CN101884088A - 具有高的光抽取的发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有高的光抽取的发光二极管芯片，其包括基板、用于通过光电效应生成光的外延层结构、夹在基板和外延层结构之间的透明反射层、和用于向外延层结构提供电源的一对电极。对外延层结构的底面和顶面进行粗糙化以具有不小于100nm均方根(rms)的粗糙度。因此，有效地抽取出由外延层结构生成的光。不大于5μm rms的透明反射层形成为基板和外延层结构之间的界面。更有效地向上反射朝向基板的光。从而提高光抽取和亮度。本发明还提供了用于制造本发明的发光二极管芯片的方法。

Description

具有高的光抽取的发光二极管芯片及其制造方法

相关技术

本申请要求2007年9月21日提交的台湾专利申请No.96135296的优先权，以引证的方式将其全部内容并入于此，如同在此进行了全面的阐述。

技术领域

本发明涉及芯片，更具体地涉及具有高的光抽取效率的发光二极管芯片。

背景技术

请参照图1，其示出常规发光二极管芯片1。图1包括基板11、基板11上的外延层结构12和由N型电极131和P型电极132构成的电极单元13。

作为一个示例，外延层结构12由基于GaN的材料形成，并且具有第一N型覆层121、在第一覆层121上形成的有源层122和第二P型覆层123。第一覆层121和第二覆层123互相相对，并且相对于有源层122形成载流子注入器。由此，当向外延层结构12提供电源时，电子和空穴在有源层122中再结合，然后以光的形式释放能量。

例如，N型电极131和P型电极132由Au、Ni、Pt、Ag、Al等和/或其合金组成。N型电极131被布置在外延层结构12的第一覆层121上并且与外延层结构12的第一覆层121形成欧姆接触。P型电极132被布置在第二覆层123上并且与第二覆层123形成欧姆接触，使得N型电极131和P型电极132向外延层结构12提供电力。

当向N型电极131和P型电极132提供电能时，电流扩散并且流过外延层结构12，而且向有源层122注入电子和空穴，该电子和空穴互相再结合，然后以光的形式释放能量。

基于GaN的材料的折射率大约是2.6，并且其周围材料(通常是空气)的折射率是1，或者周围是用于包装并且具有的折射率为1.4的透明封装材料。发光二极管芯片1的外延层结构12的第二覆层123的顶面124是平面。由于它们的传播方向，从外延层结构12生成的部分光将遵循斯涅尔定律(Snell’slaw)，并且将不会逃离外延层结构12。因此，发光二极管芯片1的光抽取并不良好。

请参照图2，存在大量文献和专利，这些文献和专利提出对发光二极管芯片1’的顶面124’进行粗糙化，以使照射在粗糙顶面124’上的光相对于粗糙顶面124’具有各种可能的入射角。因此，增加了光逃离外延层结构12’的可能性，并且提高了光抽取效率。

然而，从外延层结构12’生成的光不全部朝向顶面124’传播。朝向基板11’传播的光面临与在顶面类似的情况，并且无法逃离外延层12’以进入周围环境。因此，光抽取仍然很低。

某个文献提出形成连接到外延层结构12’的、能够反射光的反射镜层。所希望的是，朝向基板11’传播的光可以被朝向顶面124’反射，以提高从外延层结构12’生成的光逃离外延结构并且进入周围环境的可能性。但是，朝向基板11’传播的光由于其传播方向将被限制在外延层结构12’中，并且造成外延层结构12’内部的全内部反射。而且，有源层可以吸收光。基板11’上的反射镜层基本上无法提高发光二极管芯片的光抽取。

旨在改进发光二极管1、1’的结构以增加光抽取和亮度。

发明内容

发光二极管芯片包括基板、具有预定厚度并且折射率大于空气的折射率而小于外延层结构的折射率的透明折射层、外延层结构和电极单元。

电子和空穴再结合，然后以发光的形式释放能量。外延层结构具有连接到透明折射层的底面和与底面相反的顶面。对底面和顶面进行粗糙化以具有不小于100nm均方根(root mean square，rms)的粗糙度。

