一种发光二极管结构制备方法及其用途与流程

文档序号:20506446发布日期:2020-04-24 18:00阅读:167来源:国知局
一种发光二极管结构制备方法及其用途与流程

本发明涉及一种半导体技术领域,特别是涉及一种发光二极管结构制备方法及其用途。



背景技术:

led因具有色纯度高、响应速度快、体积小、可靠性好、寿命长、环保等优点,无疑成为最受重视的光源技术,随着技术的发展,高像素屏要求越显突出,对尺寸芯片提出更高要求的。根据trendforce发布的2018年科技产业发展趋势中指出,由于miniled技术可搭配软性基板,达成高曲面背光的形式,将有机会使用在手机、电视、车载面板等多种应用上。

由于现有的水平结构led生产工艺中,均采用大mesa小pad设计,如果采用现有水平结构led生产工艺来制备miniled,就会导致miniled结构的亮度低,能耗高和散热性能差,进而导致影响发光二极管的性能和热稳定性;另外,现有水平结构led生产工艺步骤多,产出效率低,制备工艺复杂,这些都将导致目前miniled的良率偏低和成本偏高,限制着其大规模量产,因此,芯片本身的设计及制备工艺在miniled尺寸上亦需要更多的优化。

由于芯片制程工艺需求,结合下游封装对电极尺寸的要求限制,限制了miniled芯片的发展,因此,寻找一种制作工艺简单、可用于产业化的miniled的制备方法,是本领域的技术人员亟需解决的技术问题。



技术实现要素:

鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种发光二极管结构制备方法及其用途,用于解决现有技术中miniled的制备工艺中良率偏低和成本偏高,限制着其大规模量产的技术问题。

为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种发光二极管结构制备方法,所述方法包括:

提供一衬底;

于所述衬底上依序形成一n型半导体层、一量子阱层、一p型半导体层及一透明导电层;

图形化所述n型半导体层、所述量子阱层、所述p型半导体层及所述透明导电层以形成一凹槽,所述凹槽依序穿透所述透明导电层、所述p型半导体层、所述量子阱层及所述n型半导体层的部分厚度;

形成一绝缘层,所述绝缘层具有第一开口和第二开口,所述第一开口显露出部分所述透明导电层,所述第二开口显露出所述凹槽底部的所述n型半导体层,其中,所述第一开口的面积大于所述凹槽的水平投影面积;以及

形成一第一电极和一第二电极,所述第一电极形成于所述述透明导电层被所述第一开口暴露出的表面,所述第一电极与所述透明导电层电连接,所述第二电极形成于所述凹槽内及所述凹槽两侧的部分所述绝缘层上,所述第二电极与所述n型半导体层电连接;所述第一电极和所述第二电极的水平面投影面积均大于所述凹槽的水平投影面积。

作为对上述发光二极管结构制备方法的改进,所述方法还包括于所述衬底和所述n型半导体层之间形成一半导体层的步骤;所述半导体层的材料包括氮化镓。

作为对上述发光二极管结构制备方法的改进,形成所述凹槽的步骤包括:

于所述透明导电层上形成图案化掩模层;

以所述图案化掩模层为掩模依次向下蚀刻所述透明导电层、所述p型半导体层、所述量子阱层及所述n型半导体层的部分厚度;

去除所述图案化掩模层,以形成所述凹槽。

作为对上述发光二极管结构制备方法的改进,形成所述凹槽的步骤包括:

于所述透明导电层上形成图案化掩模层;

以所述图案化掩模层为掩模向下湿法蚀刻所述透明导电层,蚀刻停止于所述p型半导体层表面;

以所述图案化掩模层为掩模向下依次蚀刻所述p型半导体层、所述量子阱层及所述n型半导体层的部分厚度;

去除所述图案化掩模层,以形成所述凹槽。

作为对上述发光二极管结构制备方法的改进,采用湿法蚀刻所述透明导电层时,所述透明导电层的侧蚀刻宽度为1μm-2μm;所述透明导电层中的开口尺寸大于所述图案化掩模层中的图案尺寸。

作为对上述发光二极管结构制备方法的改进,所述绝缘层的厚度不小于230nm。

作为对上述发光二极管结构制备方法的改进,所述透明导电层的厚度介于60nm-240nm,优选为110nm。

在一实施例中,所述n型半导体层的材料包括n型氮化镓;所述量子阱层的材料包括氮化铟镓或氮化镓;所述p型半导体层的材料包括p型氮化镓。

在一实施例中,所述透明导电层的材料包括ito,zito,zio,gio,zto,fto,azo,gzo,in4sn3o12,niau中的一种;所述绝缘层包括透明绝缘层,所述透明绝缘层包括氮化硅或二氧化硅;所述第一电极和所述第二电极材料为多层金属结构,所述多层金属结构包括依次叠层排列的craltinitinitiniau或cralniptniptniptau。

