專利名稱：一種利用兩次劃片制備的GaN基發(fā)光二極管芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用兩次劃片制備的GaN基發(fā)光二極管芯片及制備方法，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)作為一個發(fā)光器件,具有工作壽命長、耗電低、響應(yīng)時間快、體積小、易調(diào)光調(diào)色、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，被人們稱之為綠色光源。而高亮度LED光源的出現(xiàn)特別是GaN基藍綠色LED的崛起使LED的用途發(fā)生了革命性的變革。
從理論上講，當我們在LED的PN結(jié)上施加正向電壓時，PN結(jié)會有電流流過，電子和空穴在PN結(jié)過渡層中復(fù)合會產(chǎn)生光子，然而并不是每一對電子-空穴對復(fù)合的載流子都會產(chǎn)生光子，由于LED的PN結(jié)作為雜質(zhì)半導(dǎo)體，存在著因材料品質(zhì)缺陷，位錯等因素，以及工藝上的種種缺陷，會產(chǎn)生雜質(zhì)電離、本征激發(fā)散射和晶格散射等問題，使電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時會與晶格電子或離子交換能量而產(chǎn)生無輻射躍遷，也就是不產(chǎn)生光子，這部分能量將不轉(zhuǎn)換成光能而轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi)。這樣就降低了芯片的內(nèi)量子效率。然而存在的另一個關(guān)于LED光子逸出率的問題，S卩外量子效率問題，由光的傳播理論中的光線折射定律可以知道，兩種不同材料的界面在折射系數(shù)不相同時，對于入射光，當超出臨界角范圍時將被反射回芯片內(nèi)而不能逸出到空氣中，從而使得外量子效率大大降低。加之由于LED要引出電極，固定在引線框架上等原因，使得外量子效率變得更低。
相比內(nèi)量子效率，外量子效率還存在很大的提升空間，就是要從LED芯片結(jié)構(gòu)、封裝結(jié)構(gòu)、材料折射系數(shù)等綜合多方面因素加以解決，來提高最終光出射效率。目前通過工藝和結(jié)構(gòu)上的改進可以有效提高芯片的出光效率，歸納起來有如下幾種有效方法:
(I)透明襯底技術(shù)；
(2)芯片表面粗化法；
(3)芯片倒梯形結(jié)構(gòu)；
(4)側(cè)壁腐蝕(side wall etch)。
例如中國專利CN101834251公開了一種發(fā)光二極管的制備方法，通過對GaN半導(dǎo)體外延層進行劃片形成劃道，并用酸液腐蝕形成側(cè)壁，從而改變光的傳播路徑增加光子逸出率，有效提高LED芯片的亮度。該發(fā)明專利中酸液主要作用是將劃片生成物通過腐蝕進行清除，使得劃道兩側(cè)N型GaN層被腐蝕出一定的側(cè)壁。酸液腐蝕的側(cè)壁傾角主要受劃片劃道寬度的影響，這里只是起到一定的清洗作用，并不能獲得更寬的劃道與特定的側(cè)壁傾角。
專利CN101471289A公開一種背鍍晶片的切割方法，經(jīng)磨片后在晶片的切割道處貼保護膜，蒸鍍背鍍，再取下保護膜進行激光劃片。由于本發(fā)明的背鍍晶片的切割方法在蒸鍍前貼有保護膜，切割時再撕掉，從背面切割同樣能夠看到晶片背面，從而提高了切割的效率和精準度。
專利CN101552312A提供了一種發(fā)光二極管芯片的制作方法，將正面劃片工藝在制作N、P電極之前進行，利用制作N、P電極中的刻蝕工藝將激光輻照切割過程中形成的融化層，以及沉積在發(fā)光二極管晶片側(cè)面和表面電極上的殘渣沉積移除，優(yōu)化了芯片的光電參數(shù)和發(fā)光二極管芯片的成品率。
專利CN102054851公開了一種發(fā)光二極管及其制造方法，包括生長模板(襯底和一薄層氮化物)，將模板通過光刻及刻蝕工藝或劃片工藝被分割成多個獨立單元，每個獨立單元的尺寸和最終芯片的尺寸完全一樣，模板經(jīng)腐蝕后的在各獨立單元的側(cè)壁上形成有微觀結(jié)構(gòu)，然后在上表面依次生長有N-GaN層，量子阱層，P-GaN層；所述N-GaN層，量子阱層，和P-GaN層的側(cè)壁相對所述模板懸空，且形成有第一出光角度。
LED環(huán)球在線報道了一種六邊形LED芯片，六邊形LED芯片在成本、效率以及束剖面等方面都有眾多優(yōu)勢。其中一項便是在封裝之后的光能輸出量。蜂窩型TM芯片所產(chǎn)生的束剖面非常接近光學設(shè)計中使用的圓形鏡片的圓形切面。但是，傳統(tǒng)四邊形或三角形芯片的束剖面在與圓形鏡片結(jié)合時，往往會發(fā)生變化。
