专利名称：具有导光柱的高压led芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及LED芯片领域，特别涉及高压LED芯片的制备技术。
背景技术：
随着外延生长技术的完善和多量子阱结构的发展，高亮度LED的内量子效率已有了很大的改善。目前，LED芯片的光提取效率已经成为限制LED发光效率的主要因素。现有提高芯片的光提取效率的技术途径，主要有芯片塑性技术、分布布拉格(DBR)反射镜技术、倒装技术、表面粗化技术和光子晶体技术。这些技术都在不同程度上提高了 GaN基发光二极管的发光亮度，但它们都集中于改善芯片的正面的出光效率。发光二极管发光的性质为自发辐射，没有方向性，可以近似看作各向同性发光。因此，以上技术对LED芯片的侧面发光出光效率并无改善。 现有的提高侧面出光效率的技术有六边形芯片以及平行四边形芯片，通过改变多边形内角的大小，使在芯片某一侧面发生全反射的光线可在另一侧面出射，达到提高光提取效率的目的，但是这种多边形的芯片外形在芯片切割方面具有一定难度，不利于大规模量产。
发明内容
针对LED芯片面临的主要问题，本发明提供了具有导光柱的高压LED芯片，该结构制作方便，能够提高高压LED芯片的出光效率。本发明采用如下技术方案
一种具有导光柱的高压LED芯片，通过光刻工艺，在高压芯片每颗晶粒单元的侧面形成具有倾斜角度的导光柱，所述侧面包含外延层侧面和衬底侧面，导光柱的横截面形状是波浪形、三角形或半圆形的周期性结构。进一步改进的，所述每颗晶粒单元的侧面具有正梯形底角的倾斜角度，正梯形的底角是30° -150°。进一步改进的，相邻两颗晶粒单元之间刻蚀有隔离槽，隔离槽的深度向下延伸至
蓝宝石层。本发明还提供一种具有导光柱的高压LED芯片的制备方法，其包括如下步骤
Cl)通过光刻工艺，利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀约11OOOA-15000 A深度，在每颗
LED晶粒的表面刻蚀出N型GaN台面，使每颗LED晶粒的N型GaN露出；
(2)在外延片的表面沉积厚度5000A-10000 A的SiO2保护层，并在Si02层上面制作4 μ m-7 μ m的光刻胶保护层，以制备高压LED芯片的隔离槽，同时在每颗小晶粒的侧面制备导光柱结构；
(3)在外延片表面蒸镀氧化铟锡(ITO)透明导电层，通过光刻工艺，采用化学蚀刻方法，仅保留P型GaN上的ITO透明导电层，用以提高电流在P型GaN表面分布的均匀性；之后，在外延片表面沉积厚度为2000 A-7000 A的SiO2绝缘层，通过光刻、湿法刻蚀，在沟槽间电极连接处制作桥接绝缘层；(4)通过光刻工艺，在所述P电极区和N电极区分别制作P电极和N电极，同时在桥接绝缘层上蒸镀连接电极，使一颗LED晶粒的P电极与另一 LED晶粒的N电极通过连接电极连接，多颗LED晶粒之间通过连接电极连接形成串联电路，构成完整的高压LED芯片。进一步的，步骤(2)中隔离槽和导光柱的制备具体包括首先通过光刻工艺在所述光刻胶保护层制备隔离槽图案和导光柱图案，导光柱图案是分布在每个小晶粒边缘的横截面为波浪形、三角形或半圆形的周期性结构；再利用BOE溶液蚀刻SiO2保护层，使小晶粒之间的GaN暴露，从而将隔离槽图案和导光柱图案转移到SiO2层；然后利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀，将隔离槽图案和导光柱图案转移到GaN层，其中，在ICP刻蚀过程中，通过调节刻蚀气体BCl3和Cl2的比例，比例范围在1:广I 20,以形成每颗小晶粒的正梯形侧面角度，从而制备具有侧面倾斜角度的导光柱。与现有技术相比，本发明的有益效果及优点导光柱能够改变光束由GaN基发光 二极管材料传播至空气时的入射角以避免全反射，同时能够避免光束在该GaN基发光二极管内部重复反射而造成的损耗，达到提高高压LED芯片的侧面出光效率的目的。同时具有侧面角度的这种结构能够保证蒸镀连接桥时不出现短路，侧壁出光能够增大每颗晶粒的发光面积，同时能够减少晶粒侧面发出的光线在晶粒与晶粒之间、晶粒与衬底之间以及晶粒内部发生来回折反射造成的损耗，由此提升了芯片亮度，提高了器件可靠性。
