CN106549087A - 一种高亮度led芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高亮度LED芯片的制备方法，通过控制ITO导电扩展层的蒸镀环境来控制薄膜的结晶质量，从而改善薄膜的电阻率，控制薄膜的方块电阻，蒸镀ITO的过程中腔体温度保持在290～310℃，氧气流量为5～15sccm，腔体真空度保持在5×10^‑4～1×10^‑5，在此条件下可达到减薄ITO导电扩展层的同时，又不会改片ITO方阻的效果，即不会使LED芯片的工作电压上升。经过实验验证，本发明方法制作的LED芯片与传统LED芯片相比，可以大大提高LED芯片发光亮度与效率。

Description

一种高亮度LED芯片的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体LED领域，特别的，涉及一种高亮度LED芯片的制备方法。

背景技术

GaN材料具有宽禁带、高电子漂移饱和速度、高热导率、化学稳定性好等众多优势，但是由于难得到GaN体单晶、外延层位错密度大、存在较高的N型背景载流子浓度及P型掺杂效果不佳等因素限制了其发展，近年来随着技术的进步，内量子效率已经取得了较大的进步，但是外量子效率不高。为了提高发光管的外量子效率，获得高性能发光二极管，从芯片技术角度来看，已经出现了以下芯片技术。

1、改变芯片外形的技术：当光发射点处于球的中心时，全反射角问题消失，球形芯片可以获得最佳的出光效率。改变芯片几何形状来提升出光效率的想法早在20世纪就用于二极管芯片，但由于成本原因一直无法实现。直到1999年，美国惠普公司开发了截顶倒金字塔型技术，使LED的外量子效率达到55％。

2、键合技术：为了更有效地散热和降低结温，可通过除掉原来用于生长外延层的衬底，将外延层键合转移到导电和导热性能良好的衬底上。2001年，Cree推出的XBTM系列背面出光功率型芯片，采用键合技术，在400mA工作电流下，波长405nm和470nm的输出光功率分别为250mW、150mW。

3、倒装芯片技术：倒装焊技术不仅能增大芯片输出功率，提高出光效率，还能降低热阻，使发光的PN结靠近热沉，提高器件可靠性。2001年美国lumileds公司采用倒装焊技术在大功率AlINGaN基芯片上的应用，外量子效率达到21％，功率转换效率达到20％。

4、全方位反射膜/微镜：金属基全方位反射膜可应用于正装芯片也可应用于倒装芯片，都可有效提升出光效率。ODR反射镜结构比平板反射镜提高了反射效率为4％左右，对大角度的光来说，反射效率提高了10％-20％。

5、金属键合剥离技术：最早采用大衬底剥离技术的是美国HP公司，将GaAs衬底与外延片剥离，然后将外延片粘接在透明的GaP衬底上，发光效率可以提高近两倍。

以上5种芯片技术分别是通过改变芯片的外形结构、更换衬底、改变芯片封装结构、增加反射膜及剥离衬底方式来提高LED芯片的出光效率，但是在提高出光效率的同时，又增加了其他的工艺，并没有简化LED芯片的结构和制作工艺。

另外，中国专利200910202034.8公开了一种提高LED芯片亮度的方法，该方案也只需要用激光划片技术将形成的芯片单元划开，划至蓝宝石衬底，再对划道侧壁用溶液腐蚀，在N-GaN层形成渐变倒三角结构，该方案加工步骤多，工序复杂。

另有中国专利201010120594.1公开了一种蒸镀ITO的方法，该方案通过使改变ITO的厚度使ITO的阻值与外延层相匹配来使电流扩展均匀，进而提高LED芯片亮度，该方案中ITO阻值需要根据外延层而改变，不利于大量生产；另外，该方案中的蒸镀条件需要在真空度达5×10^-6Torr以上的高真空度的条件下进行，对设备要求高，不利于成本控制。

因此，需要一种方案，在改善LED芯片的出光率的同时，ITO的电阻不会发生改变，且又不会增加LED芯片制作工序。

发明内容

本发明目的在于提供一种高亮度LED芯片的制备方法，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高亮度LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