對于LED芯片中到達芯片側(cè)壁的光,其側(cè)壁就是光的出射表面，存在一個全反射角的問題，針對GaN基LED器件，最理想的形狀為球形出光面，發(fā)光區(qū)域可視做點光源，不會發(fā)生任何全反射，為避免Fresnel反射影響，還可加增透膜，提取效率將有可能達到100%，然而在現(xiàn)有的工藝條件幾乎不能實現(xiàn)，而且成本將會相當高。另一種結(jié)構(gòu)為平頭倒金字塔結(jié)構(gòu)(TIP)，最早被應(yīng)用于AlGaInP材料體系的紅光LED (λ = 650nm)，這種結(jié)構(gòu)縮短了光子在晶體內(nèi)的傳播路徑，減少內(nèi)部損耗，減小界面角。但藍寶石襯底很難加工，所以難以實現(xiàn)倒金字塔結(jié)構(gòu)。發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種利用兩次劃片制備的GaN基發(fā)光二極管芯片。本發(fā)明還提供一種制備上述發(fā)光二極管芯片的方法。與本發(fā)明相比普通劃片只是將單個獨立的發(fā)光二極管芯片分離出來，并沒有考慮到劃片過程中劃裂形成的側(cè)壁對發(fā)光二極管芯片光出射效率的影響(依據(jù)二極管芯片發(fā)光特性，其側(cè)壁面發(fā)光光強相對正面占15%的比例)，而酸液腐蝕也只是作為劃片后的清洗液，將劃裂產(chǎn)生的生成物腐蝕掉，從而露出側(cè)壁。為使射向芯片側(cè)壁的光能夠有效出射，本發(fā)明通過兩次劃片使GaN基發(fā)光二極管芯片形成縱截面為八邊形的LED芯片側(cè)壁結(jié)構(gòu)，有效擴大了光的出射方向，提高了側(cè)壁的光出射效率。
名詞解釋:
ICP刻蝕技術(shù):Inductive Coupled Plasma,感應(yīng)稱合等離子體刻蝕。
PECVD 技術(shù):Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,等離子體增強化學氣相沉積。
ITO透明導(dǎo)電材料:氧化銦錫(Indium-Tin Oxide)透明導(dǎo)電材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種GaN基發(fā)光二極管芯片，包括襯底層上依次是N型導(dǎo)電層、有源層、P型導(dǎo)電層和電流擴展層，在N型導(dǎo)電層和電流擴展層上分別是N電極和P電極；所述單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的外形輪廓為八邊形。
所述單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的上側(cè)邊為所述GaN基發(fā)光二極管芯片的正面激光劃痕的側(cè)壁，所述正面激光劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為θ，ο° < θ<90°，且1/3 < tan Θ < 3/4，相鄰GaN基發(fā)光二極管芯片的正面激光劃痕的側(cè)壁之間的最大距離范圍:20 30μπι。所述的正面激光劃痕及側(cè)壁是通過激光劃片在一定的輸出功率下劃刻在GaN基發(fā)光二極管芯片的正面所形成的。
優(yōu)選的，所述正面激光劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為θ，0° < Θ <90°，且tan Θ =1/2。
所述單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的下側(cè)邊為所述GaN基發(fā)光二極管芯片的背面激光劃痕的側(cè)壁，所述背面激光劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為Y，0° < Y<90°，且1/3 < tan Y < 3/4，相鄰GaN基發(fā)光二極管芯片的背面激光劃痕的側(cè)壁之間的最大距離范圍:20 30μπι。所述的背面激光劃痕及側(cè)壁是通過激光劃片在一定的輸出功率下劃刻在GaN基發(fā)光二極管芯片的背面所形成的。
優(yōu)選的，所述背面激光劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為Υ，0° < Y <90°，且tan Y =1/2。
優(yōu)選的，所述的襯底層為藍寶石襯底。
所述N型導(dǎo)電層為N型GaN層，所述的P型導(dǎo)電層為P型GaN層。
所述的電流擴展層為ITO透明導(dǎo)電材料。
一種制備上述GaN基發(fā)光二極管芯片的方法，步驟如下:
I)在襯底層上生長外延層,該外延層包括N型GaN層,位于所述N型GaN層上的有源層，位于有源層上的P型GaN層；
2)對步驟I)中外延層進行正面激光劃片劃出劃痕，清洗劃片衍生物，所述劃痕頂寬為20 30μπι，劃痕的側(cè)壁與豎直方向之間的夾角為θ，0° < Θ <90°，且1/3<tan Θ < 3/4 ；
3)采用電子束蒸鍍技術(shù)在所述外延層的上表面生長一層厚度范圍為2000埃 3000埃的電流擴展層；
4)采用ICP刻蝕技術(shù)對步驟3)外延層的上表面進行干法刻蝕，使所述N型導(dǎo)電層部分暴露，形成凹臺；
5)采用PECVD技術(shù)在步驟4)外延層的上表面制備SiO2掩膜，只露出供P電極和N電極所在的區(qū)域；
6)在供P電極和N電極所在的區(qū)域，采用電子束蒸鍍技術(shù)分別蒸鍍P電極和N電極；
7)將經(jīng)過步驟I)至步驟6)所制備的芯片進行背面減薄、拋光，所述芯片減薄后的厚度為80 120μπι ;
8)對步驟7)所述芯片進行背面激光劃片劃出劃痕，所述劃痕底寬為20 30μπι，劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為Υ，0° < Y <90°，且1/3 < tan Y <3/4，步驟8)所述背面激光劃片劃出劃痕與步驟2)中的正面激光劃片劃出的劃痕上下對應(yīng)錯位范圍是O 2 μ m ;錯位設(shè)定范圍的目的就是為了裂片方便且外觀規(guī)整，裂片后錯位尺寸相比芯片整體尺寸可以忽略；
9)對步驟8)所制備的芯片進行正面裂片，制成縱截面為八邊形的GaN基發(fā)光二極管芯片。
優(yōu)選的，所述步驟2)中的劃痕的側(cè)壁與豎直方向之間的夾角為θ，0° < Θ<90° ,且 tan Θ =1/2。
優(yōu)選的，所述步驟8)中的劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為Y，0° < Y <90°，且 tan Y =1/2。
優(yōu)選的，所述步驟3)中的電流擴展層為ITO透明導(dǎo)電材料。
優(yōu)選的，所述的襯底層為藍寶石襯底。
所述的二次劃片是指正面激光劃片和背面激光劃片。
本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
通過上述的方法，采用正面激光劃片和背面激光劃片的兩次激光劃片技術(shù)，使單個GaN基發(fā)光二極管芯片具有如圖4所示的八個側(cè)壁，增大GaN基發(fā)光二極管芯片側(cè)壁出光角度，有效改善側(cè)壁出光效率低下問題，提高芯片發(fā)光亮度。


圖1藍寶石襯底上生長外延層的結(jié)構(gòu)示意圖2本發(fā)明經(jīng)步驟2)處理后的芯片結(jié)構(gòu)示意圖3本發(fā)明經(jīng)步驟6)處理后的芯片結(jié)構(gòu)示意圖4本發(fā)明經(jīng)步驟8)處理后的芯片結(jié)構(gòu)示意圖，其中單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的外形輪廓為八邊形；
圖5本發(fā)明經(jīng)正面激光劃片、背面激光劃片后，制得的GaN基發(fā)光二極管芯片的發(fā)光不意圖6是只經(jīng)過背面激光劃片后，制得的GaN基發(fā)光二極管芯片的發(fā)光示意圖。
在圖1-4中，11、N型GaN層;12、有源層;13、P型GaN層;14、電流擴展層;15、P電極；16、N電極；17、襯底層；19、對外延層正面激光劃片出的劃痕；20、對GaN基發(fā)光二極管芯片背面激光劃片劃出的劃痕；在圖5中，Z δ為由GaN基發(fā)光二極管芯片向側(cè)壁的入射光線與水平方向的夾角，所述Z δ大于等于GaN基發(fā)光二極管芯片的全反射臨界角，Z α、Z β分別為入射光線向本發(fā)明GaN基發(fā)光二極管芯片的劃痕側(cè)壁的入射角和出射角。
具體實施方式
下面結(jié)合說明書附圖和實施例對本發(fā)明做詳細的說明，但不限于此。
實施例1、
如圖4、5所示，一種利用正面激光劃片、背面激光劃片后制備的GaN基發(fā)光二極管芯片，包括藍寶石襯底層17上依次是N型GaN層11、有源層12、Ρ型GaN層13和電流擴展層14，在N型GaN層11和電流擴展層14上分別是N電極16和P電極15 ;所述單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的外形輪廓為八邊形；所述單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的上側(cè)邊為所述GaN基發(fā)光二極管芯片的正面激光劃痕19的側(cè)壁，正面激光劃痕19的側(cè)壁與豎直方向的夾角為θ，0° < Θ <90°且tan0 = 1/2，相鄰GaN基發(fā)光二極管芯片的正面激光劃痕19的側(cè)壁之間的最大距離為20 μ m，此處所述最大距離是指對GaN基發(fā)光二極管芯片的正面激光劃痕頂寬；所述單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的下側(cè)邊為所述GaN基發(fā)光二極管芯片的背面激光劃痕20的側(cè)壁，背面激光劃痕20的側(cè)壁與豎直方向的夾角為γ，0° < γ <90°且tanY = 1/2，相鄰GaN基發(fā)光二極管芯片的背面激光劃痕的側(cè)壁之間的最大距離為20 μ m,此處所述最大距離是指對GaN基發(fā)光二極管芯片的背面激光劃痕底寬。所述的電流擴展層14為ITO透明導(dǎo)電材料。
實施例2、
如圖1-5所示，一種利用兩次劃片制備的GaN基發(fā)光二極管芯片的方法，步驟如下:
I)在藍寶石襯底層17上生長外延層，該外延層包括N型GaN層11，位于所述N型GaN層11上的有源層12，位于有源層12上的P型GaN層13 ；
2)對步驟I)中外延層進行正面激光劃片劃出劃痕19，清洗劃片衍生物，所述劃痕19頂寬為20 μ m，劃痕19的深度為20 μ m，劃痕19的側(cè)壁與豎直方向之間的夾角為Θ，有tan Θ = 1/2 ;
3)采用電子束蒸鍍技術(shù)在所述外延層的上表面生長一層厚度范圍為2000埃 3000埃的電流擴展層14，所述電流擴展層14為ITO透明導(dǎo)電材料；
4)采用ICP刻蝕技術(shù)對步驟3)外延層的上表面進行干法刻蝕，使所述N型GaN層11部分暴露，形成凹臺；
5)采用PECVD技術(shù)在步驟4)外延層的上表面制備SiO2掩膜，只露出供P電極和N電極所在的區(qū)域；
6)在供P電極和N電極所在的區(qū)域，采用電子束蒸鍍技術(shù)分別蒸鍍P電極和N電極；
7)將經(jīng)過步驟I)至步驟6)所制備的芯片進行背面減薄、拋光，所述芯片減薄后的厚度為90ym ；
8)對步驟7)所述芯片進行背面激光劃片劃出劃痕20，所述劃痕底寬為20μπι，劃痕20的深度為20μπι，劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為Y，tan Y = 1/2，步驟8)所述背面激光劃片劃出劃痕20與步驟2)中的正面激光劃片劃出的劃痕19上下對應(yīng)錯位范圍是O 2 μ m ;
9)對步驟8)所制備的芯片進行正面裂片，制成縱截面為八邊形的GaN基發(fā)光二極管。
如圖5和圖6所示，本發(fā)明中采用兩次劃片制備的具有八邊形側(cè)壁GaN基發(fā)光二極管芯片(如圖5所示)，其發(fā)光效率要明顯優(yōu)于一次劃片形成的GaN基發(fā)光二極管芯片(如圖6所示)。在圖5中，入射光線與水平方向的夾角為δ，入射光線的入射角為α，小于GaN基全反射臨界角，光線能以出射 角β出射；而如圖6，在傳統(tǒng)一次劃片制備的GaN基發(fā)光二極管芯片中入射光線的入射角為S，當入射角δ大于等于GaN基發(fā)光二極管芯片全反射臨界角時發(fā)生全反射，出光效率大大降低。
權(quán)利要求
1.一種GaN基發(fā)光二極管芯片，包括襯底層上依次是N型導(dǎo)電層、有源層、P型導(dǎo)電層和電流擴展層，在N型導(dǎo)電層和電流擴展層上分別是N電極和P電極；所述單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的外形輪廓為八邊形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GaN基發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的上側(cè)邊為所述GaN基發(fā)光二極管芯片的正面激光劃痕的側(cè)壁，所述正面激光劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為θ，0° < Θ <90°，且1/3 < tan Θ <3/4，相鄰GaN基發(fā)光二極管芯片的正面激光劃痕的側(cè)壁之間的最大距離范圍:20 30 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種GaN基發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述正面激光劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為θ，0。< Θ <90。