一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法

2023-09-19 16:05:35

一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法
【專利摘要】本發明涉及一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，包括步驟如下：（1）利用現有的光刻工藝對反極性AlGaInP基LED的mesa圖形外延片進行曝光與顯影，在所述mesa圖形外延片四周形成定周期性邊緣圖形；（2）利用所述含飽和Br2去離子水對步驟（1）顯影完成的所述mesa圖形外延片進行腐蝕；（3）對步驟（2）腐蝕後的mesa圖形外延片按照常規工藝進行清洗、去膠處理，形成與所述周期性邊緣圖形形狀對應的粗化側壁。本發明首次提出利用光刻技術實現LED晶片的側壁粗化，與現有技術相比本發明極大的提升了LED的光提取效率特別是LED晶片側面的光提取效率，改善LED器件的外量子效率，降低內部發熱，延長LED的工作壽命。
【專利說明】 一種反極性AI Ga I nP基LED側壁粗化方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，屬於發光二極體製造的【技術領域】。

【背景技術】
[0002]上世紀50年代，在IBM Thomas J.Watson Research Center為代表的諸多知名研究機構的努力下，以GaAs為代表的II1-V族半導體在半導體發光領域迅速崛起。之後隨著金屬氧化物化學氣相沉積(MOCVD)技術的出現，使得高質量的II1- V族半導體的生長突破了技術勢壘，各種波長的半導體發光二極體器件相繼湧入市場。由於半導體發光二極體相對於目前的發光器件具有理論效率高、壽命長、抗力學衝擊等特質，在世界範圍內被看作新一代照明器件。但是由於II1- V族半導體的折射率普遍較高(GaAs:3.2，GaN:2.4)，這就導致LED的發光區域發出的光線在經晶片表面出射到空氣中時受制於界面全反射現象，只有極少部分的光可以出射到器件外部(GaAs約為2.4%，GaN約為4%)。界面全反射現象導致LED的外量子效率低下，是制約LED替代現有照明器件的主要原因。
[0003]1969年Nuese等人在 J.Electrochem Soc.:Solid State Sc1.發表了利用環氧樹脂封裝LED晶片的方法，將紅光GaAs基LED的外量子效率提高了 1_2倍。在GaAs材料與空氣之間加入一層折射率為1.5的環氧樹脂可以有效增大全反射臨界角度,使得更多的光線可以出射到LED器件外部。但是此方法引入的仍舊是平整出光表面，對於外量子效率的提高有限，並且多引入了一層界面亦會導致界面菲涅爾損耗，同時樹脂材料的輻照老化也會導致光提取效率下降。
[0004]1993年，Schnitzer等人在Appl.Phys.Lett.首先提出利用刻蝕的方法對半導體材料出光表面進行粗化從而提高LED晶片的外量子效率的方法，得到了 50%的光提取效率。表面粗化提高LED晶片光引出效率的原理是利用LED出光表面的凹凸結構，將全反射角度的光線散射出或者引導出晶片，從而增加可以出射到LED外部的光線比例。此後，Windisch在IEEE Trans.Electron Dev.以及Appl.Phys.Lett.等期刊報導了類似的方法對LED出光表面進行粗化。利用刻蝕的方法對LED出光表面進行粗化的不足之處在於:(I)刻蝕對於半導體材料的載流子輸運性質具有很大的破壞性，使得LED的電學性能明顯降低；(2)刻蝕設備的購置及使用成本異常高昂，使得LED的成本大幅度上升；(3)利用刻蝕對LED出光表面進行粗化的形貌及尺寸沒有辦法進行控制和優化；(4)加工時間較長，生產效率較低。