1)在衬底上制作外延层；

2)外延层上蒸镀厚度为的ITO导电扩展层，ITO导电扩展层的成分为铟锡氧化物，蒸镀条件为：腔体温度保持在290～310℃，氧气流量为5～15sccm，腔体真空度保持在5×10^-4～1×10^-5Torr；

3)根据所需获得的晶粒图形与结构，将不需要的ITO导电扩展层与外延层刻蚀掉；

4)制作电极与钝化层；

5)对承载所述LED芯片的晶圆进行减薄、背镀、裂片、分选处理得到晶粒。

步骤1中衬底上制作的外延层厚度为3～8μm。

步骤2中采用电子束蒸发设备进行蒸镀。

所述衬底可为蓝宝石、碳化硅、硅或其他适合生长外延层的材料。

所述铟锡氧化物中，铟锡原子数量比为95：5。

进一步的，通过步骤3在导电扩展层与外延层上刻蚀有宽度为10～30μm的台阶，台阶的深度为1～2μm，并使外延层中的N型GaN层露出，步骤3还在ITO导电扩展层上刻蚀有用于制作电极的孔洞，孔洞将外延层最末一层的P型GaN层露出，LED芯片的两个电极一个制作在台阶上，另一个制作在孔洞内。

优选的，所述钝化层采用绝缘透明的氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种。

所述钝化层的厚度为

有益效果：本发明在外延层表面蒸镀一层成分为氧化铟锡薄膜(即ITO导电扩展层)，通过将ITO导电扩展层减薄至来提高LED芯片的出光效率，由于单纯的减薄会导致薄膜的方块电阻上升，导致LED芯片的工作电压上升，而LED芯片的工作电压上升会导致LED芯片的发光效率降低，本发明通过控制ITO导电扩展层的蒸镀环境(腔体温度保持在290～310℃，氧气流量为5～15sccm，腔体真空度保持在5×10^-4～1×10^-5)来控制薄膜的结晶质量，从而改善薄膜的电阻率，控制薄膜的方块电阻，达到在减薄ITO导电扩展层的同时，又不会使LED芯片的工作电压上升。经过实验验证，本发明方法制作LED芯片与传统LED芯片相比，可以大大提高LED芯片发光亮度。

另外，随着ITO导电扩展层的减薄，薄膜对光的吸收明显下降，同时机台运行时间也明显缩短，对生产效率提升有明显改善，适于大量生产，有利于降低成本。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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是本发明优选实施例的LED芯片层间结构图。

图中：11-蓝宝石衬底，22-缓冲层，33-N型GaN层，44-多层量子阱，55-P型GaN层，66-ITO导电扩展层，661-孔洞，88-P型电极，99-N型电极，100-台阶。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

以下实施例及对比例中均以蓝宝石为衬底制作GaN基LED蓝光芯片，每个实施例及对比例制作1000片wafer(晶圆片)样品，在每一片晶圆片上制作1000颗晶粒，每颗晶粒尺寸为18mil*35mil。

参见图1的高亮度LED芯片，本发明有以下几种具体实施过程：

实施例一

在蓝宝石衬底11生长外延层，外延层包括依次生长的缓冲层22、N型GaN层33、多层量子阱44与P型GaN层55，外延层厚度6μm，用电子束蒸发机台蒸镀一层厚度的ITO导电扩展层66，蒸镀条件：腔体温度290℃，氧气流量5sccm，镀膜过程腔体真空度5.0×10^-5～7.0×10^-5Torr，共用时150min(含灯丝加热升温时间、抽真空时间、其它必要准备时间及蒸镀时间)，接着用光刻工艺暴露出多余的ITO导电扩展层，用FeCl₃与HCl的混合溶液湿法蚀刻掉暴露的ITO导电扩展层，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶100和N型GaN层，刻蚀深度1.3-1.5μm，在ITO导电扩展层的孔洞661内制作P型电极88，在N型GaN台阶上制作N型电极99，然后用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)沉积SiO2制作钝化层，然后测试金属电极与导电扩展层之间的粘附力，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等。测试电流150mA，芯片发光亮度170mW，正向工作电压3.025V，抽真空时间135分钟，加热灯丝平均寿命2050小时/盏。

