CN102916028B - 发光二极管阵列及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管阵列，其包括基板及形成于基板一侧的多个发光二极管，所述多个发光二极管之间电连接，所述每个发光二极管包括依次形成于所述基板上的n型氮化镓层、发光层及p型氮化镓层，该基板与n型氮化镓层之间设置有连接层，该基板邻近连接层的表面上形成有若干凸状结构，该连接层覆盖部分该若干凸状结构。针对发光二极管产生的光只有在小于临界角的情况下才能射出至外界的情况，该若干凸状结构改变局限于基板内的光的传导路径，从而提升该发光二极管阵列的光萃取率。本发明还涉及该种发光二极管阵列的制造方法。

Description

发光二极管阵列及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体元件及其制造方法，尤其涉及一种发光二极管阵列及其制造方法。
背景技术
现在，发光二极管(Light Emitting Diode,LED)已经被广泛应用到照明等领域中，为了提高照明亮度，人们往往在灯具等中采用由多个发光二极管组成的发光二极管阵列。然而，发光二极管产生的光只有在小于临界角的情况下才能射出至外界，否则由于内部全反射的原因，大量的光将在发光二极管内部损失掉，无法射出至外界，导致整个发光二极管阵列的出光率低下，亮度不高。目前，利用蚀刻使得发光二极管表面粗化来增加发光二极管亮度的技术已为公众熟知，现有的技术大致分为两种：1.利用高温的酸性液体(如硫酸，磷酸等)来对发光二极管进行蚀刻，其缺点为液体中易因温度不均而产生蚀刻速率不稳定的现象，且使用槽体需经良好的设计，使在高温操作的液体不具危险，因此槽体的制作成本也会较高；2.利用紫外光照射加电压的方式，使半导体组件易和氢氧化钾产生反应，进而达成蚀刻的目的，但操作上需制作绝缘物保护，在芯片上布下电极线，再进行通电照光蚀刻，由于电极导电性的问题使制作上只能在小片芯片上制作，而整片晶圆的制作上受限于电力的分布，而很难有良好的蚀刻均匀性，且制作流程较复杂。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种便于蚀刻且出光效率高的发光二极管阵列及其制造方法。
一种发光二极管阵列，其包括基板及形成于基板一侧的多个发光二极管，所述多个发光二极管之间电连接，所述每个发光二极管包括依次形成于所述基板上的n型氮化镓层、发光层及p型氮化镓层，该基板与n型氮化镓层之间设置有连接层，该基板邻近连接层的表面上形成有若干凸状结构，该连接层覆盖部分该若干凸状结构，该多个发光二极管之间由沟槽隔开，所述发光二极管阵列进一步包括一形成于所述沟槽中的电绝缘层以及形成于该电绝缘层上的电连接线，该电连接线用于电连接所述多个发光二极管，所述基板上的若干凸状结构外露于未被该电连接线覆盖的沟槽底部，所述连接层能够被碱性溶液蚀刻，所述n型氮化镓层面向连接层的底面为反向极化氮化镓，且该底面有裸露的粗化表面。
一种发光二极管阵列的制造方法，包括以下步骤：提供一基板；图案化蚀刻该基板，以在该基板表面形成若干凸状结构；在所述基板上依次成长形成连接层、n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层，所述连接层、n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层构成一半导体层，所述n型氮化镓层面向连接层的底面为反向极化氮化镓；在所述半导体层上形成多个沟槽，该多个沟槽将半导体层分割成多个发光二极管，所述沟槽依次贯穿p型氮化镓层、发光层及n型氮化镓层以裸露出连接层；蚀刻掉所述每个发光二极管的部分连接层，裸露出n型氮化镓层的部分底面，并对裸露出的n型氮化镓层的底面进行蚀刻以形成粗化表面；电连接所述多个发光二极管及蚀刻该发光二极管阵列未被电连接区域覆盖的部分，使该若干凸状结构外露于相邻发光二极管之间。
本发明提供的发光二极管阵列中，该基板用于承载发光二极管的表面形成若干凸状结构，针对发光二极管产生的光只有在小于临界角的情况下才能射出至外界的情况，该若干凸状结构改变局限于基板内的光的传导路径，从而提升该发光二极管阵列的光萃取率。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的一种发光二极管阵列的示意图。