[0005]對GaAs、GaP以及GaN等II1- V族半導體材料進行化學腐蝕的方法屈指可數。1998年，Stocker在Appl.Phys.Lett.發表文章,報導了利用熱KOH溶液或者熱H3PO4成功實現了 GaN材料的腐蝕，對LED進行有效的粗化，並得到了 50%的光提取效率。利用化學腐蝕的方法對LED出光表面進行粗化的不足在於:(1)難以精確控制腐蝕的速率和深度，這是由化學方法的內在缺陷決定的；(2)易受外部環境溫度等因素的影響，難以得到高重複性的粗化LED晶片；(3)腐蝕得到的結構單一，難以針對光提取效果進行優化。(4)加工時間較長，生產效率較低。
[0006]在半導體材料的外延過程中進行一定的設計和調控，也可以達到對LED出光表面進行粗化的結果，如中國專利文件CN101521258提供一種提高發光二極體外量子效率的方法，該方法是通過發光二極體外延片結構中P型層的生長時提高P型層Mg的摻雜濃度，從而達到外延片表面粗糙化的效果。粗化層可以是P型複合層中任意一層，或多層，或某一層某一個區域。LED表面粗化層將那些滿足全反射定律的光改變方向，破壞光線在LED內部的全反射，提升出光效率，從而提高外量子效率。但在外延生長過程中獲得高Mg摻雜濃度的ρ-GaN難度極大，此法較難工業化。且改變外延生長參數會導致LED晶片電學以及光學性質的下降。此法粗化表面粗糙度有限，難以達到理想的光引出效率的提高。
[0007]中國專利文件CN101494272提供一種能使LED的P-GaN層表面粗化的製作方法，首先在半導體襯底上依次生長出n-GaN層、量子阱層、p_GaN層及非摻雜的粗化GaN層，然後採用ICP或離子幹法刻蝕所述非摻雜的粗化GaN層以使所述非摻雜的粗化GaN層的粗化表面形狀轉移至所述P-GaN層，從而使所述p-GaN層表面粗化。但該發明受限於ICP刻蝕的技術瓶頸，有損LED器件的電學性能，過多的ICP刻蝕有可能導致晶片漏電，成品率下降。另外,此方法製備LED晶片產品成本高，刻蝕成本昂貴。
[0008]中國專利文件CN101656285提供一種利用PS球作模板製作發光二極體粗化表面的方法。包括步驟:(1)按常規外延生長外延片；(2)在外延生長的P型接觸層上鋪設一層由PS球緊密排布組成的單層膜；(3)以矽酸四乙酯、金屬的氯化物或硝酸鹽為前軀體，將前軀體、乙醇和水混合後填充在單層膜的PS球與P型接觸層之間的間隙中，室溫靜置並加熱分解為相應的氧化物；(4)將外延片置於二氯甲烷中，用二氯甲烷溶解去除掉PS球，在PS球與P型接觸層之間的間隙中形成的氧化物按碗狀周期排列結構保留在P型接觸層上；
(5)用形成的氧化物作掩膜，幹法刻蝕P型接觸層，形成粗化表面；(6)腐蝕掉殘留的氧化物。該發明可得到刻蝕周期和深度可控的粗化LED表面。此方法利用PS微球作為模板通過ICP刻蝕對p-GaN表面進行粗化工序繁瑣，使用PS微球價格貴，使得LED晶片成本大幅提高，不適宜與LED生產工藝相結合。且ICP刻蝕不利於LED器件的電學性能。
[0009]中國專利文件CN101656284公開了一種利用ITO顆粒掩膜粗化紅光發光二極體的方法。利用ITO顆粒掩膜粗化紅光發光二極體的方法，在外延生長的P型接觸層上用電子束濺射一層厚260nm的ITO薄膜；腐蝕掉部分ΙΤ0，殘留的顆粒狀的ITO作掩膜，幹法刻蝕P型接觸層，形成粗化表面；此方法需要兩次蒸鍍ITO電流擴展層，成本較正常LED工藝明顯提高。也存在ICP刻蝕工藝的問題。且此法使用的濃鹽酸具有強腐蝕性及強揮發性。
[0010]中國專利文件CN101226977提供了 GaN基發光二極體表面粗化的處理方法，在600°C?750°C的低溫條件下，生長GaN基發光二極體外延片中的P型GaN帽層，使該帽層的位錯沿垂直於外延表面的方向傳播，不發生彎曲，從而使該帽層的位錯密度增大而不影響器件的光電特性；在設定的腐蝕溫度和時間下用熔融的KOH腐蝕發光二極體外延片，P型GaN層內高密度的垂直於外延表面的位錯被選擇性腐蝕，在器件表面形成密集的形狀規則的腐蝕坑。此法對於半導體材料的外延生長要求較高，不易實現，控制難度極大。