实施例二

在蓝宝石衬底上生长外延层，外延层厚度6μm，用电子束蒸发机台蒸镀一层厚度的ITO导电扩展层，蒸镀条件：腔体温度300℃，氧气流量10sccm，镀膜过程腔体真空度1.0×10^-5～3.0×10^-5Torr，共用时152min，接着进行光刻工艺暴露出多余的ITO导电扩展层，用FeCl₃与HCl的混合溶液湿法蚀刻掉暴露的ITO导电扩展层，并在ITO导电扩展层上刻蚀孔洞，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶和N型GaN层，刻蚀深度1.3-1.5μm，在ITO导电扩展层上制作P型电极，在N型GaN上制作N型电极，然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，然后测试金属电极与导电扩展层之间的粘附力，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等。测试电流150mA芯片发光亮度175mW，正向工作电压3.027V，抽真空时间140分钟，加热灯丝平均寿命2000小时/盏。

实施例三

在蓝宝石衬底上生长外延层，外延层厚度6μm，用电子束蒸发机台蒸镀一层厚度的ITO导电扩展层，蒸镀条件：腔体温度300℃，氧气流量12sccm，镀膜过程腔体真空度6.0×10^-5～7.0×10^-5Torr，共用时145min，接着进行光刻工艺暴露出多余的ITO导电扩展层，用FeCl₃与HCl的混合溶液湿法蚀刻掉暴露的导电扩展层，并在ITO导电扩展层上刻蚀孔洞，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶和N型GaN层，刻蚀深度1.3-1.5μm，在ITO导电扩展层的孔洞内制作P型电极，在N型GaN上制作N型电极，然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，然后测试金属电极与导电扩展层之间的粘附力，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等。测试电流150mA，芯片发光亮度178mW，正向工作电压3.028V，抽真空时间132分钟，加热灯丝平均寿命2050小时/盏。

实施例四

在蓝宝石衬底上生长外延层，外延层厚度6μm，用电子束蒸发机台蒸镀一层厚度的ITO导电扩展层，蒸镀条件：腔体温度310℃，氧气流量15sccm，镀膜过程腔体真空度4.0×10^-4～5.0×10^--4Torr，共用时120min，接着进行光刻工艺暴露出多余部分导电扩展层，用FeCl₃与HCl的混合溶液湿法蚀刻掉暴露的导电扩展层，并在ITO导电扩展层上刻蚀孔洞，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶和N型GaN层，刻蚀深度1.3-1.5μm，在导电扩展层上制作P型电极，在N型GaN上制作N型电极，然后用PECVD沉积SiO2制作钝化层，然后测试金属电极与导电扩展层之间的粘附力，接着完成后工艺步骤晶圆减薄、背镀反射层、切割裂片、点测分选等。测试电流150mA，芯片发光亮度185mW，正向工作电压3.032V，抽真空时间110分钟，加热灯丝平均寿命1950小时/盏。

对比例一

对比例一蒸镀条件：腔体温度310℃，氧气流量16sccm，镀膜过程腔体真空度4.0×10^-4～5.0×10^--4Torr，其余参数与实施例四相同，共用时120min。测试电流150mA，芯片发光亮度187mW，正向工作电压3.102V，抽真空时间110分钟，加热灯丝平均寿命1950小时/盏。

对比例二

对比例二蒸镀条件：腔体温度290℃，氧气流量4sccm，镀膜过程腔体真空度5.0×10^-5～7.0×10^-5Torr，其余参数与实施例一相同，共用时160min。测试电流150mA，芯片发光亮度160mW，正向工作电压3.001V，抽真空时间135分钟，加热灯丝平均寿命2050小时/盏。

对比例三

对比例三蒸镀条件：腔体温度310℃，氧气流量15sccm，镀膜过程腔体真空度6.0×10^-4～7.0×10^-4Torr，其余参数与实施例四相同，共用时110min。测试电流150mA，芯片发光亮度175mW，正向工作电压3.092V，抽真空时间100分钟，加热灯丝平均寿命1950小时/盏。

