CN106449920B - 一种发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管芯片及其制造方法，属于半导体技术领域。发光二极管芯片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层、电流扩展层、绝缘钝化层，p型Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在n型Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置在电流扩展层上，发光二极管芯片还包括设置在衬底和n型Ⅲ族氮化物半导体层之间的光提取增强层，光提取增强层包括呈阵列分布的多个曲面结构，曲面结构与衬底一起形成中空结构，衬底、曲面结构、以及中空结构内的物质均是透明的。本发明提高了LED芯片的外量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管芯片及其制造方法。
背景技术
作为新一代环保型固态光源，发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)具有寿命长、可靠性高、体积小、功耗低、响应速度快、易于调制和集成等优点，在信息显示、图像处理、照明等领域得到广泛应用。Ⅲ族氮化物基LED的发光波长涵盖了整个可见光波段，已成为人们关注的焦点。
LED包括衬底、以及依次层叠在衬底上的n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层、透明导电层，p型Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在n型Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置透明导电层上。在第二电极和第一电极通电的情况下，n型Ⅲ族氮化物半导体层中的电子、p型Ⅲ族氮化物半导体层中的空穴注入有源层复合发光。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于存在各种光学损耗，如全反射，使得LED芯片内部产生的部分光无法出射，导致显著的光学损耗，严重影响了LED芯片的光电转换效率，LED芯片的外量子效率较低。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层、电流扩展层、绝缘钝化层，所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至所述n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在所述n型Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置在所述电流扩展层上，所述发光二极管芯片还包括设置在所述衬底和所述n型Ⅲ族氮化物半导体层之间的光提取增强层，所述光提取增强层包括呈阵列分布的多个曲面结构，所述曲面结构与所述衬底一起形成中空结构，所述衬底、所述曲面结构、以及所述中空结构内的物质均是透明的。
可选地，所述中空结构内的物质为空气。
可选地，所述曲面结构采用的材料为Al2O3或者AlN。
可选地，所述衬底为Al2O3晶体。
在本发明一种可能的实现方式中，所述电流扩展层为金属反射层。
在本发明另一种可能的实现方式中，所述电流扩展层为透明导电层，所述衬底上还设有反射层，所述反射层和所述曲面结构分别设置在所述衬底的两侧。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制造方法，所述制造方法包括：
在衬底上形成光提取增强层，所述光提取增强层包括呈阵列分布的多个曲面结构，所述曲面结构与所述衬底一起形成中空结构，所述衬底、所述曲面结构、以及所述中空结构内的物质均是透明的；
在所述衬底和所述光提取增强层上依次生长n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层；
在所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至所述n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽；
在所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上依次形成电流扩展层和绝缘钝化层；
在所述电流扩展层上设置第二电极，在所述n型Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极。
可选地，所述在衬底上形成光提取增强层，包括：
在所述衬底上铺上一层光刻胶；
采用光刻技术去除部分的所述光刻胶，留下呈阵列分布的多个圆柱状的所述光刻胶；
通过加热将圆柱状的所述光刻胶变成曲面状的所述光刻胶；
在曲面状的所述光刻胶上沉积所述光提取增强层；
进行退火处理，退火使用的气氛扩散到所述光提取增强层内与曲面状的所述光刻胶发生化学反应，生成透明气体，所述透明气体扩散到所述光提取增强层外，形成所述中空结构。
在本发明一种可能的实现方式中，所述电流扩展层为金属反射层。
在本发明另一种可能的实现方式中，所述电流扩展层为透明导电层，所述制造方法还包括：
在所述衬底上形成反射层，所述反射层和所述曲面结构分别设置在所述衬底的两侧。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在衬底和n型Ⅲ族氮化物半导体层之间设置光提取增强层，光提取增强层包括呈阵列分布的多个曲面结构，曲面结构与衬底一起形成中空结构，衬底、曲面结构、以及中空结构内的物质均是透明的，曲面结构和中空结构改变了光线的入射角，使得更多光线的入射角没有超过全反射的临界角而从LED芯片内部射出，与图形化衬底相比，设有曲面结构和中空结构的衬底具有强衍射、高折射率对比的特点，可以大幅增加了LED芯片的出光量，提高了LED芯片的外量子效率。而且曲面结构呈阵列排列，可以有效减少外延材料的位错和缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管芯片的制造方法的流程图；
图3是本发明实施例二提供的形成光提取增强层的流程图；
