CN101807646A

CN101807646A - 用空气形成图形衬底的高效率发光二极管及其制备方法

Info

Publication number: CN101807646A
Application number: CN201010130149A
Authority: CN
Inventors: 徐瑾; 杨辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2010-08-18

Abstract

本发明涉及用空气形成图形衬底的高效率发光二极管，其特征在于依次包括：衬底、衬底上空气形成的空洞及空洞上方GaN基发光二极管，用空气形成图形衬底的高效率发光二极管制备方法，其步骤为：1)在衬底上用高熔点材料制备一层薄膜；2)通过光刻，刻蚀在衬底上用高熔点材料制备图形；3)在图形衬底上制作GaN基发光二极管外延层；4)放入腐蚀溶液，通过侧向腐蚀去除GaN外延层下面的高熔点材料，形成空洞；5)制作发光二极管芯片。本发明的优点是：用空气形成的图形衬底，反射率会更高；整个工艺过程比较简单，容易控制，适用于大规模的商业生产。

Description

用空气形成图形衬底的高效率发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用空气形成图形衬底的高效率发光二极管及其制备方法。

背景技术

GaN基发光二极管(LED)以其寿命长、可靠性高、高效节能等优异特性在显示技术和固态照明领域具有广泛的应用。但由于GaN发光二极管材料体折射系数(n＝2.4)与空气间折射系数(n＝1.0)差异很大，使得其全反射临界角大约只有25度，造成发光层产生的光，大部分只能在内部全反射而不能逃逸出来。为了要改变这种缺点，在公知技术中，有人提出将衬底进行粗化，以提高光的抽取效率，衬底粗化方法主要有两类：

1、利用蓝宝石材料本身进行粗化。如图1所示，其中a为图形化的蓝宝石衬底；b为N型GaN；c为量子阱；d为P型GaN；e为透明电极；f为P压焊点；g为N压焊点。用这种方案制备图形需要刻蚀蓝宝石，已知的图形化蓝宝石衬底制作可参照美国专利20080070413、20070037307。

其缺点在于：

1)由于蓝宝石材料比较坚硬，图形制作过程比较复杂和困难，不易控制。干法刻蚀蓝宝石，需要特殊冷却系统，高功率的等离子体。普通的刻蚀设备，不能满足该要求。湿法腐蚀蓝宝石也需要在高温(大于200摄氏度)下使用磷酸，图形的均匀性和工艺的重复性都比较差。

2)蓝宝石折射率为1.8，当光从外延层进入衬底时，图形化的蓝宝石也可以提高反射率，增加正面出光效率，但是提高的幅度有限。如果在衬底上用折射率为1.0的材料制作图形，将会显著提高二极管的正面出光效率。

2、用其它材料在蓝宝石衬底上制作粗化图形【参考文献K.Hoshino，T.Murata，M.Araki，K.Tadatomo phys.stat.sol.(c)5，No.9，3060-3062(2008)】，如图2所示，其中a是在蓝宝石衬底上用SiO2材料制备的条形图案；b为N型GaN；c为量子阱；d为P型GaN；e为透明电极；f为P压焊点；g为N压焊点。用SiO2材料制作图形的方法比较简单，但也还是有一定的缺陷：

虽然由于SiO2的折射率(1.5)比蓝宝石折射率(1.8)小，光从外延层入射到SiO2时，反射率会有所提高，但如果在衬底上用折射率最低的空气(折射率是1.0)代替SiO2制作图形，光的抽取效率将会更高。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种用空气形成图形衬底的高效率发光二极管及其制备方法，以提高光的抽取效率。

用空气形成图形衬底的高效率发光二极管结构依次包括：衬底、衬底上空气形成的空洞、及空洞上方GaN基发光二极管。

其中所述的衬底是蓝宝石。

其中所述空气形成的空洞为带状，可以是直的，也可以是弯曲的，长度为6～60000微米，空洞间距在0.2～10.0微米之间；空洞横截面可以为半圆形，三角形，梯形，矩形，下底直径在0.2～10.0微米之间；横截面的高度在0.2～4.0微米之间。

