CN103311382B - 一种led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种LED芯片及其制备方法，该制备方法主要是采用溶胶凝胶制备一种多孔SiO2薄膜作为电流阻挡层，用以改善现有技术中用PECVD的方法沉积二氧化硅时等离子体带来的P-GaN损伤，造成工作电压升高，以及不能减少P电极吸光的问题，本发明的LED芯片中由于多孔SiO2薄膜的存在，量子阱所发出的光被多孔SiO2薄膜多次反射和折射，部分光从电流阻挡层的侧面出来，减少了P电极吸光，进而提高芯片的亮度。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED芯片及其制作方法，特别是涉及一种具有多孔二氧化硅CBL结构的LED芯片及其制作方法。
背景技术
LED芯片的设计及制造中，在LED芯片中的P-pad正下面直接加入电流阻挡层(CBL，currentblockinglayer)可以将原本由P-pad流入P-GaN层的电流截断，使电流全部先流入透明导电层(TCL，Transparentcontactlayer)，然后再通过透明导电层流入该透明导电层正下方的P-GaN层；当不加电流阻挡层时，电流一部分先由P-pad流入透明导电层再流入透明导电层正下方的P-GaN层，一部分直接流入P-pad正下方的P-GaN层和量子阱发光，P-pad正下方的量子阱发出的光基本上会被P电极挡住，这部分光会被反射或者被吸收，而被反射的部分在芯片内部经过多次反射后也有相当大的一部分会被吸收，最后能射出芯片的少之又少，不加电流阻挡层导致有效发光区的电流密度减少，从而降低了芯片的亮度，而加入电流阻挡层后，直接流入P-pad正下方的P-GaN层的电流被截断，电流全部直接通过透明导电层扩散至有效发光区，从而提高了有效发光区的电流密度，提高了电流的利用率，进而提高了芯片的亮度。
在现有技术中，在LED芯片中添加电流阻挡层的实现方式主要是直接在P电极和P-GaN层之间加入高绝缘性的材料将原本由P-pad流入P-GaN层的电流截断，在蓝光LED芯片中常用SiO2作为电流阻挡层的材料，即用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition)方式沉积SiO2，但是，这种方法会因为等离子体带来的P-GaN损伤导致工作电压的升高，而且，沉积在P电极和P-GaN层之间的SiO2光滑度或平滑度比较高，具有一定程度的透光性，而光滑的SiO2并不能减少P电极对光的吸收，如此一来，将会造成由量子阱射向电极的光线会透过光滑的SiO2材料散失，进而减少了量子阱的出光率，降低了芯片的亮度。
因此，如何提出一种LED芯片及其制作方法，以消除上述电流阻挡层反射性能差而带来的LED芯片的P电极吸光、量子阱出光率低等问题，实已成为本领域从业者欲以解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种LED芯片及其制备方法，用于解决现有技术中电流阻挡层反射性能差而带来的LED芯片的P电极吸光、量子阱出光率低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种LED芯片及其制备方法，其中，所述制备方法至少包括：1)提供一蓝宝石衬底，并于所述蓝宝石衬底的上形成发光外延层；2)于所述发光外延层上制备一层多孔SiO2薄膜以作为电流阻挡层，并在所述发光外延层上制备出包覆该多孔SiO2薄膜的透明导电层；3)分别制备出P电极及N电极，以完成所述LED芯片的制备。
在本发明LED芯片制备方法的步骤2)中，制备多孔SiO2薄膜包括以下步骤：2-1)碱催化反应：将正硅酸乙酯、氨水、甘油、去离子水、以及聚乙烯醇按照体积比为1∶0.16∶2.5∶5∶0.2的配比进行混合并搅拌均匀获得混合溶液，将该混合溶液密封后置于50℃的环境中反应120小时；2-2)酸催化反应：将经碱催化后的溶液、醋酸、以及摩尔浓度5％的聚乙烯醇按照体积比为2∶0.06∶0.4的配比进行混合并密封后置于50℃的环境中反应12小时，以获得溶胶；2-3)涂胶：将获得的溶胶涂布于所述发光外延层上，经匀胶、甩胶以及退火后获得所述的多孔SiO2薄膜。
本发明的制备方法制备的LED芯片为横向结构的蓝光LED芯片，在具体的实施方式中，于所述步骤2)中，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层的P-GaN层上；所述透明导电层制备在所述发光外延层的P-GaN层上并包覆该多孔SiO2薄膜。
本发明的制备方法制备的LED芯片为垂直结构的蓝光LED芯片，在具体的实施方式中，于所述步骤2)中，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层的N-GaN层上；所述透明导电层制备在所述发光外延层的N-GaN层上并包覆该多孔SiO2薄膜。于所述步骤2)中，还包括利用激光剥离技术将所述蓝宝石衬底从所述发光外延层的N-GaN层进行剥离的步骤。
本发明还提供一种LED芯片，至少包括：发光外延层，包括N-GaN层、P-GaN层、以及位于所述N-GaN层与P-GaN层之间的量子阱层；电流阻挡层，形成于所述发光外延层上，所述电流阻挡层为多孔SiO2薄膜；透明导电层，形成于所述发光外延层上并包覆所述电流阻挡层；N电极及P电极，所述N电极制备在所述发光外延层的N-GaN层上，所述P电极制备在所述透明导电层或P-GaN层上。
