具有導光柱的高壓led晶片及其製備方法

2023-10-17 21:50:39 1

專利名稱：具有導光柱的高壓led晶片及其製備方法
技術領域：
本發明涉及LED晶片領域，特別涉及高壓LED晶片的製備技術。
背景技術：
隨著外延生長技術的完善和多量子阱結構的發展，高亮度LED的內量子效率已有了很大的改善。目前，LED晶片的光提取效率已經成為限制LED發光效率的主要因素。現有提高晶片的光提取效率的技術途徑，主要有晶片塑性技術、分布布拉格(DBR)反射鏡技術、倒裝技術、表面粗化技術和光子晶體技術。這些技術都在不同程度上提高了 GaN基發光二極體的發光亮度，但它們都集中於改善晶片的正面的出光效率。發光二極體發光的性質為自發輻射，沒有方向性，可以近似看作各向同性發光。因此，以上技術對LED晶片的側面發光出光效率並無改善。 現有的提高側面出光效率的技術有六邊形晶片以及平行四邊形晶片，通過改變多邊形內角的大小，使在晶片某一側面發生全反射的光線可在另一側面出射，達到提高光提取效率的目的，但是這種多邊形的晶片外形在晶片切割方面具有一定難度，不利於大規模量產。

發明內容
針對LED晶片面臨的主要問題，本發明提供了具有導光柱的高壓LED晶片，該結構製作方便，能夠提高高壓LED晶片的出光效率。本發明採用如下技術方案
一種具有導光柱的高壓LED晶片，通過光刻工藝，在高壓晶片每顆晶粒單元的側面形成具有傾斜角度的導光柱，所述側面包含外延層側面和襯底側面，導光柱的橫截面形狀是波浪形、三角形或半圓形的周期性結構。進一步改進的，所述每顆晶粒單元的側面具有正梯形底角的傾斜角度，正梯形的底角是30° -150°。進一步改進的，相鄰兩顆晶粒單元之間刻蝕有隔離槽，隔離槽的深度向下延伸至
藍寶石層。本發明還提供一種具有導光柱的高壓LED晶片的製備方法，其包括如下步驟
Cl)通過光刻工藝，利用感應耦合等離子(ICP)刻蝕約11OOOA-15000 A深度，在每顆
LED晶粒的表面刻蝕出N型GaN臺面，使每顆LED晶粒的N型GaN露出；
(2)在外延片的表面沉積厚度5000A-10000 A的SiO2保護層，並在Si02層上面製作4 μ m-7 μ m的光刻膠保護層，以製備高壓LED晶片的隔離槽，同時在每顆小晶粒的側面製備導光柱結構；
(3)在外延片表面蒸鍍氧化銦錫(ITO)透明導電層，通過光刻工藝，採用化學蝕刻方法，僅保留P型GaN上的ITO透明導電層，用以提高電流在P型GaN表面分布的均勻性；之後，在外延片表面沉積厚度為2000 A-7000 A的SiO2絕緣層，通過光刻、溼法刻蝕，在溝槽間電極連接處製作橋接絕緣層；(4)通過光刻工藝，在所述P電極區和N電極區分別製作P電極和N電極，同時在橋接絕緣層上蒸鍍連接電極，使一顆LED晶粒的P電極與另一 LED晶粒的N電極通過連接電極連接，多顆LED晶粒之間通過連接電極連接形成串聯電路，構成完整的高壓LED晶片。進一步的，步驟(2)中隔離槽和導光柱的製備具體包括首先通過光刻工藝在所述光刻膠保護層製備隔離槽圖案和導光柱圖案，導光柱圖案是分布在每個小晶粒邊緣的橫截面為波浪形、三角形或半圓形的周期性結構；再利用BOE溶液蝕刻SiO2保護層，使小晶粒之間的GaN暴露，從而將隔離槽圖案和導光柱圖案轉移到SiO2層；然後利用感應耦合等離子(ICP)刻蝕，將隔離槽圖案和導光柱圖案轉移到GaN層，其中，在ICP刻蝕過程中，通過調節刻蝕氣體BCl3和Cl2的比例，比例範圍在1:廣I 20,以形成每顆小晶粒的正梯形側面角度，從而製備具有側面傾斜角度的導光柱。與現有技術相比，本發明的有益效果及優點導光柱能夠改變光束由GaN基發光 二極體材料傳播至空氣時的入射角以避免全反射，同時能夠避免光束在該GaN基發光二極體內部重複反射而造成的損耗，達到提高高壓LED晶片的側面出光效率的目的。同時具有側面角度的這種結構能夠保證蒸鍍連接橋時不出現短路，側壁出光能夠增大每顆晶粒的發光面積，同時能夠減少晶粒側面發出的光線在晶粒與晶粒之間、晶粒與襯底之間以及晶粒內部發生來回折反射造成的損耗，由此提升了晶片亮度，提高了器件可靠性。