图4a-图4f是本发明实施例二提供的发光二极管芯片在制造过程中的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片，适用于显示屏、背光源、白光照明等，参见图1，该发光二极管芯片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的n型Ⅲ族氮化物半导体层2、有源层3、p型Ⅲ族氮化物半导体层4、电流扩展层5、绝缘钝化层6，p型Ⅲ族氮化物半导体层4上设有延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层2的凹槽，第一电极7设置在n型Ⅲ族氮化物半导体层2上，第二电极8设置在透明导电层5上。
在本实施例中，该发光二极管芯片还包括设置在衬底1和n型Ⅲ族氮化物半导体层2之间的光提取增强层，光提取增强层包括呈阵列分布的多个曲面结构91，曲面结构91与衬底1一起形成中空结构92，衬底1、曲面结构91、以及中空结构92内的物质均是透明的。
具体地，第一电极7与n型Ⅲ族氮化物半导体层2电连接，第二电极8与电流扩展层6电连接。n型Ⅲ族氮化物半导体层2用于向有源层3注入电子，p型Ⅲ族氮化物半导体层4用于向有源层3注入空穴。
可选地，中空结构92内的物质可以为空气。
可选地，曲面结构91采用的材料可以为Al2O3或者AlN。
可选地，衬底1可以为Al2O3晶体。
在本实施例的一种实现方式中，电流扩展层5可以为金属反射层。
在上述实现方式中，金属反射层用于将有源层3发出的光向衬底1方向反射。第一电极7和第二电极8焊接在散热基板上。
具体地，金属反射层可以为Al层、Ag层、交替层叠的Al层和Ag层中的任一种，具有高反射率，有利于将有源层发出的光线反射到衬底射出。
在本实施例的另一种实现方式中，电流扩展层5可以为透明导电层，此时衬底1上还设有反射层(图中未示出)，反射层和曲面结构71分别设置在衬底1的两侧。
在上述实现方式中，反射层用于将有源层3发出的光向电流扩展层5方向反射。反射层中与连接衬底1的表面相反的表面焊接在散热基板上。
具体地，反射层可以为金属反射层。
具体地，透明导电层可以为氧化铟锡(英文：Indium tin oxide，简称ITO)、掺镓的氧化锌(英文：Gallium doped Zinc Oxide，简称GZO)、掺铝的氧化锌(英文：Aluminum ZincOxide，简称AZO)、石墨烯中的任一种，具有高透光率和高导电性，有利于提高发光二极管的发光亮度。
可选地，n型Ⅲ族氮化物半导体层2可以为掺杂有n型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，有源层3可以包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，量子阱层和量子垒层交替层叠，N为正整数。
可选地，p型Ⅲ族氮化物半导体层4可以为掺杂有p型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，绝缘钝化层6可以为二氧化硅。
可选地，第一电极7的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种，第二电极8的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种。
本发明实施例通过在衬底和n型Ⅲ族氮化物半导体层之间设置光提取增强层，光提取增强层包括呈阵列分布的多个曲面结构，曲面结构与衬底一起形成中空结构，衬底、曲面结构、以及中空结构内的物质均是透明的，曲面结构和中空结构改变了光线的入射角，使得更多光线的入射角没有超过全反射的临界角而从LED芯片内部射出，与图形化衬底相比，设有曲面结构和中空结构的衬底具有强衍射、高折射率对比的特点，可以大幅增加了LED芯片的出光量，提高了LED芯片的外量子效率。而且曲面结构呈阵列排列，可以有效减少外延材料的位错和缺陷。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制造方法，适用于制造实施例一提供的发光二极管芯片，参见图2，该制造方法包括：
步骤201：在衬底上形成光提取增强层。
在本实施例中，光提取增强层包括呈阵列分布的多个曲面结构，曲面结构与衬底一起形成中空结构，衬底、曲面结构、以及中空结构内的物质均是透明的。
可选地，中空结构内的物质可以为空气。
可选地，曲面结构采用的材料可以为Al2O3或者AlN。
可选地，衬底可以为Al2O3晶体。
可选地，参见图3，该步骤201可以包括：
步骤201a、在衬底上铺上一层光刻胶；
步骤201b、采用光刻技术去除部分的光刻胶，留下呈阵列分布的多个圆柱状的光刻胶，如图4a所示；
步骤201c、通过加热将圆柱状的光刻胶变成曲面状的光刻胶，如图4b所示；
步骤201d、在曲面状的光刻胶上沉积光提取增强层，如图4c所示；
步骤201e、进行退火处理，退火使用的气氛扩散到光提取增强层内与曲面状的光刻胶发生化学反应，生成透明气体，透明气体扩散到光提取增强层外，形成中空结构，如图4d所示。
其中，图4a为步骤201b执行之后的LED芯片的结构示意图，图4b为步骤201c执行之后的LED芯片的结构示意图，图4c为步骤201d执行之后的LED芯片的结构示意图，图4d为步骤201e执行之后的LED芯片的结构示意图。在图4a-图4d中，1为衬底，10为光刻胶，91为曲面结构，92为中空结构。
优选地，在步骤201c中，加热的温度可以为90～150℃，加热的时间可以为20～50min。
优选地，该步骤201d可以包括：
采用等离子体增强化学气相沉积法(英文：Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，简称PECVD)或者采用原子层沉积(英文：Atomic layer deposition，简称ALD)技术在曲面状的光刻胶上沉积光提取增强层。
优选地，在步骤201e中，退火的温度可以为400～600℃，退火的时间可以为5～20min。
在具体实现中，光刻胶的主要成分为有机物，步骤201e中退火使用的气氛可以包括氧气，氧气和有机物反应生成透明的二氧化碳。
步骤202：在衬底和光提取增强层上依次生长n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层。
图4e为步骤202执行之后的LED芯片的结构示意图。其中，1为衬底，91为曲面结构，92为中空结构，2为n型Ⅲ族氮化物半导体层，3为有源层，4为p型Ⅲ族氮化物半导体层。
在本实施例中，n型Ⅲ族氮化物半导体层用于向有源层注入电子，p型Ⅲ族氮化物半导体层用于向有源层注入空穴。
