CN102903820A

CN102903820A - 一种发光二极管芯片及其制作方法

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Publication number: CN102903820A
Application number: CN2012103456784A
Authority: CN
Inventors: 马若玉; 张元波
Original assignee: BOE Technology Group Co Ltd
Current assignee: BOE Technology Group Co Ltd
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-09-17
Also published as: CN102903820B

Abstract

本发明公开了一种发光二极管芯片及其制作方法，用以解决现有技术中存在的发光二极管芯片发光效率低的问题。上述发光二极管芯片包括：基底；PN结，其位于基底的一侧并包括P型半导体层和N型半导体层；P型电极、N型电极和电流扩散层，该P型电极、N型电极和电流扩散层位于上述PN结上；还包括：反射层，位于上述基底的另一侧；光栅，位于上述电流扩散层靠近PN结的一侧。采用本发明技术方案，制作工艺简单，通过改变发光二极管芯片内部光线的方向有效提高了发光二极管芯片的发光效率。

Description

一种发光二极管芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及发光二极管芯片制作领域，尤其涉及一种发光二极管芯片及其制作方法。

背景技术

LED（Light Emitting Diode，发光二极管）芯片是一种固态的半导体器件，它可以直接将电能转化为光能。

参阅图1所示为现有技术中的发光二极管芯片结构图。在发光二极管芯片中，最下层为蓝宝石基底6，在蓝宝石基底6的反射层中，可以将发光层发射的光线进行反射；基底6上层为N型GaN层5和P型GaN层2构成的PN结7，该PN7结即为发光层，当发光二极管芯片通电时，N型GaN层5和P型GaN层2中的电子和空穴进行迁移，使得发光二极管芯片发光；发光二极管芯片的最上层为电流扩散层3，用于降低串联电阻，使发光二极管芯片中的电流扩散；发光二极管芯片上还包含P型电极1和N型电极4，整个芯片采用环氧树脂或者硅树脂材料封装。

在制作发光二极管芯片的过程中，采用AlGaInP LED系化合物半导体，其折射率为3.5，密封发光二极管芯片的环氧树脂或者环氧树脂材料的折射率为1.4~1.5。由于发光二极管芯片材料与封装材料之间的折射率相差较大，当发光二极管芯片内部的光线射出发光二极管芯片时，容易发生全反射现象，即在发光二极管芯片内部，当光线入射角度大于临界角时，将会发生全反射，经计算，上述临界角约为25°左右。因此，需要发光二极管芯片发射的光线在发光二极管芯片界面的入射角小于临界角，即几乎垂直入射才能防止内部全反射问题。由此可见，在发光二极管芯片中，只有满足条件的光线才能出射，严重影响了发光二极管芯片的发光效率，现有技术中，发光二极管芯片的发光效率低于10%。

在现有技术中，提高发光二极管芯片发光效率的方法主要为，对发光二极管芯片的形状进行改进，将发光二极管芯片加工为具备多面体的形状，或者将发光二极管芯片表面制作成凹凸状，旨在提高发光层内部量子效率和光线从发光二极管芯片内部取至外部的效率，高效率提供发光层电流的技术，控制发光二极管芯片内部光线的入射角度。采用上述技术方案提高发光二极管芯片的发光效率，仅适用于外形尺寸低于1mm的发光二极管芯片，并且在加工工艺上实现起来较为困难。

