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CN101567414B - 一种发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents

一种发光二极管芯片及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种发光二极管芯片，包括依次由蓝宝石衬底、缓冲层、及N型半导体层形成的第一层叠结构，N电极，和依次由有源区发光层、P型半导体层、及P电极层形成的第二层叠结构，其中，所述N电极和第二层叠结构分离地处于所述第一层叠结构的N型半导体层表面，所述缓冲层处于所述蓝宝石衬底一表面，所述蓝宝石衬底另一表面具有凹凸微结构的反射镜层，本发明还提供一种发光二极管芯片的制造方法，包括在蓝宝石衬底一表面生长缓冲层、N型半导体层、有源区发光层、P型半导体层、N电极及透明电极ITO层和P电极；在所述蓝宝石衬底的另一表面制造凹凸微结构及反射镜层的步骤。本发明的有益效果在于：能有效的提高发光二极管外量子效率，提升发光二极管的亮度。

Description

一种发光二极管芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管芯片及其制造方法，特别涉及一种衬底下表面具有凸凹微结构及由SiO2薄膜层与金属膜层组合形成反射镜层的发光二极管芯片及其制造方法。 
背景技术
发光二极管具有寿命长、启动时间短、结构牢固、节能、发光体接近点光源、薄型灯具材料选择范围大、无需施加反射器、低压、无紫外辐射、在公共环境中使用更为安全、其光源生产的无汞化、对于环境保护和节约能源具有重要意义等诸多优点，因此，在建筑物外观照明、景观照明、标识与指示性照明、室内空间展示照明、娱乐场所及舞台照明、视频屏幕及工业设计等领域有着广泛的应用。尤其是大功率发光二极管，因其可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。为了获得高亮度的LED，关键需要提高器件的内量子效率和外量子效率，而芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，主要原因是外延材料、衬底材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。请参阅图1，当辐射出的光子P以入射角θ1到达第一壁w1，经反射后会以入射角θ2到达第二壁w2，再次反射后会以入射角θ3到达第三壁w3，则由入射角θ2＝90°-θ1，θ3＝θ1，发光二极管芯片所采用的材料均具有一光逃逸锥形临界角(light escape cone critical angle)，因此，只要光子P的入射角θ1满足条件：光逃逸锥形临界角＜θ1＜90°-光逃逸锥形临界角时，则光子将因不断地被各壁反射而导致能量在芯片内的消耗，最终无法出光，降低了光提取效率。 
现有技术中已经提出了几种提高芯片光提取效率的方法，包括：1)采用诸如倒金字塔等的结构改变芯片的几何外形，减少光在芯片内部的传播路程，降低光的吸收损耗；2)采用诸如谐振腔或光子晶体等结构控制和改变自发辐射；3)采用表面粗化方法，使光在粗化的半导体和空气界面发生漫射，增加其投射的机会；4)利用倒转焊技术等技术手段。其中，现有粗化技术大多是仅针对N型半导体或P型半导体表面或边侧，以及通过背面蒸镀金属反射镜层来提高发光效率，但是由单纯的金属组成的反射镜对亮度的提升很有限。 
因此，如何突破现有技术提高出光率实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。 
发明内容
本发明的所要解决的技术方案是提供一种高出光率的发光二极管及其制造方法。 
为解决上述技术方案，本发明提供一种发光二极管芯片，包括依次由蓝宝石衬底、缓冲层、及N型半导体层形成的第一层叠结构，N电极，和依次由有源区发光层、P型半导体层、及P电极层形成的第二层叠结构，其中，所述N电极和第二层叠结构分离地处于所述第一层叠结构的N型半导体层表面，所述缓冲层处于所述蓝宝石衬底一表面，所述蓝宝石衬底另一表面具有凹凸微结构，所述蓝宝石衬底具有凹凸微结构的表面具有一层与之对应的凹凸微结构状的反射镜层，所述反射镜层包括SiO2薄膜层及金属膜层。 
较佳地，所述凹凸微结构状呈周期排列。 
较佳的，所述SiO2薄膜层厚度为10-10000 ，所述金属膜层厚度为10-20000 
Figure DEST_PATH_GSB00000088492100012
较佳的，所述SiO2薄膜层厚度为100-5000 
Figure DEST_PATH_GSB00000088492100013
，所述金属膜层厚度为100-10000 
较佳的，所述金属膜层为铝膜层。 