电极单元具有一对电极，该对电极被分开地布置在外延层结构上并且与外延层结构形成欧姆接触以向电极提供电流。

一种用于制造本发明的具有高的光抽取(high light extraction)的发光二极管芯片的方法包括以下步骤：形成外延层结构、执行第一粗糙化步骤、形成一对电极、形成临时基板、执行第二粗糙化步骤、形成基板、和去除临时基板。

形成外延层结构的步骤包括：在基板上形成具有第一N型覆层、有源层和第二P型覆层的基于GaN的外延层结构。

第一粗糙化步骤是对外延层结构的第二覆层的顶面进行粗糙化以具有不小于100nm rms的粗糙度。

形成该对电极的步骤包括分别在第一覆层上和第二覆层的粗糙化后的顶面上分开形成一对电极，并且与它们形成欧姆接触。

形成临时基板的步骤是在第二覆层上分开地形成临时基板，并且去除在外延层结构之下的基板以暴露第一覆层的底面。

第二粗糙化步骤是对第一覆层的底面进行粗糙化以具有不小于100nmrms的粗糙度。

形成基板的步骤是用胶将基板附接到第一覆层的底面上，该胶具有预定折射率并且对从外延层结构生成的光是透明的。

当完成去除临时基板的步骤时，就完成了具有高的光抽取效率的发光三极管芯片的制造。

另一种用于制造具有高的光抽取效率的发光二极管芯片的方法包括以下步骤：形成外延层结构、执行第一粗糙化步骤、形成一对电极、形成临时基板、执行第二粗糙化步骤、形成透明折射层、形成基板、以及去除临时基板。

形成外延层结构的步骤包括：在基板上形成具有第一N型覆层、有源层和第二P型覆层的基于GaN的外延层结构。

第一粗糙化步骤是对外延层结构的第二覆层的顶面进行粗糙化以具有不小于100nm的粗糙度。

形成该对电极的步骤包括分别在第一覆层上和第二覆层的粗糙化后的顶面上分开地形成一对电极，以及与它们形成欧姆接触。

形成临时基板的步骤是在第二覆层上分开地形成临时基板，并且去除在外延层结构之下的基板，以暴露第一覆层的底面。

第二粗糙化步骤是对第一覆层的底面进行粗糙化，以具有不小于100nmrms的粗糙度。

形成透明折射层的步骤是形成具有大于空气的折射率而小于外延层结构的折射率的折射率，并且具有不大于5μm的厚度的透明折射层，该透明折射层连接到外延层结构的第一覆层。

形成基板的步骤是形成连接到透明折射层的具有高导热系数的基板。

去除临时基板的步骤产生具有高的光抽取效率的发光二极管芯片。

本发明提供一种生产具有外延层结构(其包括具有预定粗糙度的顶面和底面)的发光二极管芯片的制造过程。通过外延层结构的粗糙化后的顶面和底面从二极管芯片可以有效地抽取出从外延层结构生成的光。此外，透明折射层在外延层结构和基板之间形成界面，并且可以有效地将朝向基板传播的光向后朝向二极管芯片的顶面反射以提高光抽取效率。

附图说明

图1是常规发光二极管芯片的示意性截面图；

图2是另一个常规发光二极管芯片的示意性截面图；

图3是根据本发明的第一方面的发光二极管芯片的示意性截面图；

图4是用于制造本发明的第一方面的发光二极管芯片的处理流程；

图5至图10是对应于图4的处理流程的多个阶段的示意性截面图；

图11是根据本发明的第二方面的发光二极管芯片的示意性截面图；

图12是本发明的第二方面的发光二极管芯片的处理流程；以及

图13是根据本发明的第三方面的发光二极管芯片的示意性截面图。

具体实施方式

将通过下述方面并结合附图详细描述和解释本发明提供的具有高的光抽取效率的发光二极管芯片。应当注意的是，在下面描述中相同的元件用相同的标号来表示。

请参照图3，其示出根据本发明的第一方面的发光二极管芯片的截面图。该发光二极管芯片包括基板21、透明折射层22、外延层结构23和电极单元24。

基板21包括底部基板211和反射镜层212。反射镜层连接到底部基板211，并且在底部基板211上。底部基板211由包括硅、高导热陶瓷或高导热金属材料的材料制成。底部基板211用于支撑透明折射层22和外延层结构23等。反射镜层212可以由Al、Ag、Au、Pt、Pd、Rb或其组合形成。反射镜层212也可以由互相交替布置的高折射率电介质层和低折射率电介质层形成。反射镜层212用于反射从外压层结构23生成的、朝向基板21传播的光。