图1为实施方式中刻蚀出N型GaN台面后高压LED芯片的侧视图。图2为实施方式中隔离槽刻蚀后高压LED芯片的侧视图。图3为实施方式中隔离槽刻蚀后高压LED芯片单个晶粒单元的俯视图。图4为实施方式中绝缘桥制作后高压LED芯片的侧视图。图5为实施方式中电极制作后高压LED芯片的侧视图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但本发明的实施和保护范围不限于此。如图3和图5，具有导光柱的高压LED芯片，包括外延层和衬底，具体包括蓝宝石层UGaN缓冲层2、N型GaN3、量子阱发光层4、P型GaN5、高压LED芯片的单个晶粒单元6、单个晶粒单元边缘的导光柱7、ITO透明导电层8、SiO2绝缘层9、P电极10、连接电极11、N电极12。如图3，本发明的特点是通过刻蚀工艺，在高压芯片每颗晶粒单6的侧面形成具有倾斜角度的导光柱7，刻蚀面包含外延层侧面和衬底侧面，导光柱的横截面形状是波浪形、三角形或半圆形的周期性结构。所述每颗晶粒单元6的侧面具有正梯形底角的倾斜角度(如图5)，正梯形的底角是30° -150°。相邻两颗晶粒单元之间刻蚀有隔离槽，隔离槽的深度向下延伸至蓝宝石层I (衬底)。具有导光柱的高压LED芯片的制作流程1、通过光刻工艺，利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀约11000A-15000 A深度(视不同外延片生长结构，刻蚀深度有所不同)，在每颗LED晶粒的表面刻蚀出N型GaN3台面，使每颗LED晶粒的N型GaN3露出，如图1 ;
2、在外延片的表面沉积厚度5000 A-10000 A的SiO2保护层，并在Si02层上面采用解析度较高的厚胶制作4 μ m-7 μ m的光刻胶保护层，以制备高压LED芯片的隔离槽，同时在每颗小晶粒的侧面制备导光柱结构。具体制备方法如下。首先通过光刻工艺在光刻胶保护层制备隔离槽图案和导光柱7图案，导光柱图案是分布在每个小晶粒边缘的横截面为三角形的周期性结构。再利用BOE溶液(HF、NH4F混合溶液)蚀刻SiO2保护层，使小晶粒之间的GaN暴露，从而将隔离槽图案和导光柱图案转移到SiO2层；要求蚀刻后，沟槽内蚀刻干净，无SiO2残留，且导光柱形状较完整。然后利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀，将隔离槽图案和导光柱图案转移到GaN层。其中,在ICP刻蚀过程中(刻蚀面包含外延层侧面和衬底侧面),通过调节刻 蚀气体BCl3和Cl2的比例，比例范围在I I 20,以形成每颗小晶粒的正梯形侧面角度，从而制备具有侧面倾斜角度的导光柱。为了形成多颗互不相连的LED晶粒，隔离槽需要刻蚀到蓝宝石层1，视GaN外延层的厚度决定刻蚀深度约为4um-7um，如图2。隔离槽刻蚀后单个晶粒单元的俯视图如图3，晶粒边缘的横截面为三角形的周期性结构即为导光柱7。3、在外延片表面蒸镀氧化铟锡(ITO)透明导电层8，通过光刻工艺，采用化学蚀刻方法，仅保留P型GaN5上的ΙΤ0，用以提高电流在P型GaN表面分布的均匀性。之后，在外延片表面沉积厚度为2000 A-7000 A的SiO2绝缘层9，通过光刻、湿法刻蚀，在沟槽间电极连接处制作桥接绝缘层，防止之后连接电极制作时导致同一颗LED晶粒的P、N层相连而造成漏电，如图4。4、通过光刻工艺，在所述P电极区和N电极区分别制作P电极10和N电极12，同时在桥接绝缘层上蒸镀连接电极11，使一颗LED晶粒的P电极10与另一 LED晶粒的N电极12通过连接电极连接，多颗LED晶粒之间通过连接电极连接形成串联电路，构成完整的高压LED芯片，如图5。本发明具有侧面倾斜角度的导光柱提高高压LED芯片发光效率的原理如下。当光线从具有导光柱的晶粒侧面出射时，由于在粗糙的出光面上发生散射，更多光线可落入微型散射面的可透射区域，使晶粒侧面的出光得到明显的增强，从而提高高压LED芯片的发光效率。同时，由于导光柱具有正梯形倾斜角度，一方面可以使得晶粒之间连接电极的坡度较为平缓，从而降低短路的概率；另一方面还可以将光线朝芯片表面方向折射，由此减少晶粒侧面发出的光线在晶粒与晶粒之间、晶粒与衬底之间、以及晶粒内部发生来回折反射造成的损耗，从而提闻闻压LED芯片的发光效率。