本发明还提供一种发光二极管芯片的制造方法，包括以下步骤：步骤A、在蓝宝石衬底一表面依次生长缓冲层、N型半导体层、有源区发光层、及P型半导体层，并制作处于所述N型半导体层表面的N电极及处于所述P型半导体层表面的透明电极ITO层和P电极；步骤B、在所述蓝宝石衬底的另一表面制造凹凸微结构；步骤C、在所述凹凸微结构上形成反射镜层，其中，所述反射镜层的制造方法为：采用PECVD工艺生长一层厚度为10-10000 
Figure DEST_PATH_GSB00000088492100015
的SiO2薄膜层，再采用电子束蒸镀方式或溅射方式在所述SiO2薄膜层表面蒸镀一层厚度为10-20000 
Figure DEST_PATH_GSB00000088492100016
的金属膜层。 
较佳的，在步骤B之前还包括将蓝宝石衬底另一表面减薄、抛光的步骤。 
较佳的，所述凹凸微结构的制作方法为：在蓝宝石衬底减薄、抛光的表面制作一层掩模层，所述掩模层的厚度为0.5um-4um，在所述掩模层上制作出凹凸图形，然后通过硬烤，并采用干法刻蚀工艺将所述凹凸图形转移到蓝宝石衬底上。 
较佳的，所述凹凸微结构的制作方法为：在蓝宝石衬底减薄、抛光的表面制作一层光刻胶，光刻胶的厚度为0.5um-4um，采用光刻工艺在光刻胶上制作出凹凸图形，然后通过硬烤，并采用干法刻蚀工艺将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上。 
较佳的，所述干法刻蚀工艺为ICP干法刻蚀工艺。 
较佳的，所述凹凸微结构呈周期排列。 
较佳的，所述SiO2薄膜层厚度为100-5000 ，所述金属膜层厚度为100-10000 
Figure DEST_PATH_GSB00000088492100018
较佳的，所述金属膜层为铝膜层。 
本发明的有益效果在于：能有效的提高发光二极管外量子效率，提升发光二极管的亮度。 
附图说明
图1为有源区产生的光在某一折射率材料界面发生全反射示意图。 
图2为本发明提供的发光二极管结构示意图。 
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。 
请参阅图2，本发明提供的发光二极管芯片包括蓝宝石衬底1，依次在蓝宝石衬底1一表面生长的缓冲层2及N型半导体层3，上述三者构成第一层叠结构，依次生长的有源区发光层4、P型半导体层5及P电极层构成第二层叠结构，所述P电极层包括透明电极ITO层6及P电极7，N电极8和所述第二层叠结构分离地处于所述第一层叠结构的N型半导体层3表面，蓝宝石衬底1的另一表面为凹凸微结构，所述凹凸微结构可为周期排列，在所述凹凸微结构上生长拥有一层与之对应凹凸微结构状的反射效果俱佳的反射镜层9。反射镜9包括厚度为10- 
Figure G2009100525579D00031
的SiO2薄膜层及厚度为10- 
Figure G2009100525579D00032
的金属膜层。在较佳情况下，所述SiO2薄膜层厚度为100- 
Figure G2009100525579D00033
所述金属膜层厚度为100- 
Figure G2009100525579D00034
且所述金属膜层为铝膜层。 
为制造上述发光二激光，本发明提供一种工艺方法，包括以下步骤： 
步骤1、在蓝宝石衬底1的一表面依次生长缓冲层2及N型半导体层3，其中，缓冲层2为现有技术的缓冲层，N型半导体层为现有技术的N型半导体层； 
步骤2、在N型半导体层3的一表面生长有源区发光层4、及P型半导体层5，并制作处于所述N型半导体层表面的N电极7及处于所述P型半导体层表面的透明电极ITO层6和P电极7，其中，有源区发光层4、P型半导体层5、透明电极ITO层6及P电极7均为现有技术的有源区发光层、P型半导体层、透明电极ITO层及P电极； 
步骤3、将蓝宝石衬底1另一表面减薄、抛光，采用制造图形衬底的工艺在蓝宝石衬底1减薄、抛光的表面制造凹凸微结构，所述凹凸微结构的制作方法为：在蓝宝石衬底减薄、抛光的表面制作一层掩模层，所述掩模层的厚度为0.5um-4um，在所述掩模层上制作出凹凸图形，然后通过硬烤，并采用干法刻蚀工艺将所述凹凸图形转移到蓝宝石衬底上；在一较佳情况下，所述掩膜层为光刻胶层，所述光刻胶层的厚度为0.5um-4um，采用光刻工艺在光刻胶上制作出凹凸图形，然后通过硬烤，并采用ICP干法刻蚀工艺将光刻胶图形转移到衬底上，所述凹凸微结构可为周期排列的凹凸微结构； 
步骤4、在所述凹凸微结构上生长反射镜层9，反射镜9的制造方法为：采用PECVD工艺生长一层厚度为10-10000 
Figure DEST_PATH_GSB00000088492100021
的SiO2薄膜层，再采用电子束蒸镀设备或溅射设备在SiO2薄膜层表面蒸镀一层厚度为10-20000 
Figure DEST_PATH_GSB00000088492100022
的铝膜层，由于蓝宝石衬底1的下表面具有凹凸微结构，因此生长于该凹凸微结构上的反射镜层9为凹凸微结构状，在较佳情况下，所述SiO2薄膜层厚度为100-5000 