为实现上述目的及其他相关目的,本发明还提供一种上述发光二极管结构制备方法的用途,所述发光二极管结构制备方法应用于microled、miniled或小间距led的制备。

如上所述,本发明的发光二极管结构制备方法及其用途,具有以下有益效果:

利用本发明制作的发光二极管结构采用小mesa(上述凹槽)和大pad(上述第一电极和第二电极)结构,能最大化利用发光面以及利用现有水平结构工艺方法,使得同尺寸发光二极管结构具有更高的亮度和更低的能耗;

利用本发明制作的发光二极管结构,通过将绝缘层引入mesa凹槽的侧壁中,对可能的漏电通道进行了绝缘保护,提高了发光二极管结构的电学稳定性;

利用本发明制作的发光二极管结构,采用大pad设计,使得发光二极管结构具有良好的导热通道(散热能力)及热稳定性,即优秀的抗老化能力;

本发明的发光二极管结构制备方法工艺步骤少,制备工艺简单,产出效率高;

本发明的发光二极管结构制备方法可应用于miniled的制备,在现有的led生产线即可完成miniled的流水,无需额外投入,获得高质量的小mesa和大pad的miniled产品。

附图说明

图1显示为本发明的发光二极管结构的制备方法流程图。

图2显示为本发明中在衬底上形成n型半导体层、量子阱层、p型半导体层及透明导电层的结构示意图。

图3显示为本发明中形成凹槽(mesa)的结构示意图。

图4显示为本发明中形成绝缘层的结构示意图。

图5显示为本发明的发光二极管结构示意图。

元件标号说明

1衬底

2n型半导体层

3量子阱层

4p型半导体层

5透明导电层

6凹槽

7绝缘层

81第一开口

82第二开口

91第一电极

92第二电极

s10~s50步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1-5。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1-5所示,为了解决现有技术中miniled的制备工艺中良率偏低和成本偏高,限制着其大规模量产的技术问题,本实施例提供一种发光二极管结构制备方法,如图1所示,所述发光二极管结构制备方法包括以下步骤:

执行步骤s10、如图2所示,提供一衬底1,所述衬底1的材料包括但不限于蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅;所述衬底1可为平面衬底或图案化衬底。

执行步骤s20、如图2所示于所述衬底1上依序形成一n型半导体层2、一量子阱层3、一p型半导体层4及一透明导电层5。

在一些实施例中,于所述衬底1和所述n型半导体层2之间形成一半导体层(未图示)。

作为示例,图2所示结构的形成过程为:在图形化衬底1上依次生长gan层(半导体层)、n-gan层(n型半导体层2)、氮化铟镓或氮化镓层(量子阱层3)、p-gan层(p型半导体层4),以形成稳定的led外延结构;对上述led外延结构表面进行清洗,清洗干净后使用热氮机旋干;在清洗干净的上述led外延结构上形成一层ito透明导电层(透明导电层5),可采用热蒸镀或者溅射的方式形成所述ito透明导电层,所述ito透明导电层的厚度介于60nm-240nm,优选为110nm,需要说明的是,当在其它实施例中,所述ito透明导电层5也可采用zito,zio,gio,zto,fto,azo,gzo,in4sn3o12或niau等透明导电层,不以此为限。

执行步骤s30、如图3所示,图形化所述n型半导体层2、所述量子阱层3、所述p型半导体层4及所述透明导电层5以形成一凹槽6,所述凹槽6依序穿透所述透明导电层5、所述p型半导体层4、所述量子阱层3及所述n型半导体层2的部分厚度。

在本实施例中,形成所述凹槽6的步骤包括,于所述透明导电层5上形成图案化掩模层;以所述图案化掩模层为掩模依次向下蚀刻所述透明导电层5、所述p型半导体层4、所述量子阱层3及所述n型半导体层2的部分厚度;去除所述图案化掩模层,以形成所述凹槽6。

具体地,形成所述凹槽6的步骤包括,于所述透明导电层5上形成图案化掩模层;以所述图案化掩模层为掩模向下湿法蚀刻所述透明导电层5,蚀刻停止于所述p型半导体层4表面;以所述图案化掩模层为掩模向下依次蚀刻所述p型半导体层4、所述量子阱层3及所述n型半导体层2的部分厚度;去除所述图案化掩模层,以形成所述凹槽6。