圖1為實施方式中刻蝕出N型GaN臺面後高壓LED晶片的側視圖。圖2為實施方式中隔離槽刻蝕後高壓LED晶片的側視圖。圖3為實施方式中隔離槽刻蝕後高壓LED晶片單個晶粒單元的俯視圖。圖4為實施方式中絕緣橋製作後高壓LED晶片的側視圖。圖5為實施方式中電極製作後高壓LED晶片的側視圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述，但本發明的實施和保護範圍不限於此。如圖3和圖5，具有導光柱的高壓LED晶片，包括外延層和襯底，具體包括藍寶石層UGaN緩衝層2、N型GaN3、量子阱發光層4、P型GaN5、高壓LED晶片的單個晶粒單元6、單個晶粒單元邊緣的導光柱7、ITO透明導電層8、SiO2絕緣層9、P電極10、連接電極11、N電極12。如圖3，本發明的特點是通過刻蝕工藝，在高壓晶片每顆晶粒單6的側面形成具有傾斜角度的導光柱7，刻蝕面包含外延層側面和襯底側面，導光柱的橫截面形狀是波浪形、三角形或半圓形的周期性結構。所述每顆晶粒單元6的側面具有正梯形底角的傾斜角度(如圖5)，正梯形的底角是30° -150°。相鄰兩顆晶粒單元之間刻蝕有隔離槽，隔離槽的深度向下延伸至藍寶石層I (襯底)。具有導光柱的高壓LED晶片的製作流程1、通過光刻工藝，利用感應耦合等離子(ICP)刻蝕約11000A-15000 A深度(視不同外延片生長結構，刻蝕深度有所不同)，在每顆LED晶粒的表面刻蝕出N型GaN3臺面，使每顆LED晶粒的N型GaN3露出，如圖1 ;
2、在外延片的表面沉積厚度5000 A-10000 A的SiO2保護層，並在Si02層上面採用解析度較高的厚膠製作4 μ m-7 μ m的光刻膠保護層，以製備高壓LED晶片的隔離槽，同時在每顆小晶粒的側面製備導光柱結構。具體製備方法如下。首先通過光刻工藝在光刻膠保護層製備隔離槽圖案和導光柱7圖案，導光柱圖案是分布在每個小晶粒邊緣的橫截面為三角形的周期性結構。再利用BOE溶液(HF、NH4F混合溶液)蝕刻SiO2保護層，使小晶粒之間的GaN暴露，從而將隔離槽圖案和導光柱圖案轉移到SiO2層；要求蝕刻後，溝槽內蝕刻乾淨，無SiO2殘留，且導光柱形狀較完整。然後利用感應耦合等離子(ICP)刻蝕，將隔離槽圖案和導光柱圖案轉移到GaN層。其中,在ICP刻蝕過程中(刻蝕面包含外延層側面和襯底側面),通過調節刻 蝕氣體BCl3和Cl2的比例，比例範圍在I I 20,以形成每顆小晶粒的正梯形側面角度，從而製備具有側面傾斜角度的導光柱。為了形成多顆互不相連的LED晶粒，隔離槽需要刻蝕到藍寶石層1，視GaN外延層的厚度決定刻蝕深度約為4um-7um，如圖2。隔離槽刻蝕後單個晶粒單元的俯視圖如圖3，晶粒邊緣的橫截面為三角形的周期性結構即為導光柱7。3、在外延片表面蒸鍍氧化銦錫(ITO)透明導電層8，通過光刻工藝，採用化學蝕刻方法，僅保留P型GaN5上的ΙΤ0，用以提高電流在P型GaN表面分布的均勻性。之後，在外延片表面沉積厚度為2000 A-7000 A的SiO2絕緣層9，通過光刻、溼法刻蝕，在溝槽間電極連接處製作橋接絕緣層，防止之後連接電極製作時導致同一顆LED晶粒的P、N層相連而造成漏電，如圖4。4、通過光刻工藝，在所述P電極區和N電極區分別製作P電極10和N電極12，同時在橋接絕緣層上蒸鍍連接電極11，使一顆LED晶粒的P電極10與另一 LED晶粒的N電極12通過連接電極連接，多顆LED晶粒之間通過連接電極連接形成串聯電路，構成完整的高壓LED晶片，如圖5。本發明具有側面傾斜角度的導光柱提高高壓LED晶片發光效率的原理如下。當光線從具有導光柱的晶粒側面出射時，由於在粗糙的出光面上發生散射，更多光線可落入微型散射面的可透射區域，使晶粒側面的出光得到明顯的增強，從而提高高壓LED晶片的發光效率。同時，由於導光柱具有正梯形傾斜角度，一方面可以使得晶粒之間連接電極的坡度較為平緩，從而降低短路的概率；另一方面還可以將光線朝晶片表面方向折射，由此減少晶粒側面發出的光線在晶粒與晶粒之間、晶粒與襯底之間、以及晶粒內部發生來回折反射造成的損耗，從而提聞聞壓LED晶片的發光效率。