权利要求
1.一种具有导光柱的高压LED芯片，其特征是通过光刻工艺，在高压芯片每颗晶粒单元的侧面形成具有倾斜角度的导光柱，导光柱的横截面形状是波浪形、三角形或半圆形的周期性结构。
2.根据权利要求1所述的具有导光柱的高压LED芯片，其特征是所述每颗晶粒单元的侧面具有正梯形底角的倾斜角度，正梯形的底角是30° -150°。
3.根据权利要求1所述的具有导光柱的高压LED芯片，其特征是相邻两颗晶粒单元之间刻蚀有隔离槽，隔离槽的深度向下延伸至蓝宝石层。
4.一种具有导光柱的高压LED芯片的制备方法，其特征在于包括如下步骤 (1)通过光刻工艺，利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀约11OOOA-15000A深度，在每颗LED晶粒的表面刻蚀出N型GaN台面，使每颗LED晶粒的N型GaN露出； (2)在外延片的表面沉积厚度5000A-10000 A的SiO2保护层，并在Si02层上面制作4 μ m-7 μ m的光刻胶保护层，以制备高压LED芯片的隔离槽，同时在每颗小晶粒的侧面制备导光柱结构； (3)在外延片表面蒸镀氧化铟锡(ITO)透明导电层，通过光刻工艺，采用化学蚀刻方法，仅保留P型GaN上的ITO透明导电层，用以提高电流在P型GaN表面分布的均匀性；之后，在外延片表面沉积厚度为2000 A-7000 A的SiO2绝缘层，通过光刻、湿法刻蚀，在沟槽间电极连接处制作桥接绝缘层； (4)通过光刻工艺，在所述P电极区和N电极区分别制作P电极和N电极，同时在桥接绝缘层上蒸镀连接电极，使一颗LED晶粒的P电极与另一 LED晶粒的N电极通过连接电极连接，多颗LED晶粒之间通过连接电极连接形成串联电路，构成完整的高压LED芯片。
5.根据权利要求4所述的具有导光柱的高压LED芯片的制备方法，其特征在于步骤(2)中隔离槽和导光柱的制备具体包括 首先通过光刻工艺在所述光刻胶保护层制备隔离槽图案和导光柱图案，导光柱图案是分布在每个小晶粒边缘的横截面为波浪形、三角形或半圆形的周期性结构；再利用BOE溶液蚀刻SiO2保护层，使小晶粒之间的GaN暴露，从而将隔离槽图案和导光柱图案转移到SiO2层；然后利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀，将隔离槽图案和导光柱图案转移到GaN层，其中，在ICP刻蚀过程中，通过调节刻蚀气体BCl3和Cl2的比例，比例范围在I I 20,以形成每颗小晶粒的正梯形侧面角度，从而制备具有侧面倾斜角度的导光柱。
全文摘要
本发明公开具有导光柱的高压LED芯片及其制备方法，特点是在高压芯片每颗晶粒单元的侧面形成具有倾斜角度的导光柱。导光柱的制备是直接在高压LED芯片制作过程中刻蚀而成，刻蚀面包含外延层侧面和衬底侧面。本发明的导光柱能够改变光束由GaN基发光二极管材料传播至空气时的入射角以避免全反射，同时能够避免光束在该GaN基发光二极管内部重复反射而造成的损耗，提高高压LED芯片的侧面出光效率。同时具有正梯形侧面角度能够保证蒸镀连接桥时不出现短路，侧壁出光能够增大每颗晶粒的发光面积，同时能够减少晶粒侧面发出的光线在晶粒与晶粒之间、晶粒与衬底之间以及晶粒内部发生来回折反射造成的损耗。
文档编号H01L33/20GK103022298SQ20121047625
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月22日 优先权日2012年11月22日
发明者王洪, 叶菲菲, 黄华茂, 吴跃锋 申请人:华南理工大学