作为示例,图3所示结构的形成过程为:于步骤s20中形成的结构中的ito透明导电层5上旋涂光刻胶层,所述光刻胶层可采用正胶(kmp3200),对光刻胶层进行图形曝光、显影、烘烤等黄光工艺,以在所述光刻胶层上定义出所述凹槽6图形;选用ito蚀刻液湿法刻蚀将显影出的ito蚀刻干净,并控制ito透明导电层的侧腐蚀,侧腐蚀宽度控制在1μm-2μm,以在所述ito透明导电层5中形成开口,腐蚀后光刻胶层勿去除,其中,湿法蚀刻所述ito透明导电层时,蚀刻液为ito蚀刻液,温度为30℃-60℃,蚀刻时间为100s-150s;蚀刻后使用热氮机旋干、烘箱烘烤;继续以定义出所述凹槽6图形的所述光刻胶层为掩模,采用icp工艺向下依次蚀刻p-gan层(p型半导体层4)、氮化铟镓或氮化镓层(量子阱层)及n-gan层(n型半导体层2)的部分厚度;去除光刻胶层,以形成所述凹槽6(mesa),在icp过程中优先选用cl2、bcl3、ar作为刻蚀气体,其流量分别为:cl2为30-100sccm、bcl3为10-30sccm、ar为10-20sccm;其上下电极功率分别为50-500w、10-200w,刻蚀时间为10s-50min,可根据led外延结构的厚度和蚀刻深度合理选择蚀刻时间。需要说明的是,由于采用湿法蚀刻所述ito透明导电层5时会发生侧腐蚀,因此,所述ito透明导电层5中的开口尺寸大于所述光刻胶层中的凹槽6图形尺寸。

执行步骤s40、如图4所示,形成一绝缘层7,所述绝缘层7具有第一开口81和第二开口82,所述第一开口81显露出部分所述透明导电层5,所述第二开口82显露出所述凹槽6底部的所述n型半导体层2,其中,所述第一开口81的面积大于所述凹槽6的水平投影面积。

作为示例,图4所示结构的形成过程为:将步骤s30中形成的产品放入快速退火炉中快速退火,ito快速退火炉退火温度为500℃-700℃,退火时间为1-10min,升温速率为10℃/s-50℃/s;退火后进行绝缘层7(sio2、si3n4或其他透明绝缘层)沉积;然后在沉积有绝缘层7的结构表面旋涂光刻胶层,所述光刻胶可采用正胶(kmp3200),对光刻胶层进行图形曝光、显影、烘烤等黄光工艺,以在所述光刻胶层上定义出所述第一开口81和所述第二开口82的图形;使用boe、hf酸或干刻蚀方式对所述绝缘层7进行蚀刻,以于所述绝缘层7上形成所述第一开口81和所述第二开口82,所述第一开口81显露出部分所述ito透明导电层5,所述第二开口82显露出所述凹槽6底部的所述n-gan层(n型半导体层2),其中所述第一开口81的面积大于所述凹槽6的水平投影面积;蚀刻后并去除光刻胶。

为了起到更好的防止发光二极管中漏电的发生,所述绝缘层应采用较厚的厚度,作为示例,所述绝缘层的厚度不小于230nm。

执行步骤s50、如图5所示,形成一第一电极91和一第二电极92,所述第一电极91形成于所述述透明导电层5被所述第一开口81暴露出的表面,所述第一电极91与所述透明导电层5电连接,所述第二电极92形成于所述凹槽6内及所述凹槽6两侧的部分所述绝缘层7上,所述第二电极92与所述n型半导体层2电连接;所述第一电极91和所述第二电极92的水平面投影面积均大于所述凹槽6的水平投影面积。

形成所述第一电极91和所述第二电极92的过程具体包括:于步骤s40形成的结构表面旋涂光刻胶层,所述光刻胶层可采用负胶,如kmp3130;对光刻胶层进行图形曝光、显影、烘烤等黄光工艺,以在所述光刻胶层上定义出所述第一电极91(p-pad)图形和所述第二电极92(n-pad)图形;所述第一电极91图形暴露出第一开口81底部的所述ito透明导电层5,所述第二电极92图形暴露出所述凹槽6底部的所述n-gan层(n型半导体层2)及所述凹槽6两侧的部分所述绝缘层7;在图形化所述光刻胶层上形成金属层,形成所述金属层的方法包括蒸镀或溅射蒸镀,作为示例,所述金属层为多层金属结构,如依次叠层设置的craltinitinitiniau或cralniptniptniptau;形成所述金属层后进行金属层剥离去胶,以形成所述第一电极91(p-pad)和所述第二电极92(n-pad),所述第一电极91(p-pad)和所述第二电极92(n-pad)的水平面投影面积均大于所述凹槽6(mesa)的水平投影面积,以形成如图5所示的小mesa大pad的发光二极管结构。

需要说明的是,采用小mesa和大pad能最大化利用发光面以及利用现有水平结构工艺方法,使得同尺寸发光二极管结构具有更高的亮度和更低的能耗;通过将绝缘层7引入mesa凹槽的侧壁中,对可能的漏电通道进行了绝缘保护,提高了发光二极管结构的电学稳定性;采用大pad设计,使得发光二极管结构具有良好的导热通道(散热能力)及热稳定性,即优秀的抗老化能力。