图2是本发明实施例的一种发光二极管阵列的局部俯视图。
图3是本发明另一实施例的一种发光二极管阵列的示意图。
图4-图9是图1中的发光二极管阵列的制造流程示意图。
主要元件符号说明
发光二极管阵列     100
基板               10
缓冲层             11
氮化镓层                    12
发光二极管                  20
连接层                      21
n型氮化镓层                 22
第一区域                    221
第二区域                    222
发光层                      23
p型氮化镓层                 24
透明导电层                  25
p型电极                     26
n型电极                     27
电绝缘层                    30
电连接线                    40
沟槽                        101
半导体层                    102
凸状结构                    50
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1和图2，本发明实施方式提供的一种发光二极管阵列100包括基板10、形成于基板10一侧的多个发光二极管20、位于所述多个发光二极管20之间的电绝缘层30、用于实现所述多个发光二极管20之间电连接的电连接线40，以及形成于基板10上并位于所述多个发光二极管之间的若干凸状结构50。
所述基板10的材质可选自硅、碳化硅、蓝宝石等。该若干凸状结构50设置基板10邻近多个发光二极管的表面上。在此，可通过光微影及蚀刻技术对所述基板10进行图案化处理，以在基板10表面形成若干凸状结构50。本实施例中该若干凸状结构50上表面呈球面状。
该发光二极管20的数量至少为两个。但是，可以理解，所述发光二极管阵列100中发光二极管20的数量并不限于两个，其具体数量可根据实际需要的亮度而定。所述每个发光二极管20包括连接层21、n型氮化镓层22、发光层23、p型氮化镓层24、透明导电层25、p型电极26及n型电极27。所述连接层21、n型氮化镓层22、发光层23、p型氮化镓层24和透明导电层25依次形成于基板10上。
所述连接层21易于被碱性溶液在低于100℃情况下蚀刻。所述连接层21的面积小于形成在其上的n型氮化镓层22的面积，使得n型氮化镓层22面向所述连接层21的底面周缘裸露出。所述连接层21的材质可选自氮化铝、二氧化硅、氮化硅等。本实施方式中，所述连接层21为氮化铝。优选地，所述连接层21的厚度范围为5纳米-1000纳米。连接层21的厚度大于5纳米时，蚀刻液才会有效的侧蚀渗透，所述连接层21的厚度大于1000纳米则容易因为应力太大而导致其上形成的结构出现碎裂。所述连接层21的电阻值远大于发光二极管20的电阻值，例如，氮化铝形成的连接层21的电阻值往往在2000欧姆左右，而发光二极管20的电阻值一般仅有10-20欧姆。
所述n型氮化镓层22的底面为反向极化(N-face)氮化镓。反向极化(N-face)氮化镓为晶格成长堆栈时，氮原子形成在表面的结构；正常极化(Ga-face)氮化镓为晶格成长堆栈时，镓原子形成在表面的结构。反向极化(N-face)氮化镓易被碱性溶液在低于100℃情况下蚀刻成六角锥的形态；但正常极化(Ga-face)氮化镓则与碱性溶液在低于100℃情况下完全不反应。所述n型氮化镓层22的底面裸露的部分被粗化，以提高发光二极管20的光萃取率。所述n型氮化镓层22远离连接层21的顶面包括一个第一区域221及一个第二区域222。
