CN101447546A - 具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
一种具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，包括衬底、n极区域、活性层和p极区域，在n极区域上设有N电极，在p极区域上设有P电极和电流扩散层，在电流扩散层上设有保护层，其特征在于：光子晶体侧向光提取器由柱阵列组成，所述柱阵列贯穿p极区域、活性层和n极区域直至衬底表面，所述光子晶体侧向光提取器包括芯片四周柱阵列和芯片中间柱阵列，N电极和P电极间电流扩散层保持导电的通路。由于光子晶体侧向光提取器(光子晶体阵列)的设置，修正光的角度，使更多侧面的光投射到外面，从而大幅度地提高LED的外部量子效率。克服了芯片取光效率低、应力集中、发热量大且散热效果不佳的问题。从而使生产出来的LED性能更加稳定，发光亮度更大。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，具体涉及一种具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片及制造方法，用来提高芯片取光效率及发光亮度。
背景技术
发光二极管(LED)是一种具有较高的光电转换效率的半导体发光器件。随着半导体制备技术的不断进步和新型材料的开发利用，GaN基蓝色LED已日渐趋于成熟。外量子效率是高亮度LED芯片的主要技术瓶颈。当前，商业化LED的内量子效率已达到90％以上，而外量子效率仅有3-30％，这主要是由于光的逃逸率低造成的。引起光的逃逸率低的因素主要是由于(aN这种材料本身的折射率比较高，对于平面片状的LED出光表面，有源层所发出的光从芯片的平面表面出射时的全反射的临界角比较小，因此有源层所发出的光很大一部分在芯片的表面发生全反射，同时这些发生全反射的光在芯片的内部不断穿越有源层并被其吸收而产生热，这样影响了芯片的发光效率和整体性能的提高。因此，衬底、晶格缺陷对光的吸收和光在射出的过程中，在各个界面由于全反射所造成的损失成为制约芯片外量子效率提高的主要因素。目前，大量的研究集中在如何提高LED正向的出光效率，如：改变芯片的几何外形、使用倒装结构的芯片、使用透光率高的ITO代替半透明的Ni/Au和使用表面粗化的芯片等。而最后得到的芯片结构也没有很好地解决出光效率和性能的问题。这主要是由于LED的正向光仅占全部功率的30％左右，而侧壁光占50％以上，提高正向出光对于提高LED的外量子效率将会十分有限。最近研究表明，具有优化光子晶体提取器的LED芯片可以大幅度的提高芯片外量子效率和整体性能，而这些研究和改进也主要是集中在提高芯片的正向出光方面。随着半导体技术的发展和芯片制程能力的不断提升，客观上要求芯片具有更大的尺寸和更高的亮度。因此，解决好芯片的发光效率和高功率所带来的散热、内部应力等问题将会是提高LED芯片外部量子效率和整体性能的关键。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的目的是提供一种具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，用于来提高芯片的取光效率和部分芯片尺寸过大所带来的发热量大、应力集中等问题。
为了达到上述目的，本发明提供的一种具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，包括衬底、n极区域、活性层和p极区域，在n极区域上设有N电极，在p极区域上设有P电极和电流扩散层，在电流扩散层上设有保护层，其特征在于：光子晶体侧向光提取器由柱阵列组成，所述柱阵列贯穿p极区域、活性层和n极区域直至衬底表面，所述光子晶体侧向光提取器包括芯片四周柱阵列和芯片中间柱阵列，N电极和P电极间电流扩散层保持导电的通路。
如上所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：所述四周柱阵列和中间柱阵列是实体柱阵列或是孔阵列，四周柱阵列或中间柱阵列的柱形是圆形或椭圆型或多边形。芯片中间柱阵列既有提高发光的左右，也可以起到消除大芯片中间应力的作用，中间柱阵列不全部隔断N电极和P电极间的导电通路即可。
如上所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：四周柱阵列是连续的或断续的。
如上所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：所述衬底是适合氮化镓及其它半导体外延材料生长的材料，如氮化镓单晶、蓝宝石a-Al2O3、单晶硅、二氧化硅单晶和碳化硅SiC单晶等。
如上所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：外延片包括衬底、n极区域、活性层和p极区域，活性层为电子-空穴复合区域，具有单异质结、双异质结、单量子肼和多量子肼的结构。
如上所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：所述活性层设在n极区域和p极区域之间，在n极区域上设有N电极，在p极区域上设有P电极，N和P电极的制作材料是金、镍、银、铜、铂或其合金，N电极和P电极在活性层的同一侧，也可以分别在两侧，芯片的结构不局限于正装结构，也可以是垂直结构的和倒装结构的芯片。
