第一孔洞1-1和第二孔洞1-2上沉积钝化层10之后形成的复合式孔洞。

图9为是复合式孔洞和还原切割道技术制作的LED芯片的发光图示意图。依据图7的方法制作的LED芯片，用惠特6001点测的图(mapping)显示，该LED芯片片内生产综合良率达到95.6％，漏电良率为98％，其他电性参数正常。用远方积分球(HAAS-2000)测试封装芯粒，比现有方法制作的芯片亮度高6.8％，电压低0.05V，可靠性提高15.6％。与图4的方法制作的LED芯片相比，提高亮度的同时还降低电压，增加了芯片的寿命。

由上述可知，本发明提出的LED及其制作方法与现有的LED及其制作方法相比，区别在于在光型聚集区制作复合式开孔技术，如图5和图8所示的复合式孔洞1-3。另一区别在于还原ITO的面积，也就是ITO被蚀刻的面积缩小；同时扩大有源区面积，取消传统的切割道被刻蚀工艺，还原切割道，即这个部分不刻蚀P型GaN层、有源层、N型GaN层达到扩大有源区面积，如图8所示的2-2的位置。

本发明提出的方法具有以下优点：

1)利用孔洞将光移至其他暗区，使光更容易提取，如此器件亮度高，电压也高；

2)取消传统的切割道被刻蚀工艺还原切割道，扩大ITO与有源区面积，减小电流密度，降低电压，提高亮度。

3)LED器件的光型达到均匀，LED芯片上产生的温度也均匀，提高产品的可靠性，同时提高亮度，降低电压。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者***中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种发光二极管制作方法，所述发光二极管包括衬底，位于所述衬底之上的缓冲层，

位于所述缓冲层之上的N型GaN层，位于所述N型GaN层之上的有源层以及位于所述有源层之上的P型GaN层，其特征在于，所述方法包括：

沉积电流阻挡层于所述P型GaN层之上，在所述电流阻挡层表面通过黄光刻蚀或湿法刻蚀进行图案化，其中，所述湿法刻蚀的腐蚀溶液为BOE，腐蚀温度60～65℃，腐蚀时间为1～2分钟；

蒸镀透明导电层于所述电流阻挡层之上，所述透明导电层的材料为氧化铟锡，所述透明导电层的镀膜速率为厚度为所述透明导电层通过黄光刻蚀或湿法刻蚀进行图案化，其中，所述湿法刻蚀的腐蚀溶液为ITO刻蚀液，腐蚀温度60～70℃，腐蚀时间为4～5分钟；

在所述透明导电层中开出第一孔洞及切割道区域，用于露出所述P型GaN层，所述第一孔洞为方形、圆形或花瓣形；

第二孔洞在所述第一孔洞中垂直开孔，在所述第一孔洞的基础上开出第二孔洞、N型电极区域，用于露出N型GaN层，所述第二孔洞在所述第一孔洞的基础上相应地为花瓣形，对于ITO扩大面积的部分的下面不进行P型GaN层，有源层，N型GaN层的刻蚀；

制作P型电极和N型电极；以及

沉积钝化层，用以覆盖所述发光二极管除所述P型电极和所述N型电极的其他部分；

其中，在所述第一孔洞和所述第二孔洞上沉积所述钝化层之后形成复合式孔洞。