所述发光层23、p型氮化镓层24、透明导电层25及p型电极26依次形成在所述第一区域221上。所述透明导电层25可选自镍金双金属薄层、氧化铟锡(ITO)等。本实施例中，所述透明导电层25为氧化铟锡。
所述n型电极27形成在所述第二区域222上。
所述多个发光二极管20之间形成有沟槽101，以将多个发光二极管20相互隔开。该沟槽101贯穿过连接层21、n型氮化镓层22、发光层23、p型氮化镓层24及透明导电层25，以暴露出基板10上的凸状结构50。
所述电绝缘层30形成于发光二极管20之间的沟槽101中，并覆盖沟槽101底部暴露出的部分凸状结构50。该电绝缘层30用于避免相邻两发光二极管20出现短路现象。所述电绝缘层30的材质可选自二氧化硅。当然，所述电绝缘层30也可设置成包覆发光二极管20除电极以外的所有表面。
所述电连接线40形成于所述电绝缘层30上，以根据实际的产品需求将所述多个发光二极管20串联、并联或混联。本实施方式中，所述电连接线40将所述多个发光二极管20串联。具体的，该电连接线横贯沟槽101并设置在绝缘层30上，其一端连接于一个发光二极管20的p型电极，另一端连接于另一个发光二极管20的n型电极。该种设置可以使得电连接线40受到绝缘层30的良好支撑，而避免电连接线40产生断裂现象。可以理解，该沟槽101中也可以没有该电绝缘层30，只需采取强度较高的材料制作电连接线40即可，参照图3。
优选的，为提高后续成长在其上的半导体层的品质，所述基板10可先形成一缓冲层11。本实施方式中，为便于成长所述连接层21，所述基板10的缓冲层11上还进一步形成有一氮化镓层12。优选地，该氮化镓层12为n型氮化镓层，其远离基板10的表面为正常极化(Ga-face)氮化镓。
该缓冲层11形成于该若干凸状结构50上。该发光二极管阵列100上未被发光二极管20及电连接线40占据的区域均被蚀刻至基板10以裸露出该若干凸状结构50，也即，相邻发光二极管20之间未被点绝缘层30、电连接线40覆盖的沟槽101底部均外露出该若干凸状结构50。此结构适用于操作电压大于5V、单晶种串联的发光二极管阵列100。
本发明提供的发光二极管阵列100中，该基板10用于承载发光二极管20的表面形成若干凸状结构50，针对发光二极管20产生的光只有在小于临界角的情况下才能射出至外界的情况，该若干凸状结构50能够改变局限于基板10内的光的传导路径，从而提升该发光二极管阵列100的光萃取率。
下面将介绍所述发光二极管阵列100的制造方法，本实施方式提供的所述发光二极管阵列100的制造方法包括以下步骤：
请参阅图4，提供基板10，所述基板10的材质可选自硅、碳化硅、蓝宝石等。通过光微影及蚀刻技术图案化蚀刻该基板，使基板10表面形成若干凸状结构50，本实施方式中，该若干凸状结构50的上表面呈球面状。
请参阅图5，在所述基板10形成有凸状结构50的表面上依次成长形成连接层21、n型氮化镓层22、发光层23、p型氮化镓层24、透明导电层25。所述连接层21、n型氮化镓层22、发光层23、p型氮化镓层24和透明导电层25一同构成一半导体层102。本实施方式中，在成长所述连接层21前，先在基板10上依次形成了缓冲层11和氮化镓层12，以提高后续成长的半导体层的品质。所述氮化镓层12远离基板10的表面为正常极化(Ga-face)氮化镓，以避免后续被碱性溶液蚀刻。所述连接层21的厚度范围为5纳米-1000纳米。连接层21的厚度大于5纳米时，蚀刻液才会有效的侧蚀渗透，所述连接层21的厚度大于1000纳米则容易因为应力太大而导致其上形成的结构出现碎裂。所述n型氮化镓层22的底面为反向极化(N-face)氮化镓，以便于被碱性溶液蚀刻。
请参阅图6，在所述半导体层102上形成多个沟槽101，该多个沟槽101将半导体层102分割成多个发光二极管20。所述沟槽101依次贯穿透明导电层25、p型氮化镓层24、发光层23及n型氮化镓层22以裸露出连接层21。为便于后续对于连接层21的蚀刻，优选地，所述沟槽101进一步贯穿所述连接层21。所述沟槽101可通过感应耦合电浆蚀刻技术(Inductively CoupledPlasma,ICP)形成。
蚀刻所述每个发光二极管20上的透明导电层25、p型氮化镓层24和发光层23及n型氮化镓层22直至连接层21时，所述氮化镓层12也可有部分被蚀刻。