发明内容

本发明实施例提供一种发光二极管芯片及其制作方法，用以解决现有技术中存在的发光二极管芯片发光效率低的问题。

本发明实施例提供的具体技术方案如下：

一种发光二极管芯片，包括：

基底；

PN结，其位于基底的一侧并包括P型半导体层和N型半导体层；

P型电极、N型电极和电流扩散层，所述P型电极、N型电极和电流扩散层位于所述PN结上，

反射层，位于所述基底的另一侧；

光栅，位于所述电流扩散层靠近PN结的一侧。

其中，所述发光二极管芯片还包括光线方向改变部件，所述光线方向改变部件位于所述电流扩散层的侧面；

所述光线方向改变部件包括：经过粗糙化处理的部件；或者，光栅；或者，光子晶体。

所述反射层为金属层；

所述金属层上设有多个曲率半径为微米级的凹面镜或凸面镜；

所述光栅采用金属制作，所述光栅的光栅常数为10纳米~19纳米。

一种发光二极管芯片的制作方法，包括：

在基底的一侧上形成包括P型半导体层和N型半导体层的PN结的步骤；

在所述PN结上形成P型电极和N型电极的步骤；

在所述PN结上形成电流扩散层的步骤；

在所述基底的另一侧上形成反射层的步骤；

在所述电流扩散层上制作光栅结构的步骤；

其中，在所述电流扩散层的侧面制作光线方向改变部件的步骤；

在电流扩散层的侧面制作光线方向改变部件的步骤包括：在所述电流扩散层侧面进行粗糙化处理；或者，在所述电流扩散层侧面制作光栅结构；或者，在所述电流扩散层侧面制作光子晶体；

所述反射层为金属层；

在所述基底的另一侧上形成反射层的步骤包括在所述金属层上制作多个曲率半径为微米级的凹面镜或凸面镜；

所述光栅结构采用金属制作，所述光栅结构的光栅常数为10纳米~19纳米。

本发明实施例中，上述发光二极管芯片包括：基底；PN结，其位于基底的一侧并包括P型半导体层和N型半导体层；P型电极、N型电极和电流扩散层，该P型电极、N型电极和电流扩散层位于上述PN结上；还包括：反射层，位于上述基底的另一侧；光栅，位于上述电流扩散层靠近PN结的一侧。采用本发明技术方案，制作工艺简单，通过改变发光二极管芯片内部光线的方向有效提高了发光二极管芯片的发光效率。

附图说明

图1为现有技术中发光二极管芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例中发光二极管芯片的结构示意图；

图3为本发明实施例中发光二极管芯片的制作流程图；

图4为本发明实施例中发光二极管芯片反射层微结构中光线传播模拟图。

具体实施方式

为了解决现有技术中存在的发光二极管芯片发光效率低的问题，本发明实施例中，上述发光二极管芯片包括：基底；PN结，其位于基底的一侧并包括P型半导体层和N型半导体层；P型电极、N型电极和电流扩散层，该P型电极、N型电极和电流扩散层位于上述PN结上；还包括：反射层，位于上述基底的另一侧；光栅，位于上述电流扩散层靠近PN结的一侧。采用本发明技术方案，制作工艺简单，通过改变发光二极管芯片内部光线的方向有效提高了发光二极管芯片的发光效率。

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

参阅图2所示为本发明实施例中提供的一种发光二极管芯片，发光二极管芯片包括基底6、PN结7、P型电极1、N型电极4、反射层11、光栅9和光线方向改变部件8，其中，

基底6；

PN结7，其位于基底的一侧并包括P型半导体层2和N型半导体层5；

P型电极1、N型电极4和电流扩散层3，所述P型电极1、N型电极4和电流扩散层3位于所述PN结上，

反射层11，位于所述基底的另一侧；

光栅9，位于所述电流扩散层靠近PN结的一侧；

光线方向改变部件8，位于所述电流扩散层的侧面。

其中，上述发光二极管芯片的反射层11为金属层，且在该金属层上设有多个曲率半径为微米级的凹面镜或凸面镜10，并且，该金属层可以为铝层、铜层等高反射率的金属层；

上述发光二极管芯片电流扩散层靠近PN结一侧的光栅9采用金属制作，且光栅常数为10纳米~19纳米；

上述发光二极管电流扩散层侧面的光线方向改变部件8可以为经过粗糙化处理的部件，或者为光栅，或者为光子晶体等。

参阅图3所示，本发明实施例中，发光二极管芯片制作的详细流程如下：

步骤300：在基底的一侧上形成包括P型半导体层和N型半导体层的PN结。

步骤310：在上述PN结上形成电流扩散层。

步骤320：在上述PN结上形成P型电极和N型电极。

在发光二极管芯片的制作过程中，PN结位于基底的一侧并包括P型半导体层和N型半导体层。在PN结上形成电流扩散层，以及在PN结上形成P型电极和N型电极的步骤不分先后顺序，即可以先执行步骤310，再执行步骤320；或者，先执行步骤320，再执行步骤310。