透明折射层22的厚度不大于5μm，并且是一种由聚合物或电介质材料形成的胶，其中，聚合物具有高达0.2W/m.K或更高的高导热率，并且具有在1和2之间的折射率。透明折射层22用于反射朝向基板21传播的光，因此提高光抽取。

外延层结构23由基于GaN的材料形成，其包括第一N型覆层231、连接到第一N型覆层231的有源层232、和连接到有源层232并且与第一N型覆层231相对的第二P型覆层233。第一覆层231和第二覆层233相对于有源层232形成载流子注入器，使得电子和空穴可以再结合并且以发光的形式释放能量。外延层结构23的底面235(即，第一覆层231的底面)和外延层结构23的顶面234(即，第二覆层233的顶面)通过外延生长、或湿式蚀刻、或电感耦合等离子体蚀刻或光助化学蚀刻被粗糙化，以变为具有不小于100nm均方根(rms)的粗糙度的非连续粗糙化表面。均方根表示在评估长度/区域上所取的高度偏差和平均线/表面之间的平均数。外延层结构23通过透明折射层22(作为外延层结构23与基板21之间的胶)附接到基板21。

电极单元24包括由例如Au、Ni、Pt、Ag、Al等或其合金形成的N型电极241和P型电极242。N型电极241被布置在第一覆层231上并且与第一覆层231欧姆接触。P型电极242被布置在第二覆层233上并且与第二覆层233欧姆接触。N型电极241和P型电极242向外延层结构23提供电能并且生成光。

当向N型电极241和P型电极242提供电能时，电流流过外延层结构23，使得电子和空穴在外延层结构23中再结合，并且以发光的形式释放能量。通过外延层结构23的顶面234(即，第二覆层233的顶面)传播的光将相对于顶面234具有各种入射角，以最小化将光反射回外延层结构23，并且显著提高光进入周围环境的可能性。同样地，由于底面235的粗糙度不小于100nmrms，因此从外延层结构23生成的、朝向底面235(即，第一覆层231的底面)传播的光将相对于底面235具有各种入射角，从而增加光进入透明折射层22的机会。此时，由于透明折射层22具有小于5μm的厚度和在1与2之间的折射率，因此透明折射层22是外延层结构23和基板21的反射镜层212之间的媒介。光在透明折射层22和反射镜层212之间的界面全方向反射，然后穿过透明折射层22和外延层结构23，进入周围环境。因此，有效地提高了本发光二极管芯片的亮度。

对于具有高的光抽取效率的发光二极管芯片，电极单元24和外延层结构23构成电流通路并且有效地消散生成光时由外延层结构23生成的过多的热量。在不同的通路中传导热和电流。装置的电阻不受散热通路的影响。因此，本发光二极管芯片的操作稳定并且具有长寿命。

下面将详细描述和解释用于制造本发明的发光二极管芯片2的方法。

请参照图4，用于制造发光二极管芯片2的方法包括：形成外延层结构的步骤41、执行第一粗糙化步骤的步骤42、形成一对电极的步骤43、形成临时基板并且去除在外延层结构之下的基板的步骤44、执行第二粗糙化步骤的步骤45、在外延层结构的第一覆层的底面之下形成基板的步骤46、和去除临时基板的步骤47。因此，制成了具有高的光抽取的发光二极管芯片2。

请参照图5，在步骤41中，形成外延层结构23，该外延层结构23包括：在基板51上的第一覆层231、有源层232和第二覆层233，在基板51上可以外延生长基于GaN的半导体材料。