[0011]由於四元磷化物半導體材料的各向異性腐蝕特徵明顯，如本發明中所述的AlGaInP基，採用傳統mesa腐蝕方法很難實現對其側壁形貌的控制，無法得到優良的側壁腐蝕形貌。


【發明內容】

[0012]針對現有技術的不足，本發明提供一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法。此方法不需要ICP刻蝕，保護LED器件的電學性能，降低生產成本，加工效率較高，無需引入額外工藝流程，可與現有LED製程無縫集成。
[0013]術語解釋:
[0014]mesa圖形:在晶圓上，器件與器件之間的隔離圖形，也稱為臺面。
[0015]反極性AlGaInP基LED:經過襯底剝離與鍵合過程的AlGaInP基LED晶片，η電極在上，P電極在下，因此通常稱為反極性LED。
[0016]本發明技術方案如下:
[0017]一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，包括步驟如下:
[0018](I)利用現有的光刻工藝對反極性AlGaInP基LED的mesa圖形外延片進行曝光與顯影，在所述mesa圖形外延片四周形成定周期性邊緣圖形；
[0019](2)將Br2加至去離子水中至飽和，形成含飽和Br2去離子水，利用所述含飽和Br2去離子水對步驟(I)顯影完成的所述mesa圖形外延片進行腐蝕；其腐蝕深度貫穿外延結構，延伸至鍵合層；
[0020](3)對步驟(2)腐蝕後的mesa圖形外延片按照常規工藝進行清洗、去膠處理，形成與所述周期性邊緣圖形形狀對應的粗化側壁。上述步驟完成後，直接進行後續LED晶片製作工藝。
[0021]根據本發明優選的，步驟(I)所述的周期性邊緣圖形的周期t為I μ m-20 μ m。
[0022]根據本發明優選的，所述周期性邊緣圖形為錐形齒，每個錐形齒的底邊長度a為I μ m-20 μ m。
[0023]根據本發明優選的，所述周期性邊緣圖形為圓形齒，所述每個圓形齒的底邊長度b為 I μ m-20 μ m。
[0024]本發明的優點在於:
[0025]本發明首次提出利用光刻技術實現LED晶片的側壁粗化，與現有技術相比本發明的優良效果如下:
[0026]I)本發明極大的提升了 LED的光提取效率特別是LED晶片側面的光提取效率，改善LED器件的外量子效率，降低內部發熱，延長LED的工作壽命。
[0027]2 )本發明的LED側壁粗化方法無需弓I入額外工藝流程，沒有明顯的成本提升。
[0028]3)本發明由於避免了使用ICP刻蝕，對於LED晶片的電學性質無損傷。
[0029]4)本發明的LED側壁粗化方法還具有加工速度快、加工面積大、粗化效果好等特點。經過此方法粗化的LED晶片光提取效率相對於傳統平板晶片可以增加30%以上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為實施例1中未進行本發明所述側壁粗化的mesa光刻圖形結構；
[0031]圖2為實施例1中進行本發明所述側壁粗化的mesa光刻圖形結構；
[0032]圖3為實施例1中進行本發明所述側壁粗化的mesa光刻圖形結構中圓形齒的尺寸標示圖；
[0033]圖4為實施例2中進行本發明所述側壁粗化的mesa光刻圖形結構；
[0034]圖5為實施例2中進行本發明所述側壁粗化的mesa光刻圖形結構中錐形齒的尺寸標示圖。

【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明，但不限於此。
[0036]實施例1、
[0037]如圖1-3所示。
[0038]一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，包括步驟如下:
[0039](I)利用現有的光刻工藝對反極性AlGaInP基LED的mesa圖形外延片進行曝光與顯影，在所述mesa圖形外延片四周形成定周期性邊緣圖形；所述的周期性邊緣圖形的周期t為I μ m ;所述周期性邊緣圖形為圓形齒,所述每個圓形齒的底邊長度b為I μ m ;