经过上述过程后，发光二极管芯片的结构由上至下依次为P型电极、电流扩散层、PN结、N型电极及基底。

步骤330：在上述基底的另一侧上形成反射层。

在发光二极管芯片基底的另一侧上形成反射层，该反射层为一层金属层，该金属层可以为铝层，也可以为铜层等高反射率金属层。发光二极管芯片发光层发出的光线，经反射层反射后的光线方向指向发光二极管芯片的上层，以使发光二极管芯片发射层发出的光线射出发光二极管芯片。

在上述发光二极管芯片基底的金属层上制作多个曲率半径为微米级的凹面镜或凸面镜。当发光层发出的光线入射反射层时，反射层上的多个凹面镜或凸面镜能够改变上述发光层发出的光线经反射层进行反射后得到的反射光线的方向，使发光层发出的入射光线经反射层反射后得到的反射光线的方向能够大致相同，即将发散的入射光线经反射层发射后得到初步平行化的反射光线。

并且，上述发光二极管芯片基底的反射层上的凹面镜或凸面镜在使上述反射光线的方向大致相同的同时，使反射光线入射发光二极管芯片界面的角度也大为减小，即该凹面镜或凸面镜结构能够使发光二极管芯片发光层发射的光线经过反射层发射后，得到反射角度在特定范围内的一系列光线。

因此，在发光二极管芯片的反射层制作凹面镜或凸面镜结构的目的是，通过改变发光二极管芯片内部光线的方向，使得发光二极管芯片内部光线在发光二极管芯片界面发生全反射的概率降低。

参阅图4所示为本发明实施例中，在发光二极管芯片的基底上形成一层金属层，并在金属层上制作多个凹面镜或凸面镜，在其中一个凹面镜或凸面镜发生反射的过程中，入射光线的入射角度与反射光线的反射角度模拟图。在图3中，金属层上的凹面镜或凸面镜将发散的入射光线能够较为平行地射出。

步骤340：在上述电流扩散层靠近PN结的一侧制作光栅结构。

在上述发光二极管芯片的电流扩散层靠近PN结的一侧制作光栅结构。

在发光二极管芯片中，PN结构成的发光层并不会影响上述经反射层反射后的光线方向。

上述经反射层反射后的光线经过发光层后，到达发光二极管芯片的电流扩散层。在电流扩散层的底部，即在电流扩散层靠近PN结的一侧制作了光栅结构，上述光栅结构中的光栅采用金属制作，光栅常数为10纳米~19纳米，且光栅高度约为几十个纳米。

当光线通过光栅结构时，能够发生衍射现象。利用上述光栅结构的衍射特性，当发光二极管芯片内部的光线经过光栅结构时，能够改变该光线的方向，使上述光线中的一部分光线以与电流反射层近似垂直的方向入射发光二极管芯片界面，即该部分光线的方向与发光二极管芯片界面近似垂直，以小于发光二极管芯片内部材料与外部封装材料发生全反射临界角的角度入射至发光二极管芯片界面，该部分光线不会在发光二极管芯片界面发生全反射现象，这样，相比在发光二极管芯片内部光线发生全发射现象，本发明在发光二极管芯片的电流扩散层靠近PN结的一侧制作光栅结构后会有更多的光线从发光二极管芯片射出；上述发光二极管芯片内部光线中的另一部分光线方向与电流反射层底面平行，即该另一部分光线在电流反射层中横向传播。

在发光二极管芯片的电流反射层靠近PN结的一侧制作光栅结构后，能够将经反射层反射后方向较为一致的光线通过衍射作用改变方向，使发光二极管芯片内部的光线更多地射出发光二极管芯片。

针对在电流反射层中横向传播的光线，在发光二极管芯片中电流扩散层两侧面分别制作光线方向改变部件。上述光线方向改变部件可以为在电流扩散层两侧面分别进行粗糙化处理；或者，在电流扩散层两侧面分别制作光栅结构；或者，在电流扩散层两侧面分别制作光子晶体。

若在发光二极管芯片的电流扩散层的两侧面分别制作光栅结构，其原理与在电流扩散层中制作光栅结构的原理相同，通过将电流扩散层中横向传播光线分为两个正交方向的光线，则垂直于电流扩散层的光线可射出发光二极管芯片。该方法旨在通过改变在电流扩散层中横向传播光线的方向来增加出射发光二极管芯片的光线，以提高发光二极管芯片的发光效率。