可选地，n型Ⅲ族氮化物半导体层可以为掺杂有n型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，有源层可以包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，量子阱层和量子垒层交替层叠，N为正整数。
可选地，p型Ⅲ族氮化物半导体层可以为掺杂有p型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
具体地，该步骤202可以包括：
采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)技术在衬底上依次生长n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层。
步骤203：在p型Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽。
具体地，该步骤203可以包括：
采用光刻技术和等离子体刻蚀技术在p型Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽。
步骤204：在p型Ⅲ族氮化物半导体层上依次形成电流扩展层和绝缘钝化层。
可选地，绝缘钝化层可以为二氧化硅。
在本实施例的一种实现方式中，电流扩展层可以为金属反射层。
在上述实现方式中，金属反射层用于将有源层发出的光向衬底方向反射。步骤205中形成的第一电极和第二电极焊接在散热基板上。
具体地，金属反射层可以为Al层、Ag层、交替层叠的Al层和Ag层中的任一种，具有高反射率，有利于将有源层发出的光线反射到衬底射出。
在本实施例的另一种实现方式中，电流扩展层可以为透明导电层，此时衬底上还设有反射层，反射层和曲面结构分别设置在衬底的两侧。
相应地，在步骤205之后，该制造方法还可以包括：
在衬底上形成反射层，反射层和曲面结构分别设置在衬底的两侧。
在上述实现方式中，反射层用于将有源层发出的光向电流扩展层方向反射。反射层中与连接衬底的表面相反的表面焊接在散热基板上。
具体地，反射层可以为金属反射层。
具体地，透明导电层可以为氧化铟锡(英文：Indium tin oxide，简称ITO)、掺镓的氧化锌(英文：Gallium doped Zinc Oxide，简称GZO)、掺铝的氧化锌(英文：Aluminum ZincOxide，简称AZO)、石墨烯中的任一种，具有高透光率和高导电性，有利于提高发光二极管的发光亮度。
具体地，该步骤204可以包括：
采用蒸镀技术在p型Ⅲ族氮化物半导体层上依次形成电流扩展层和绝缘钝化层。
步骤205：在电流扩展层上设置第二电极，在n型Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极。
图4f为步骤205执行之后的LED芯片的结构示意图。其中，1为衬底，91为曲面结构，92为中空结构，2为n型Ⅲ族氮化物半导体层，3为有源层，4为p型Ⅲ族氮化物半导体层，5为电流扩展层，6为绝缘钝化层，7为第一电极，8为第二电极。
具体地，第一电极与n型Ⅲ族氮化物半导体层电连接，第二电极与电流扩展层电连接。
可选地，第一电极的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种，第二电极的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种。
具体地，该步骤205可以包括：
采用溅射技术在电流扩展层上设置第二电极，在n型Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极。
本发明实施例通过在衬底和n型Ⅲ族氮化物半导体层之间设置光提取增强层，光提取增强层包括呈阵列分布的多个曲面结构，曲面结构与衬底一起形成中空结构，衬底、曲面结构、以及中空结构内的物质均是透明的，曲面结构和中空结构改变了光线的入射角，使得更多光线的入射角没有超过全反射的临界角而从LED芯片内部射出，与图形化衬底相比，设有曲面结构和中空结构的衬底具有强衍射、高折射率对比的特点，可以大幅增加了LED芯片的出光量，提高了LED芯片的外量子效率。而且曲面结构呈阵列排列，可以有效减少外延材料的位错和缺陷。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
在衬底上形成光提取增强层，所述光提取增强层包括呈阵列分布的多个曲面结构，所述曲面结构与所述衬底一起形成中空结构，所述衬底、所述曲面结构、以及所述中空结构内的物质均是透明的，所述中空结构内的物质为空气，所述曲面结构采用的材料为Al2O3或者AlN，所述衬底为Al2O3晶体；
在所述衬底和所述光提取增强层上依次生长n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层；
在所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至所述n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽；
在所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上依次形成电流扩展层和绝缘钝化层；
在所述电流扩展层上设置第二电极，在所述n型Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极；
所述在衬底上形成光提取增强层，包括：
在所述衬底上铺上一层光刻胶；
采用光刻技术去除部分的所述光刻胶，留下呈阵列分布的多个圆柱状的所述光刻胶；
通过加热将圆柱状的所述光刻胶变成曲面状的所述光刻胶；
在曲面状的所述光刻胶上沉积所述光提取增强层；
进行退火处理，退火使用的气氛扩散到所述光提取增强层内与曲面状的所述光刻胶发生化学反应，生成透明气体，所述透明气体扩散到所述光提取增强层外，形成所述中空结构。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述电流扩展层为金属反射层。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述电流扩展层为透明导电层，所述制造方法还包括：
在所述衬底上形成反射层，所述反射层和所述曲面结构分别设置在所述衬底的两侧。
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