如上所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：N电极和P电极形状为弧形、环形或矩形，其相对位置关系是在发光区域均匀分布。
如上所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于，所述电流扩散层分布在整个p极区域，其材料为Ni/Au或者ITO。
上述具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片的制造，主要是通过沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺在所述的外延片上形成光子晶体侧向光提取器，所述的光子晶体侧向光提取器结构由圆柱阵列组成，也可以是由孔阵列组成，所述阵列贯穿p极区域、活性层和n极区域直至衬底表面，在n极区域的一个边的中间通过光刻、刻蚀、沉积、蒸镀和离子溅射等方法形成N电极；同样在相对于N电极的对侧，在p极区域上通过光刻、刻蚀、沉积、蒸镀和离子溅射等方法形成P电极和电流扩散层，在电流扩散层上通过光刻、刻蚀、沉积、蒸镀和离子溅射等方法形成保护层。
其具体制造方法如下：
1)选择大小尺寸合适的芯片，可以是长方形的或任何其它的形状；
2)在芯片的p极区域表面镀附一层SiO2的保护膜层；
3)在保护膜上涂布光刻胶，用激光曝光机对光刻胶进行曝光；
4)在光刻胶的保护下用RIE或者ICP对SiO2进行刻蚀；
5)在光刻胶和SiO2的保护下用RIE或者ICP对外延片进行刻蚀，直至蓝宝石衬底，即刻蚀出光子晶体柱状或者孔状的阵列，然后移除SiO2保护膜和光刻胶；
6)在光刻胶的保护下通过RIE或者ICP刻蚀的方法，刻蚀出N电极部分，然后移除光刻胶；
7)在光刻胶的保护下蒸镀Ni/Au或者ITO电流扩散层，然后通过RIE或者ICP刻蚀的方法得到P电极部分；
8)蒸镀N电极后剥离；
9)蒸镀P电极后剥离，通过光刻、沉积和刻蚀的方法在P电极区域生长SiO2保护层；
如上所述的一种具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：可用于发光二极管芯片、IC芯片、激光二极管(LD)、紫外探测器及其它晶体管器件。
本发明的有益效果是，通过光子晶体侧向光提取器的设置，修正光的角度，使更多侧面的光投射到外面，从而大幅度地提高LED的外部量子效率。克服了芯片取光效率低、应力集中、发热量大且散热效果不佳的问题。从而使生产出来的LED性能更加稳定，发光亮度更大。
附图说明
图1A～图1C，是本发明实施例1的俯视、主视和侧视图。
其中：
图1A，是本发明实施例1的俯视图。
图1B，是本发明实施例1的主视图。
图1C，是本发明实施例1的侧视图。
图2A～图2I，是本发明一个实施例1各个工艺流程得到的结构示意图。
其中：
图2A，是所用的外延片结构示意图。
图2B，是在衬底上沉积钝化层204后所得到的结构示意图。
图2C，是在钝化层204上光刻后得到的结构示意图。
图2D，是刻蚀钝化层204后所得到的结构示意图。
图2E，是刻蚀出光子晶体侧向光提取器、去掉光刻胶205和钝化层204后所得到的结构示意图。
图2F，是刻蚀N电极206区域后后得到的结构示意图。
图2G，是沉积电流扩散层208和刻蚀P电极207后得到的结构示意图。
图2H，是蒸镀N电极206和剥离后得到的结构示意图。
图2I，是蒸镀P电极207和剥离后得到的结构示意图。
具体实施方式
下面根椐附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1A～图1C中标记说明：100—衬底，101—n极区域，102—活性层，103—p极区域，104—四周柱阵列，105—中间柱阵列，106-N电极，107—P电极，108—电流扩散层，109—保护层。
图2A～图2I中标记说明：200—衬底，201-n极区域，202—活性层，203—p极区域，204—钝化层，205—光刻胶，206—N电极，207—P电极，208—电流扩散层，209—保护层。
参见图1A～图1C，是本发明的实施例1的俯视图、主视图和侧视图。
参见图1A，是本发明实施例1的俯视图，显示了四周柱阵列104和中间柱阵列105、N电极106和P电极107在芯片上的相对位置；
参见图1B，是本发明实施例1的主视图，显示了衬底100、n极区域101、活性层102、p极区域103、N电极106、电流扩散层108和保护层109及四周柱阵列104和中间柱阵列105的深度；
参见图1C，是本发明实施例1的侧视图，进一步显示了N电极106、P电极107、四周柱阵列104和中间柱阵列105之间的位置关系。
本发明提供的是一种具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，包括衬底100、n极区域101、活性层102和p极区域103，在n极区域101上设有N电极106，在p极区域103上设有P电极107和电流扩散层108，在电流扩散层108上设有保护层109，其特征在于：光子晶体侧向光提取器由柱阵列组成，所述柱阵列贯穿p极区域103、活性层102和n极区域101直至衬底100表面，所述光子晶体侧向光提取器包括芯片四周柱阵列104和芯片中间柱阵列105，N电极106和P电极107间保持导电通路。如果芯片不是很大，芯片中间的应力也就不是很大，可以不用设置芯片中间的柱阵列105。