请参阅图7，在上述每个发光二极管20的透明导电层25和n型氮化镓层22裸露区域上分别形成p型电极26及n型电极27。
请参阅图8，采用碱性溶液横向蚀刻掉所述每个发光二极管20的部分连接层21，裸露出n型氮化镓层22的部分底面，并采用所述碱性溶液对裸露出的n型氮化镓层22的底面进行蚀刻以形成粗化表面。为加快对连接层21及n型氮化镓层22的底面的蚀刻速度，优选地，所述碱性溶液为强碱性溶液，如氢氧化钾、氢氧化钠等。具体的，可采用85摄氏度的氢氧化钾溶液对所述连接层21和n型氮化镓层22蚀刻30-60分钟。
请参阅图9，在所述沟槽101中形成电绝缘层30，并在所述电绝缘层30上形成电连接所述多个发光二极管20的电连接线40，所述电连接线40将所述发光二极管阵列100中的该若干发光二极管20串联。
蚀刻该若干发光二极管20之间除去电连接线40的区域至裸露出部分该若干凸状结构50，可通过感应耦合电浆蚀刻技术对该发光二极管阵列100进行蚀刻。
可以理解，在上述发光二极管阵列100的制造方法中，所述发光二极管20也可不包括透明导电层25，即不形成透明导电层25，所述p型电极26可直接形成于p型氮化镓层24上。另外，所述p型电极26及n型电极27也可在n型氮化镓层22底面粗化后再形成。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种像应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种发光二极管阵列，其包括基板及形成于基板一侧的多个发光二极管，所述多个发光二极管之间电连接，所述每个发光二极管包括依次形成于所述基板上的n型氮化镓层、发光层及p型氮化镓层，其特征在于：该基板与n型氮化镓层之间设置有连接层，该基板邻近连接层的表面上形成有若干凸状结构，该连接层覆盖部分该若干凸状结构，该多个发光二极管之间由沟槽隔开，所述发光二极管阵列进一步包括一形成于所述沟槽中的电绝缘层以及形成于该电绝缘层上的电连接线，该电连接线用于电连接所述多个发光二极管，所述基板上的若干凸状结构外露于未被该电连接线覆盖的沟槽底部，所述连接层能够被碱性溶液蚀刻，所述n型氮化镓层面向连接层的底面为反向极化氮化镓，且该底面有裸露的粗化表面。
2.如权利要求1所述的发光二极管阵列，其特征在于：该沟槽贯穿连接层并暴露出基板上的若干凸状结构。
3.如权利要求1所述的发光二极管阵列，其特征在于：该发光二极管阵列包括位于基板和n型氮化镓层之间的一缓冲层，该缓冲层贴设于该若干凸状结构的上表面。
4.如权利要求1所述的发光二极管阵列，其特征在于：所述电连接线串联所述多个发光二极管且操作电压大于5V。
5.权利要求1所述的发光二极管阵列，其特征在于：所述连接层和基板之间形成有另一n型氮化镓层，该n型氮化镓层远离基板的表面为正常极化氮化镓。
6.一种发光二极管阵列的制造方法，包括以下步骤：
提供一基板；
图案化蚀刻该基板，以在该基板表面形成若干凸状结构；
在所述基板形成有凸状结构的表面上依次形成连接层、n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层，所述连接层、n型氮化镓层、发光层和p型氮化镓层构成一半导体层，所述n型氮化镓层面向连接层的底面为反向极化氮化镓；
在所述半导体层上形成多个沟槽，该多个沟槽将半导体层分割成多个发光二极管，所述沟槽依次贯穿p型氮化镓层、发光层及n型氮化镓层以裸露出连接层；
蚀刻掉所述每个发光二极管的部分连接层，裸露出n型氮化镓层的部分底面，对裸露出的n型氮化镓层的底面进行蚀刻以形成粗化表面；
电连接所述多个发光二极管；及
蚀刻该发光二极管阵列未被电连接区域覆盖的部分，使该若干凸状结构外露于相邻发光二极管之间。
7.如权利要求6所述的发光二极管阵列的制造方法，其特征在于：所述沟槽贯穿所述连接层。
8.如权利要求6所述的发光二极管阵列的制造方法，其特征在于：在电连接所述多个发光二极管之前，先在所述多个发光二极管之间的沟槽中形成电绝缘层。
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