随后，在步骤42中，通过电感耦合等离子体蚀刻方法执行第一粗糙化步骤，以粗糙化外延层结构23的第二覆层233的表面(即，外延层结构23的顶面234)以具有不小于100nm rms的粗糙度。在该步骤中，外延生长方法还可以用于直接使外延层结构23的粗糙化后的顶面234生长。也可以通过湿式蚀刻或光助化学蚀刻方法执行第一粗糙化步骤。

请参照图4和图6，执行步骤43，去除外延层结构23的一部分，以在其上形成台面。然后，N型电极241和P型电极242分别形成在第一覆层231和第二覆层233上，并且分别与第一覆层231和第二覆层233欧姆接触。

请参照图4，图7和图8。当执行步骤44时，用蜡或可去除胶在第二覆层233之下分别地附接临时基板52，如图7所示。然后，通过激光剥离技术、蚀刻或智能切除(smart cut)等去除基板51，以暴露外延层结构23的第一覆层231的底面，如图8所示。

请参照图4和图9，在步骤45中，用湿式蚀刻执行第二粗糙化步骤，以粗糙化第一覆层231的暴露表面以具有不小于100nm rms的粗糙度(即，形成外延层结构23的底面235)。同样地，通过湿式蚀刻或光助化学蚀刻可以执行第二粗糙化步骤。

请参照图4和图10，执行步骤46，将基板21附接到粗糙化后的表面(即，利用具有一折射率并且对于从外延层结构23生成的光是透明的胶，附接到第一覆层235的底面232)。固化胶以变为透明折射层22，并且其厚度被控制为不大于5μm，以获得最佳光学性能和热性能。反射镜层212也可以首先被涂敷在底部硅基板211上来形成基板21。

请参照图3和图4，最后在步骤47中，去除临时基板52并且清理留在外延层结构23上的残渣，如用于将临时基板52附接到外延层结构23上的蜡的残渣。从而获得具有高的光抽取效率的发光二极管芯片2。

在本发明的发光二极管芯片的第二方面中，胶被涂在截面为U型的基板21上，然后用胶将外延层结构23附接到截面为U型的基板21。固化胶以变成透明折射层22。另外，可以根据图12的处理流程制造第二方面的具有高的光抽取的发光二极管芯片。在步骤61中，在外延基板上形成外延层结构23。在步骤62中，对外延层结构23的第二覆层233的表面进行粗糙化以具有不小于100nm rms的粗糙度。在外延层结构23上形成台面部。然后，在外延层结构23上分开地形成N型电极241和P型电极242。临时基板被附接到外延层结构23的粗糙化后的顶面234上。然后，从外延层结构23分离外延基板。其后，通过湿式蚀刻粗糙化第一覆层231的表面，以具有不小于100nm rms的粗糙度。图9中示出部分完成的发光二极管芯片。

随后，在步骤66中，在外延层结构23的底面上沉积透明折射层22，该透明折射层对于由外延层结构23生成的光是透明的，并且具有空气和外延层结构之间的折射率。透明折射层22具有不大于5μm rms的厚度。

然后，在步骤67中，在透明折射层22上沉积种层(seed layer)。然后，执行电镀处理以从种层形成基板21。当仅在透明折射层22的底面上沉积种层时，形成基板21，如在图3中所示。当在透明折射层22的底面和侧壁上沉积种层时，基板21形成为保持芯片的杯状物，如图11中所示。而且，基板21可以包括底部基板211和反射镜层212，其中，形成由预定材料制成的种层。然后，使种层变厚，以形成反射镜层212。在反射镜层212之下形成底部基板211。用于形成包括底部基板211和反射镜层212的基板21的制造工艺是公知的，并且将不在这里进行描述。

最后，在步骤68中，去除临时基板。清理留在外延层结构23上的残渣(如，用于将临时基板附接到外延层结构23的蜡的残渣)。从而，获得具有高的光抽取效率的发光二极管芯片。