如上所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：所述四周柱阵列104和中间柱阵列105是实体柱阵列或是孔阵列，四周柱阵列104和中间柱阵列105的柱形是圆形或椭圆型或多边形。芯片中间柱阵列105既有提高发光的左右，也可以起到消除大芯片中间应力的作用，中间柱阵列105不全部隔断N电极106和P电极107间的导电通路即可。在本实施例中，采用的是圆形实体柱阵列。
如上所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：四周柱阵列104是连续的或断续的。本实施例中是连续的。
所述衬底100是适合氮化镓及其它半导体外延材料生长的材料，如氮化镓单晶、蓝宝石(a-Al2O3)、单晶硅、二氧化硅单晶和碳化硅(SiC)单晶等。
外延片包括衬底100，n极区域101，活性层102，p极区域103。所述活性层102为电子-空穴复合区域，具有单异质结、双异质结、单量子肼和多量子肼的结构。
所述活性层102设在n极区域101和p极区域103之间，在n极区域101上设有N电极106，在p极区域103上设有P电极107，N和P电极的制作材料是金、镍、银、铜、铂或其合金。N电极106和P电极107在活性层102的同一侧，也可以分别在两侧，芯片的结构不局限于附图所述的正装结构，也可以是垂直结构的和倒装结构的芯片。
N电极106和P电极107形状及其相对位置关系并不局限于图示的形式，可以是在发光区域均匀分布的仟何形式，可以是其它利于电流均匀分布和利于光导出的任何形状，如：弧形、环形、矩形等。
所述电流扩散层108分布在整个p极区域103，其材料为Ni/Au或者ITO。
通过沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺在所述的外延片上形成光子晶体侧向光提取器104和105，所述的光子晶体侧向光提取器由圆柱阵列组成，也可以是由孔阵列组成，所述四周柱阵列104和中间柱阵列105贯穿p极区域103、活性层102和n极区域101直至衬底100表面，在n极区域101的一个边的中间通过光刻、刻蚀、沉积、蒸镀和离子溅射等方法形成N电极106；同样在相对于N电极106的对侧，在p极区域103上通过光刻、刻蚀、沉积、蒸镀和离子溅射等方法形成P电极107和电流扩散层108，在电流扩散层108上通过光刻、刻蚀、沉积、蒸镀和离子溅射等方法形成保护层109。
参见图2，是本发明的一个实施例各个工艺流程得到的结构示意图，其具体制造方法如下：
1)选择大小尺寸合适的芯片，可以是长方形的或任何其它的形状，如图2A所示；
2)在芯片的p极区域203表面镀附一层SiO2 204的保护膜层，如图2B所示；
3)在保护膜上涂布光刻胶205，用激光曝光机对光刻胶进行曝光，如图2C所示；
4)在光刻胶205的保护下用RIE或者ICP对SiO2 204进行刻蚀，如图2D所示；
5)在光刻胶205和SiO2 204的保护下用RIE或者ICP对外延片进行刻蚀，直至蓝宝石衬底200，即刻蚀出光子晶体柱状或者孔状的阵列，然后移除SiO2 204保护膜和光刻胶205，如图2E所示；
6)在光刻胶205的保护下通过RIE或者ICP刻蚀的方法，刻蚀出N电极206部分(改为N区部分)，然后移除光刻胶205，如图2F所示；
7)在光刻胶205的保护下蒸镀Ni/Au或者ITO电流扩散层208，然后通过RIE或者溶液腐蚀的方法得到P电极207所在区域部分，如图2G所示；
8)蒸镀N电极206后剥离，如图2H所示；
9)蒸镀P电极207后剥离，通过光刻、沉积和刻蚀的方法在P电极207区域生长SiO2保护层209，如图2I所示；
以上所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，可用于发光二极管芯片、IC芯片、激光二极管(LD)、紫外探测器及其它晶体管器件。
Claims (5)
1、一种具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，包括衬底(100)、n极区域(101)、活性层(102)和p极区域(103)，在n极区域(101)上设有N电极(106)，在p极区域(103)上设有P电极(107)和电流扩散层(108)，在电流扩散层(108)上设有保护层(109)，其特征在于：光子晶体侧向光提取器由柱阵列组成，所述柱阵列贯穿p极区域(103)、活性层(102)和n极区域(101)直至衬底(100)表面，所述光子晶体侧向光提取器包括芯片四周柱阵列(104)和/或芯片中间柱阵列(105)，N电极和P电极间电流扩散层保持导电的通路。
2、如权利要求1所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：所述四周柱阵列(104)和中间柱阵列(105)是实体柱阵列或是孔阵列，四周柱阵列(104)和中间柱阵列(105)的柱形是圆形或椭圆型或多边形。
3、如权利要求1所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：四周柱阵列是连续的或断续的。
4、如权利要求1所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：所述衬底是适合氮化镓及其它半导体外延材料生长的材料。
5、如权利要求1所述的具有光子晶体侧向光提取器的发光二极管芯片，其特征在于：外延片包括衬底、n极区域、活性层和p极区域，活性层为电子-空穴复合区域，具有单异质结、双异质结、单量子肼或多量子肼的结构。
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