，且tanθ =1/2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GaN基發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的下側(cè)邊為所述GaN基發(fā)光二極管芯片的背面激光劃痕的側(cè)壁，所述背面激光劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為Y，0° < Y <90°，且1/3 < tan Y <3/4，相鄰GaN基發(fā)光二極管芯片的背面激光劃痕的側(cè)壁之間的最大距離范圍:20 30 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種GaN基發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述背面激光劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為Y，0° < Y <90°，且tan Y = 1/2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GaN基發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述的襯底層為藍寶石襯底；所述N型導(dǎo)電層為N型GaN層，所述的P型導(dǎo)電層為P型GaN層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種GaN基發(fā)光二極管芯片，其特征在于，所述的電流擴展層為ITO透明導(dǎo)電材料。
8.如權(quán)利要求1-7任一項所述的GaN基發(fā)光二極管芯片的制備方法，步驟如下: 1)在襯底層上生長外延層，該外延層包括N型GaN層，位于所述N型GaN層上的有源層，位于有源層上的P型GaN層； 2)對步驟1)中外延層進行正面激光劃片劃出劃痕，清洗劃片衍生物，所述劃痕頂寬為.20 30μπι，劃痕的側(cè)壁與豎直方向之間的夾角為θ，0° < Θ <90°，且1/3 < tan Θ<3/4 ； 3)采用電子束蒸鍍技術(shù)在所述外延層的上表面生長一層厚度范圍為2000埃 3000埃的電流擴展層； 4)采用ICP刻蝕技術(shù)對步驟3)外延層的上表面進行干法刻蝕，使所述N型導(dǎo)電層部分暴露，形成凹臺； 5)采用PECVD技術(shù)在步驟4)外延層的上表面制備SiO2掩膜，只露出供P電極和N電極所在的區(qū)域； 6)在供P電極和N電極所在的區(qū)域，采用電子束蒸鍍技術(shù)分別蒸鍍P電極和N電極； 7)將經(jīng)過步驟1)至步驟6)所制備的芯片進行背面減薄、拋光，所述芯片減薄后的厚度為 80 120 μ m ； 8)對步驟7)所述芯片進行背面激光劃片劃出劃痕，所述劃痕底寬為20 30μπι，劃痕的側(cè)壁與豎直方向的夾角為Υ，0° < Y <90°，且1/3 < tan Y <3/4，步驟8)所述背面激光劃片劃出劃痕與步驟2)中的正面激光劃片劃出的劃痕上下對應(yīng)錯位范圍是O .2 μ m ； 9)對步驟8)所制備的芯片進行正面裂片，制成縱截面為八邊形的GaN基發(fā)光二極管芯片。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種制備GaN基發(fā)光二極管芯片的方法，其特征在于，所述步驟2)中的劃痕的側(cè)壁與豎直方向之間的夾角為θ，0° < Θ <90°，且tan0 =1/2。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種制備GaN基發(fā)光二極管芯片的方法，其特征在于，所述步驟8)中的劃痕的側(cè)壁 與豎直方向的夾角為Y，0° < Y <90°，且tanY =1/2。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種GaN基發(fā)光二極管芯片，包括襯底層上依次是N型導(dǎo)電層、有源層、P型導(dǎo)電層和電流擴展層，在N型導(dǎo)電層和電流擴展層上分別是N電極和P電極；所述單個GaN基發(fā)光二極管芯片的縱截面的外形輪廓為八邊形。本發(fā)明采用兩次激光劃片技術(shù)分別在GaN基發(fā)光二極管芯片的正面和背面劃片，使單個GaN基發(fā)光二極管芯片具有八邊形側(cè)壁，增大側(cè)壁出光角度，大大提高了GaN基發(fā)光二極管芯片的發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/20GK103137810SQ20111038259
公開日2013年6月5日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者于峰, 王賢洲, 彭璐, 趙霞炎 申請人:山東浪潮華光光電子股份有限公司