需要说明的是,形成所述第一电极91和所述第二电极92之后还需进行后工序的研磨减薄、划裂、测试、分选等工序以最终形成产品。

需要说明的是,本实施例的发光二极管结构制备方法可应用于高质量的小mesa大padminiled的制备,在现有的led生产线即可完成miniled的流水,无需额外投入,获得高质量的小mesa和大pad的miniled产品,当然也可应用于microled、小间距led、和其它更大或更小尺寸led的制备;也即本实施例的发光二极管结构制备方法可应用于制备微米尺度,亦可大于或者小于微米尺度的发光二极管。

实施例二

如图5所示,本实施例提供利用实施例一中的方法制备的发光二极管结构,所述结构包括:一衬底1以及依序形成于所述衬底1上的一n型半导体层2、一量子阱层3、一p型半导体层4及一透明导电层5;一凹槽6,所述凹槽6依序穿透所述透明导电层5、所述p型半导体层4、所述量子阱层3及所述n型半导体层2的部分厚度;一绝缘层7,所述绝缘层7具有第一开口81和第二开口82,所述第一开口81显露出部分所述透明导电层5,所述第二开口82显露出所述凹槽6底部的所述n型半导体层2;一第一电极91,所述第一电极91位于所述述透明导电层5被所述第一开口81暴露出的表面,所述第一电极91与所述透明导电层5电连接;以及一第二电极92,所述第二电极92位于所述凹槽6内及所述凹槽6两侧的部分所述绝缘层7上,所述第二电极92与所述n型半导体层2电连接;其中,所述第一电极91和所述第二电极92的水平面投影面积均大于所述凹槽6的水平投影面积。

具体地,所述发光二极管结构还包括一半导体层,所述半导体层位于所述衬底1和所述n型半导体层2之间。作为示例,所述半导体层的材料包括氮化镓。

具体地,所述凹槽6位于所述透明导电层5的部分具有一第一尺寸,所述凹槽6位于所述透明导电层5之下的部分具有一第二尺寸,所述第一尺寸大于所述第二尺寸。

作为示例,所述n型半导体层2的材料包括n型氮化镓;所述量子阱层3的材料包括氮化铟镓或氮化镓;所述p型半导体层4的材料包括p型氮化镓;所述透明导电层5的材料包括ito,zito,zio,gio,zto,fto,azo,gzo,in4sn3o12,niau中的一种;所述绝缘层7包括透明绝缘层7,所述透明绝缘层7包括氮化硅或二氧化硅。

需要说明的是,本实施例中的所述发光二极管结构即可通过实施例一所述的制备方法获得,也可通过其它可行的工艺步骤形成,不以此为限。

综上所述,本发明提供一种发光二极管结构制备方法及其用途,所述发光二极管的制备方法包括,提供一衬底;于所述衬底上依序形成一n型半导体层、一量子阱层、一p型半导体层及一透明导电层;图形化所述n型半导体层、所述量子阱层、所述p型半导体层及所述透明导电层以形成一凹槽,所述凹槽依序穿透所述透明导电层、所述p型半导体层、所述量子阱层及所述n型半导体层的部分厚度;形成一绝缘层,所述绝缘层具有第一开口和第二开口,所述第一开口显露出部分所述透明导电层,所述第二开口显露出所述凹槽底部的所述n型半导体层,其中,所述第一开口的面积大于所述凹槽的水平投影面积;以及形成一第一电极和一第二电极,所述第一电极形成于所述述透明导电层被所述第一开口暴露出的表面,所述第一电极与所述透明导电层电连接,所述第二电极形成于所述凹槽内及所述凹槽两侧的部分所述绝缘层上,所述第二电极与所述n型半导体层电连接;所述第一电极和所述第二电极的水平面投影面积均大于所述凹槽的水平投影面积。本发明的发光二极管结构采用小mesa(上述凹槽)和大pad(上述第一电极和第二电极)结构,能最大化利用发光面以及利用现有水平结构工艺方法,使得同尺寸发光二极管结构具有更高的亮度和更低的能耗;本发明的发光二极管结构,通过将绝缘层引入mesa凹槽的侧壁中,对可能的漏电通道进行了绝缘保护,提高了发光二极管结构的电学稳定性;本发明的发光二极管结构,采用大pad设计,使得发光二极管结构具有良好的导热通道(散热能力)及热稳定性,即优秀的抗老化能力;本发明的发光二极管结构制备方法工艺步骤少,制备工艺简单,产出效率高;本发明的发光二极管结构制备方法可应用于miniled的制备,在现有的led生产线即可完成miniled的流水,无需额外投入,获得高质量的小mesa和大pad的miniled产品。所以,本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

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