图13是根据本发明的第三方面的发光二级管芯片的示意性截面图。第三方面和上述两个方面的区别在于在外延层结构23的顶面234上形成能够均匀扩散电流的透明导电层25，以提高二极管芯片的外部量子效率。透明导电层25的表面可以是平的或者被粗糙化以基本上提高从二极管芯片的光抽取。

用于制造第三方面的发光二极管芯片的工艺和上述两个工艺的区别在于，在执行第一粗糙化步骤42，62之后但在形成一对电极的步骤43，63之前，在外延层结构23的粗糙化后的顶面234上沉积铟锡氧化物(ITO)的透明导电层25。还可以通过上述方法粗糙化铟锡氧化物(ITO)的透明导电层25。

发光二极管芯片采用外延层结构23的粗糙化后的顶面234和底面235来提高来自二极管芯片的光抽取。具有预定厚度的透镜折射层22(作为外延层结构23和基板21之间的界面)可以更有效地将朝向基板21传播的光向后朝向顶面234反射，以进一步提高光抽取。提高了二极管芯片的亮度。与常规发光二极管芯片1，1’(其中，朝向基板11，11’传播的光无法从二极管芯片抽取而被浪费)相比，本发光二极管芯片及其制造方法实际上可以提高光抽取。

上面给出的示例仅用作本发明的一些方面。这些示例不应当解释为对本发明的实际应用范围的限制，并且由此，所有未偏离本发明和所附权利要求的精神的修改和变化(包括其他方面)应该在本发明的被保护范围和权利要求内。

Claims (36)

1.一种发光二极管芯片，该发光二极管芯片包括：

基板；

透明折射层，其形成在所述基板上，所述透明折射层的折射率大于空气的折射率；

外延层结构，其底面连接到所述透明折射层，并且顶面与所述底面相反，所述外延层结构生成光并且具有大于所述透明折射层的折射率，所述底面和顶面都具有不小于100nm均方根rms的粗糙度；以及

电极单元，其具有在所述外延层结构上分开布置的一对电极，以形成与所述外延层结构的欧姆接触并且向所述外延层结构提供电能。

2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其中，所述透明折射层具有不大于5μm rms的厚度和在1与2之间的所述折射率。

3.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其中，所述透明折射层由具有直至0.2W/m.K或更高的导热率的聚合物或电介质材料形成。

4.根据权利要求2所述的发光二极管芯片，其中，所述透明折射层由具有直至0.2W/m.K或更高的导热率的聚合物或电介质材料形成。

5.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，该发光二极管芯片还包括反射镜层，该反射镜层具有不小于50％的反射效率并且形成在所述基板和所述透明折射层之间。

6.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其中，所述基板由硅、陶瓷或金属材料形成。

7.根据权利要求5所述的发光二极管芯片，其中，所述反射镜层具有从由Al、Ag、Au、Pt、Pd、Rb和它们的组合组成的组中选择的材料。

8.根据权利要求5所述的发光二极管芯片，其中，所述反射镜层由互相交替布置的高折射率电介质层和低折射率电介质层形成。

9.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其中，所述外延层结构由基于GaN的材料形成并且包括具有所述底面的N型第一覆层、具有所述顶面的P型第二覆层、和夹在所述第一覆层和所述第二覆层之间的有源层。

10.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，该发光二极管芯片还包括：在所述外延层结构的所述顶面上形成的透明导电层。

11.根据权利要求10所述的发光二极管芯片，其中，所述透明导电层具有粗糙化后的顶面。

12.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，所述基板在所述透明折射层周围。

13.一种用于制造具有高的光抽取效率的发光二极管芯片的方法，该方法包括：

在基板上形成用于通过光电效应生成光的外延层结构，所述外延层结构具有第一导电率类型的第一覆层、第二导电率类型的第二覆层、和夹在所述第一覆层和所述第二覆层之间的有源层；