Figure DEST_PATH_GSB00000088492100023
，所述金属膜层厚度为100-10000 
Figure DEST_PATH_GSB00000088492100024
，且所述金属膜层为铝膜层。 
请参见下表1，其为本发明的反射镜工艺与现有反射镜工艺的对比实验数据： 
表1： 
  背镀反射镜工艺   电压(v)   波长(nm)   光功率(mw)
  Ti/Al   3.33   461   88.9
  SiO2/Al   3.29   461   127.4
由表1可见，由SiO2薄膜层和铝膜层组合成的反射镜比常规Ti膜层和铝膜层组合的反射镜亮度高43.3％。 
再请参见表2， 
表2： 
    电压(v)   波长(nm)   光功率(mw)
  有凹凸微结构，且有反射镜   3.31   461.28   164.1
  没有凹凸微结构，但有反射镜   3.32   462.46   130.6
由上可以看出，蓝宝石衬底1另一表面具有凹凸微结构的管芯比不具有凹凸微结构的管芯亮度高25.6％。 
综上所述，本发明由于蓝宝石衬底1的另一表面为凹凸微结构，因此，改变了光反射途径，以及具有特殊反射镜，从而能够大大提高光提取效率，提高芯片的外量子效率，进而提高发光二极管的芯片亮度。 
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (8)

1.一种发光二极管芯片，包括依次由蓝宝石衬底、缓冲层、及N型半导体层形成的第一层叠结构，N电极，和依次由有源区发光层、P型半导体层、及P电极层形成的第二层叠结构，其中，所述N电极和第二层叠结构分离地处于所述第一层叠结构的N型半导体层表面，所述缓冲层处于所述蓝宝石衬底一表面，所述发光二极管芯片的特征在于：所述蓝宝石衬底另一表面具有凹凸微结构，所述蓝宝石衬底具有凹凸微结构的表面具有一层与之对应的凹凸微结构状的反射镜层，所述反射镜层包括SiO2薄膜层及铝膜层；
所述凹凸微结构状呈周期排列；所述SiO2薄膜层厚度为
Figure FSB00000774770400011
所述金属铝膜层厚度为
Figure FSB00000774770400012
2.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述SiO2薄膜层厚度为所述金属铝膜层厚度为
Figure FSB00000774770400014
3.一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、在蓝宝石衬底一表面依次生长缓冲层、N型半导体层、有源区发光层、及P型半导体层，并制作处于所述N型半导体层表面的N电极及处于所述P型半导体层表面的透明电极ITO层和P电极；
步骤B、在所述蓝宝石衬底的另一表面制造凹凸微结构；所述凹凸微结构呈周期排列；
步骤C、在所述凹凸微结构上形成反射镜层，其中，所述反射镜层的制造方法为：采用PECVD工艺生长一层厚度为的SiO2薄膜层，再采用电子束蒸镀方式或溅射方式在所述SiO2薄膜层表面蒸镀一层厚度为
Figure FSB00000774770400016
的铝膜层。
4.如权利要求3所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：在步骤B之前还包括将蓝宝石衬底另一表面减薄、抛光的步骤。
5.如权利要求4所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，所述凹凸微结构的制作方法为：在蓝宝石衬底减薄、抛光的表面制作一层掩模层，所述掩模层的厚度为0.5um-4um，在所述掩模层上制作出凹凸图形，然后通过硬烤，并采用干法刻蚀工艺将所述凹凸图形转移到蓝宝石衬底上。
6.如权利要求5所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，所述凹凸微结构的制作方法为：在蓝宝石衬底减薄、抛光的表面制作一层光刻胶，光刻胶的厚度为0.5um-4um，采用光刻工艺在光刻胶上制作出凹凸图形，然后通过硬烤，并采用干法刻蚀工艺将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上。
7.如权利要求5或6所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述干法刻蚀工艺为ICP干法刻蚀工艺。
8.如权利要求3所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述SiO2薄膜层厚度为
Figure FSB00000774770400021
所述铝膜层厚度为
Figure FSB00000774770400022
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