[0040](2)將Br2加至去離子水中至飽和，形成含飽和Br2去離子水，利用所述含飽和Br2去離子水對步驟(I)顯影完成的所述mesa圖形外延片進行腐蝕；其腐蝕深度貫穿外延結構，延伸至鍵合層；
[0041](3)對步驟(2)腐蝕後的mesa圖形外延片按照常規工藝進行清洗、去膠處理，形成與所述周期性邊緣圖形形狀對應的粗化側壁。上述步驟完成後，直接進行後續LED晶片製作工藝。
[0042]實施例2、
[0043]如圖4、5所示。一種如實施例1所述的一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，其區別在於，
[0044]步驟(I)所述的周期性邊緣圖形的周期t為20μπι。所述周期性邊緣圖形為錐形齒，每個錐形齒的底邊長度a為20 μ m ;所述錐形齒的高度h為35 μ m。
[0045]實施例3、
[0046]一種如實施例1所述的一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，其區別在於，所述的周期性邊緣圖形的周期t為10 μ m ;所述周期性邊緣圖形為圓形齒，所述每個圓形齒的底邊長度b為10 μ m。
[0047]實施例4、
[0048]一種如實施例1所述的一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，其區別在於，步驟(I)所述的周期性邊緣圖形的周期t為10 μ m。所述周期性邊緣圖形為錐形齒，每個錐形齒的底邊長度a為10 μ m ;所述錐形齒的高度h為10 μ m。
[0049]實施例5、
[0050]一種如實施例1所述的一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，其區別在於，步驟(I)所述的周期性邊緣圖形的周期t為Ιμπι。所述周期性邊緣圖形為錐形齒，每個錐形齒的底邊長度a為I μ m ;所述錐形齒的高度h為3 μ m。
【權利要求】
1.一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，其特徵在於，該方法包括步驟如下: (1)利用現有的光刻工藝對反極性AlGaInP基LED的mesa圖形外延片進行曝光與顯影，在所述mesa圖形外延片四周形成定周期性邊緣圖形； (2)將Br2加至去離子水中至飽和，形成含飽和Br2去離子水，利用所述含飽和Br2去離子水對步驟(I)顯影完成的所述mesa圖形外延片進行腐蝕；其腐蝕深度貫穿外延結構，延伸至鍵合層； (3)對步驟(2)腐蝕後的mesa圖形外延片按照常規工藝進行清洗、去膠處理，形成與所述周期性邊緣圖形形狀對應的粗化側壁。上述步驟完成後，直接進行後續LED晶片製作工藝。
2.根據權利要求1所述的一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，其特徵在於，步驟(I)所述的周期性邊緣圖形的周期t為I μ m-20 μ m。
3.根據權利要求1所述的一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，其特徵在於，所述周期性邊緣圖形為錐形齒，每個錐形齒的底邊長度a為I μ m-20 μ m。
4.根據權利要求1所述的一種反極性AlGaInP基LED側壁粗化方法，其特徵在於，所述周期性邊緣圖形為圓形齒，所述每個圓形齒的底邊長度b為I μ m-20 μ m。
【文檔編號】H01L33/00GK104078535SQ201310108349
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年3月31日 優先權日:2013年3月31日
【發明者】左致遠, 陳康, 夏偉 申請人:山東華光光電子有限公司