执行第一粗糙化步骤，该步骤用于使所述第二覆层的顶面具有不小于100nm rms的粗糙度；

形成分别与所述第一覆层和所述第二覆层欧姆接触的一对电极；

在所述第二覆层上分开地形成临时基板，并且去除在所述外延层结构之下的所述基板，以暴露所述第一覆层的底面；

执行第二粗糙化步骤，该步骤用于使所述第一覆层的所述底面具有不小于100nm rms的粗糙度；

在所述第一覆层的所述底面之下形成基板；以及

去除所述临时基板。

14.根据权利要求13所述的用于制造发光二极管芯片的方法，该方法还包括：在所述第二覆层的顶面上形成透明导电层。

15.根据权利要求14所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，用于形成所述透明导电层的所述步骤还包括对所述透明导电层的顶面进行粗糙化。

16.根据权利要求13所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，通过外延生长、湿式蚀刻、电感耦合等离子体蚀刻或光助化学蚀刻执行所述第一粗糙化步骤和所述第二粗糙化步骤。

17.根据权利要求13所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，用蜡或可去除胶来将所述临时基板附接在所述第二覆层上。

18.根据权利要求13所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，通过化学蚀刻、激光剥离技术或智能切除而去除所述基板。

19.根据权利要求13所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，用于在所述第一覆层的所述底面之下形成基板的所述步骤包括用胶将所述基板附接到所述第一覆层上，该胶的折射率大于空气的折射率并且小于所述外延层结构的折射率。

20.根据权利要求19所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，所述胶对于从所述外延层结构发射的光是透明的。

21.根据权利要求19所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，所述胶具有不大于5μm rms的厚度。

22.根据权利要求20所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，所述胶具有不大于5μm rms的厚度。

23.根据权利要求13所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，所述第一导电率类型是N型或P型。

24.一种用于制造具有高的光抽取效率的发光二极管芯片的方法，该方法包括：

在基板上形成用于通过光电效应生成光的外延层结构，所述外延层结构具有第一导电率的第一覆层、第二导电率的第二覆层、和夹在所述第一覆层和所述第二覆层之间的有源层；

执行第一粗糙化步骤，该步骤用于使所述第二覆层的顶面具有不小于100nm rms的粗糙度；

形成分别与所述第一覆层和所述第二覆层欧姆接触的一对电极；

在所述第二覆层上分开地形成临时基板，并且去除在所述外延层结构之下的所述基板，以暴露所述第一覆层的底面；

执行第二粗糙化步骤，该步骤用于使所述第一覆层的所述底面具有不小于100nm rms的粗糙度；

形成透明折射层，其具有的折射率大于空气的折射率并且小于所述外延层结构的折射率，并且其连接到所述第一覆层；

形成连接到所述透明折射层的基板；以及

去除所述临时基板。

25.根据权利要求24所述的用于制造发光二极管芯片的方法，该方法还包括：在所述第二覆层的顶面上形成透明导电层。

26.根据权利要求25所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，用于形成所述透明导电层的所述步骤还包括粗糙化所述透明导电层的所述顶面。

27.根据权利要求24所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，通过外延生长、湿式蚀刻、电感耦合等离子体蚀刻或光助化学蚀刻执行所述第一粗糙化步骤和所述第二粗糙化步骤。

28.根据权利要求24所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，用蜡或可去除胶来将所述临时基板附接到所述第二覆层上。

29.根据权利要求24所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，通过化学蚀刻、激光剥离技术或智能切除而去除所述基板。

30.根据权利要求24所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，通过膜沉积而形成所述透明折射层。

31.根据权利要求24所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，用于形成基板的所述步骤包括：用薄膜沉积处理而在所述透明折射层上形成种层，然后执行电镀处理以由所述种层形成所述基板。

32.根据权利要求24所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，所述第一导电率类型是N型或P型。

33.根据权利要求24所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，所述透明折射层具有不大于5μm rms的厚度。

34.根据权利要求24所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，该方法还包括：在形成所述基板的所述步骤之前，在所述透明折射层上形成反射镜层。

35.根据权利要求34所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，所述反射镜层包括导电材料、电绝缘材料或其组合。

36.根据权利要求34所述的用于制造发光二极管芯片的方法，其中，所述反射镜层由互相交替布置的高折射率电介质层和低折射率电介质层形成。

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