若在发光二极管芯片的电流扩散层的两侧面分别进行粗糙化处理，可以将发光二极管芯片内部经电流扩散层靠近PN结一侧的光栅结构处理后得到的横向光线改变方向，使一部分横线光线改变方向后入射至电流扩散层靠近PN结一侧的光栅结构，经光栅结构处理后，上述一部分横向光线射出发光二极管芯片；另一部分横向光线改变方向后入射至发光二极管芯片界面，若入射光线大于临界角，则发生全反射，电流扩散层两侧面的粗糙化处理部件及电流扩散层靠近PN结一侧的光栅结构继续处理该入射光线，若入射光线小于临界角，则该入射光线射出发光二极管芯片。经上述处理过程后，可改变发光二极管芯片内部经电流扩散层靠近PN结一侧的光栅结构处理后得到的横向光线的方向，使上述部分横向光线射出发光二极管芯片，有效提高了发光二极管芯片的发光效率。本发明实施例中，粗糙化处理的方法有多种，包括自然光刻法，以及在发光二极管芯片电流扩散层的侧面放置Pt薄膜，经900摄氏度高温预处理后使Pt变形得到球形，对该球形做掩膜并用腐蚀法进行处理。

若在发光二极管的电流扩散层的两侧面分别制作光子晶体，即在发光二极管的电流扩散层的两侧面分别制作周期分布二维光子晶体光学微腔。由于光子晶体在一定的波段范围内时光线的禁区，不允许光在该波段范围内存在，因此，当波长处于该波段范围内的光线入射时，就会发生全反射。在发光二极管的电流扩散层的两侧面上分别制作排列和形状合理的光子晶体，可以改变上述横向光线的方向，从而有效提升发光二极管芯片的电流扩散层中横向光线射出发光二极管芯片的效率，提高发光二极管芯片的发光效率。

采用本发明技术方案，可以有效提高发光二极管芯片的发光效率，发光二极管芯片的发光效率可以提高至10%以上。

综上所述，本发明实施例中，上述发光二极管芯片包括：基底；PN结，其位于基底的一侧并包括P型半导体层和N型半导体层；P型电极、N型电极和电流扩散层，该P型电极、N型电极和电流扩散层位于上述PN结上；还包括：反射层，位于上述基底的另一侧；光栅，位于上述电流扩散层靠近PN结的一侧。采用本发明技术方案，制作工艺简单，通过改变发光二极管芯片内部光线的方向有效提高了发光二极管芯片的发光效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种发光二极管芯片，包括：

基底；

PN结，其位于基底的一侧并包括P型半导体层和N型半导体层；

P型电极、N型电极和电流扩散层，所述P型电极、N型电极和电流扩散层位于所述PN结上；

其特征在于，还包括：

反射层，位于所述基底的另一侧；

光栅，位于所述电流扩散层靠近PN结的一侧。

2.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述发光二极管芯片还包括光线方向改变部件，所述光线方向改变部件位于所述电流扩散层的侧面。

3.如权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述光线方向改变部件包括：

经过粗糙化处理的部件；或者，光栅；或者，光子晶体。

4.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述反射层为金属层。

5.如权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述金属层上设有多个曲率半径为微米级的凹面镜或凸面镜。

6.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述光栅采用金属制作，所述光栅的光栅常数为10纳米~19纳米。

7.一种发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，包括：

在所述PN结上形成P型电极和N型电极的步骤；

在所述PN结上形成电流扩散层的步骤；

在所述基底的另一侧上形成反射层的步骤；

在所述电流扩散层上制作光栅结构的步骤。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

在所述电流扩散层的侧面制作光线方向改变部件的步骤。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在电流扩散层的侧面制作光线方向改变部件的步骤包括：

在所述电流扩散层侧面进行粗糙化处理；或者，

在所述电流扩散层侧面制作光栅结构；或者，

在所述电流扩散层侧面制作光子晶体。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述反射层为金属层。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，

在所述基底的另一侧上形成反射层的步骤包括在所述金属层上制作多个曲率半径为微米级的凹面镜或凸面镜。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光栅结构采用金属制作，所述光栅结构的光栅常数为10纳米~19纳米。