其中所述GaN基发光二极管包括N型GaN；量子阱；P型GaN；透明电极；P压焊点，N压焊点。N型GaN，厚度在1～5微米之间；量子阱，厚度一般在2～1000纳米之间；P型GaN，厚度在10～1000纳米之间。

用空气形成图形衬底的高效率发光二极管制备方法，步骤为：

1)在衬底上用高熔点(大于500摄氏度)材料制备一层薄膜；

2)通过光刻，刻蚀在衬底上用高熔点材料制备图形；

3)在图形衬底上制作GaN基发光二极管外延层；

4)放入腐蚀溶液，通过侧向腐蚀去除GaN外延层下面的高熔点材料，形成空洞；

5)制作发光二极管芯片。

其中，所述步骤1)中的衬底是蓝宝石衬底。

其中，所述步骤1)中的高熔点材料可以为SiO2、SiC、SiNx、TiO2。

其中，所述步骤1)中的薄膜厚度在0.2～4.0微米之间。

其中，所述步骤1)的薄膜制备方法可以为PECVD、电子束蒸发、溅射、旋涂法。

其中，所述步骤2)是通过干法刻蚀或湿法腐蚀高熔点材料制作图形，图形为带状，可以是直的，也可以是弯曲的，长度为6～60000微米，图形间距在0.2～10.0微米之间；图形横截面可以为半圆形，三角形，梯形，矩形，下底直径在0.2～10.0微米之间。横截面的高度在0.2～4.0微米之间。

其中，所述步骤3)在图形衬底上制作的GaN基发光二极管外延层包括：N型GaN；量子阱；P型GaN。N型GaN，厚度在1～5微米之间；量子阱，厚度一般在2～1000纳米之间；P型GaN，厚度在10～1000纳米之间。

其中，所述步骤4)通过侧向腐蚀去除GaN外延层下面的高熔点材料，是先去除部分区域(如划片道处)的外延层，露出高熔点材料，然后放入腐蚀溶液，通过侧向腐蚀将其余外延层下面的高熔点材料全部去除。

其中，所述步骤4)通过侧向腐蚀去除GaN外延层下面的高熔点材料的腐蚀溶液，其特征在于腐蚀高熔点材料速度很快，而对GaN材料没有腐蚀作用。

其中，所述步骤5)制作发光二极管芯片包括：通过光刻、刻蚀、蒸发、剥离等工艺在发光二极管上表面制作透明电极，N压焊点及P压焊点；减薄外延片至30～150微米；将芯片裂开。

其中，所述步骤5)制作发光二极管芯片使用的透明电极，可以是ITO，ZnO或NiAu。

本发明提供的用空气形成图形衬底的高效率发光二极管的优益之处在于：

1、用空气形成的图形衬底，反射率会更高。一方面，由于空洞横截面为三角形或半圆形等，光从外延层进入衬底时，入射角度会增大；另一方面，空气的折射率很低(只有1.0)。所以光从外延层入射到空洞时，反射率会很高，使得更多的光从正面的透明电极e出射，增加了发光二极管的抽取效率。