權利要求
1.一種具有導光柱的高壓LED晶片，其特徵是通過光刻工藝，在高壓晶片每顆晶粒單元的側面形成具有傾斜角度的導光柱，導光柱的橫截面形狀是波浪形、三角形或半圓形的周期性結構。
2.根據權利要求1所述的具有導光柱的高壓LED晶片，其特徵是所述每顆晶粒單元的側面具有正梯形底角的傾斜角度，正梯形的底角是30° -150°。
3.根據權利要求1所述的具有導光柱的高壓LED晶片，其特徵是相鄰兩顆晶粒單元之間刻蝕有隔離槽，隔離槽的深度向下延伸至藍寶石層。
4.一種具有導光柱的高壓LED晶片的製備方法，其特徵在於包括如下步驟 (1)通過光刻工藝，利用感應耦合等離子(ICP)刻蝕約11OOOA-15000A深度，在每顆LED晶粒的表面刻蝕出N型GaN臺面，使每顆LED晶粒的N型GaN露出； (2)在外延片的表面沉積厚度5000A-10000 A的SiO2保護層，並在Si02層上面製作4 μ m-7 μ m的光刻膠保護層，以製備高壓LED晶片的隔離槽，同時在每顆小晶粒的側面製備導光柱結構； (3)在外延片表面蒸鍍氧化銦錫(ITO)透明導電層，通過光刻工藝，採用化學蝕刻方法，僅保留P型GaN上的ITO透明導電層，用以提高電流在P型GaN表面分布的均勻性；之後，在外延片表面沉積厚度為2000 A-7000 A的SiO2絕緣層，通過光刻、溼法刻蝕，在溝槽間電極連接處製作橋接絕緣層； (4)通過光刻工藝，在所述P電極區和N電極區分別製作P電極和N電極，同時在橋接絕緣層上蒸鍍連接電極，使一顆LED晶粒的P電極與另一 LED晶粒的N電極通過連接電極連接，多顆LED晶粒之間通過連接電極連接形成串聯電路，構成完整的高壓LED晶片。
5.根據權利要求4所述的具有導光柱的高壓LED晶片的製備方法，其特徵在於步驟(2)中隔離槽和導光柱的製備具體包括 首先通過光刻工藝在所述光刻膠保護層製備隔離槽圖案和導光柱圖案，導光柱圖案是分布在每個小晶粒邊緣的橫截面為波浪形、三角形或半圓形的周期性結構；再利用BOE溶液蝕刻SiO2保護層，使小晶粒之間的GaN暴露，從而將隔離槽圖案和導光柱圖案轉移到SiO2層；然後利用感應耦合等離子(ICP)刻蝕，將隔離槽圖案和導光柱圖案轉移到GaN層，其中，在ICP刻蝕過程中，通過調節刻蝕氣體BCl3和Cl2的比例，比例範圍在I I 20,以形成每顆小晶粒的正梯形側面角度，從而製備具有側面傾斜角度的導光柱。
全文摘要
本發明公開具有導光柱的高壓LED晶片及其製備方法，特點是在高壓晶片每顆晶粒單元的側面形成具有傾斜角度的導光柱。導光柱的製備是直接在高壓LED晶片製作過程中刻蝕而成，刻蝕面包含外延層側面和襯底側面。本發明的導光柱能夠改變光束由GaN基發光二極體材料傳播至空氣時的入射角以避免全反射，同時能夠避免光束在該GaN基發光二極體內部重複反射而造成的損耗，提高高壓LED晶片的側面出光效率。同時具有正梯形側面角度能夠保證蒸鍍連接橋時不出現短路，側壁出光能夠增大每顆晶粒的發光面積，同時能夠減少晶粒側面發出的光線在晶粒與晶粒之間、晶粒與襯底之間以及晶粒內部發生來回折反射造成的損耗。
文檔編號H01L33/20GK103022298SQ20121047625
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月22日 優先權日2012年11月22日
發明者王洪, 葉菲菲, 黃華茂, 吳躍鋒 申請人:華南理工大學