对比例四

对比例四蒸镀条件：腔体温度300℃，氧气流量10sccm，镀膜过程腔体真空度8.0×10^-6～9.0×10^-6Torr，其余参数与实施例二相同，共用时177min。测试电流150mA，芯片发光亮度172mW，正向工作电压3.053V，抽真空时间165分钟，加热灯丝平均寿命2000小时/盏。

对比例五

对比例五蒸镀条件：腔体温度285℃，氧气流量5sccm，镀膜过程腔体真空度5.0×10^-5～7.0×10^-5Torr，其余参数与实施例一相同，共用时150min。测试电流150mA，芯片发光亮度165mW，正向工作电压3.121V，抽真空时间135分钟，加热灯丝平均寿命2100小时/盏。

对比例六

对比例六蒸镀条件：腔体温度315℃，氧气流量15sccm，镀膜过程腔体真空度4.0×10^-4～5.0×10^-4Torr，其余参数与实施例四相同，共用时120min。测试电流150mA，芯片发光亮度187mW，正向工作电压3.045V，抽真空时间110分钟，加热灯丝平均寿命1500小时/盏。

各实施例与对比例的效果对比如表1。

表1

从表1的实施例一至实施例四可以看出，当氧气流量位于5～15sccm之间，且腔体温度保持在290～310℃，腔体真空度保持在5×10^-4～1×10^-5Torr时，ITO厚度从减薄至芯片的发光亮度逐渐上升，同时工作电压基本维持不变，工作电压基本维持不变反应了ITO方块电阻也基本维持不变，即本专利的制备方法在减薄ITO厚度的同时，还能基本维持方块电阻不变，即提高芯片的发光亮度的同时，不增加能耗，提升芯片效率。

从对比例一可以看出，当氧气流量大于15sccm时，芯片发光亮度只有小幅提升，但工作电压增加的幅度较大；从对比例二可以看出，当氧气流量小于5sccm时，虽然工作电压减小，但LED芯片的发光亮度减小的幅度变大；从对比例三可以看出，当真空度小于5×10^-4时，相对于实施例四，电压上升且亮度也大幅降低；从对比例四可以看出，当真空度大于1×10^-5时，电压相对实施例二只有小幅上升，但抽真空时间大幅增加，不利于生产效率的提高与大量生产；从对比例五可以看出，当温度低于290℃时，电压相对实施例一大幅上升；从对比例六可以看出，当温度高于310℃时，灯丝寿命相对于实施例四大大降低。因此，本发明选取最合适的氧气流量区间5～15sccm、温度区间290～310℃、真空度5×10^-4～1×10^-5以实现提高LED亮度且又不增加方阻的技术效果，且不增加成本，适合大量生产。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在衬底上制作外延层；

2)在外延层上蒸镀厚度为的ITO导电扩展层，ITO导电扩展层的成分为铟锡氧化物，蒸镀条件为：腔体温度保持在290～310℃，氧气流量5～15sccm，腔体真空度保持在5×10^-4～1×10^-5Torr；

3)根据所需获得的晶粒图形与结构，将不需要的ITO导电扩展层与外延层刻蚀掉；

4)制作电极与钝化层；

5)对承载所述LED芯片的晶圆进行减薄、背镀、裂片、分选处理得到晶粒。

2.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，步骤1中衬底上制作的外延层厚度为3～8μm。

3.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，步骤2中采用电子束蒸发设备进行蒸镀。

4.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，所述铟锡氧化物中，铟锡原子数量比为95：5。

6.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，通过步骤3在导电扩展层与外延层上刻蚀有宽度为10～30μm的台阶，台阶的深度为1～2μm，并使外延层中的N型GaN层露出，步骤3还在ITO导电扩展层上刻蚀有用于制作电极的孔洞，孔洞将外延层最末一层的P型GaN层露出，LED芯片的两个电极一个制作在台阶上，另一个制作在孔洞内。

7.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，所述钝化层采用绝缘透明的氧化硅、氮化硅、氧化铝中的任意一种。

8.根据权利要求7所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，所述钝化层的厚度为

9.根据权利要求1所述的一种高亮度LED芯片的制备方法，其特征在于，步骤2中蒸镀的ITO导电扩展层厚度为