2、整个工艺过程比较简单，容易控制，适用于大规模的商业生产。

附图说明

图1是用蓝宝石材料本身进行粗化的发光二极管的剖面图；

图2是利用SiO2在蓝宝石衬底上制作粗化图形的发光二极管的剖面图；

图3是在衬底上用高熔点材料制作的图形衬底的俯视图；

图4是在衬底上用高熔点材料制作的图形衬底的横截面示意图；

图5是衬底上沉积GaN外延层后的示意图；

图6是去除GaN外延层下面的高熔点材料后，形成空洞的示意图；

图7是最终的高效率发光二极管示意图。

其中a为衬底，b为N型GaN，c为量子阱，d为P型GaN，e为透明电极，f为P压焊点，g为N压焊点。

具体实施方式

下面采用蓝宝石衬底为例，说明用空气形成图形衬底的高效率发光二极管及其制备方法，步骤为：

1、采用水玻璃(SOG)在蓝宝石衬底上通过旋涂法制备一层SiO2薄膜，厚度1.6微米。

2、通过光刻，刻蚀在蓝宝石上制作出带状SiO2图形，如图3、图4所示。图形为带状，图形间距0.5微米；图形横截面近似为三角形，下底为2.5微米，高为1.6微米。

3、在图形衬底上沉积GaN外延层，如图5所示，其中b为N型GaN；c为量子阱；d为P型GaN。

4、去除划片道处GaN外延层，露出SiO2。

5、用HF侧向腐蚀去掉其余外延层下的SiO2，形成空洞，如图6所示。

6、通过光刻、刻蚀、蒸发、剥离等工艺制作透明电极e，P压焊点f；N压焊点g，形成高效率的发光二极管，如图7所示，其中透明电极材料为ITO，压焊点材料为CrAu。

10、将蓝宝石衬底减薄至30～150um。

11、通过划片裂片，将外延片裂开，形成独立的管芯。

虽然已说明且描述了本发明的特定形式，但可在不脱离本发明之精神及范畴的情况下进行各种修改。相应的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims

1.用空气形成图形衬底的高效率发光二极管，其特征在于依次包括：衬底、衬底上空气形成的空洞及空洞上方GaN基发光二极管。

2.如权利要求1所述的用空气形成图形衬底的高效率发光二极管，其特征在于衬底上空气形成的空洞为带状，可以是直的，也可以是弯曲的，长度为6～60000微米，空洞间距在0.2～10.0微米之间；空洞横截面可以为半圆形，三角形，梯形，矩形，下底直径在0.2～10.0微米之间；横截面的高度在0.2～4.0微米之间。

3.如权利要求1所述的用空气形成图形衬底的高效率发光二极管，其特征在于空洞上方GaN基发光二极管包括N型GaN；量子阱；P型GaN；透明电极；P压焊点，N压焊点，其中N型GaN，厚度在1～5微米之间；量子阱，厚度一般在2～1000纳米之间；P型GaN，厚度在10～1000纳米之间。

4.用空气形成图形衬底的高效率发光二极管制备方法，其步骤为：

1)在衬底上用高熔点(大于500摄氏度)材料制备一层薄膜；

2)通过光刻，刻蚀在衬底上用高熔点材料制备图形；

3)在图形衬底上制作GaN基发光二极管外延层；

5)制作发光二极管芯片。

5.如权利要求4所述的用空气形成图形衬底的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤1)所述的薄膜厚度在0.2～4.0微米之间。

6.如权利要求4所述的用空气形成图形衬底的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤1)所述的薄膜制备方法可以为PECVD、电子束蒸发、溅射、旋涂法。

7.如权利要求4所述的用空气形成图形衬底的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤2)是通过干法刻蚀或湿法腐蚀高熔点材料来制作图形的，图形为带状，可以是直的，也可以是弯曲的，长度为6～60000微米，图形间距在0.2～10.0微米之间；图形横截面可以为半圆形，三角形，梯形，矩形，下底直径在0.2～10.0微米之间；横截面的高度在0.2～4.0微米之间。

8.如权利要求4所述的用空气形成图形衬底的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤3)图形衬底上制作的GaN基发光二极管外延层包括：N型GaN；量子阱；P型GaN；N型GaN，厚度在1～5微米之间；量子阱，厚度一般在2～1000纳米之间；P型GaN，厚度在10～1000纳米之间。

9.如权利要求4所述的用空气形成图形衬底的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤4)侧向腐蚀去除GaN外延层下面的高熔点材料，是先去除部分区域的外延层，露出高熔点材料，然后放入腐蚀溶液，通过侧向腐蚀将其余外延层下面的高熔点材料全部去除。

10.如权利要求9所述的用空气形成图形衬底的高效率发光二极管制备方法，其特征在于通过侧向腐蚀将其余外延层下面的高熔点材料全部去除的腐蚀溶液，其特征在于腐蚀高熔点材料速度很快，而对GaN材料没有腐蚀作用。

11.如权利要求4所述的用空气形成图形衬底的高效率发光二极管制备方法，其特征在于步骤5)制作发光二极管芯片包括：通过光刻、刻蚀、蒸发、剥离工艺在发光二极管上表面制作透明电极，P压焊点及N压焊点；减薄外延片至30～150微米；将芯片裂开。