优选地，所述LED芯片为横向结构的蓝光LED芯片，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层的P-GaN层上，所述透明导电层制备在所述发光外延层的P-GaN层上并包覆该多孔SiO2薄膜。
优选地，所述LED芯片为垂直结构的蓝光LED芯片，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层的N-GaN层上，所述透明导电层制备在所述发光外延层的N-GaN层上并包覆该多孔SiO2薄膜。
如上所述，本发明的LED芯片及其制备方法，采用溶胶凝胶制备一种多孔SiO2薄膜作为电流阻挡层，改善了现有技术中用PECVD的方法沉积二氧化硅时等离子体带来的P-GaN损伤，造成工作电压升高，以及不能减少P电极吸光的问题，本发明的LED芯片中由于多孔SiO2薄膜的存在，量子阱所发出的光被多孔SiO2薄膜多次反射和折射，部分光从电流阻挡层的侧面出来，减少了P电极吸光，进而提高芯片的亮度。
附图说明
图1～图5显示为本发明制备横向结构蓝光LED芯片的方法中依据各步骤呈现的LED截面结构示意图。
图2～图10显示为本发明制备垂直结构蓝光LED芯片的方法中依据各步骤呈现的LED截面结构示意图。
元件标号说明
10、20蓝宝石衬底
11、21发光外延层
110、210N-GaN层
111、211量子阱层
112、212P-GaN层
12、22电流阻挡层
13、23透明导电层
14、24P电极
15、25N电极
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上表面”、“下表面”、“左”、“右”、“中间”、“二”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
请参阅图1至图5，显示为本发明制备横向结构蓝光LED芯片的方法中依据各步骤呈现的LED截面结构示意图。如图所示，本发明提供一种LED芯片的方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
首先执行步骤1)，如图1至图2所示，提供一蓝宝石衬底10，于本实施例中，所述蓝宝石衬底10的上表面可以为平面、图形化表面、纳米结构、或者光子晶体结构，相应地，所述蓝宝石衬底10的下表面亦可为平面、图形化表面、纳米结构、或者光子晶体结构，然后于所述蓝宝石衬底10的上形成由N-GaN层110、P-GaN层112、以及位于所述N-GaN层110与P-GaN层112之间的量子阱层111的发光外延层11。
接着执行步骤2)，如图3至4所示，于所述发光外延层11上制备一层多孔SiO2薄膜以作为电流阻挡层12，并在所述发光外延层11上制备出包覆该多孔SiO2薄膜的透明导电层13，于本实施例中，制备多孔SiO2薄膜采用氨水、醋酸为催化剂，用正硅酸乙酯(TEOS)为Si源，甘油作为防裂剂，聚乙烯醇(PVAl750)作为致缓剂和发泡剂，制作多孔SiO2薄膜。具体包括以下步骤：
2-1)碱催化反应：将正硅酸乙酯、氨水、甘油、去离子水、以及聚乙烯醇按照体积比为1∶0.16∶2.5∶5∶0.2的配比进行混合并搅拌均匀获得混合溶液，将该混合溶液密封后置于50℃的环境中反应120小时，以实验室用量为例，将10mL正硅酸乙酯(TEOS)、8滴氨水(约1.6mL)、25mL甘油、50mL去离子水、以及2mL聚乙烯醇(PVAl750)混合后充分搅拌，密封后至于50℃烘箱中放置5天并过滤。
2-2)酸催化反应：将经碱催化后的溶液、醋酸、以及摩尔浓度5％的聚乙烯醇按照体积比为2∶0.06∶0.4的配比进行混合并密封后置于50℃的环境中反应12小时，以获得溶胶，例如取出20mL的溶胶，滴入3滴醋酸(约0.6mL)，4mL摩尔浓度5％PVA溶液，密封后放入50℃烘箱12小时后取出。
2-3)涂胶：将获得的溶胶涂布于所述发光外延层11的P-GaN层112上，经匀胶、甩胶以及退火后获得所述的多孔SiO2薄膜。具体地，将溶胶滴到GaN外延片上匀胶800r/min，甩胶1200～1500r/min，在快速退火炉里退火，100℃、5min，250℃、5min，450℃、10min，然后重复涂胶、退火至所需厚度。
采用上述溶胶凝胶的方法制备出的多孔SiO2薄膜作为电流阻挡层12，改善了现有技术中用PECVD的方法沉积二氧化硅时等离子体带来的P-GaN损伤，造成工作电压升高，以及不能减少P电极吸光的问题，由于多孔SiO2薄膜的存在，量子阱层111所发出的光被多孔SiO2薄膜多次反射和折射，可以保证部分光从电流阻挡层12的侧面出来，减少了P电极吸光。
请参阅图3，如图所示，于所述发光外延层11的P-GaN层112上制备一层多孔SiO2薄膜以作为电流阻挡层12，然后去除部分多孔SiO2薄膜，只保留预制备P电极区域的多孔SiO2薄膜，同时刻蚀该发光外延层11的一部分，露出其N-GaN层110，以用来制备N电极。
请参阅图4，如图所示，在所述发光外延层11的P-GaN层112上制备透明导电层13，并使所述透明导电层13包覆该多孔SiO2薄膜。
然后执行步骤3)，请参阅图5，如图所示，在所述透明导电层13上制备出P电极14，且该多孔SiO2薄膜位于所述P电极14的下方，进而减少了P电极14吸光，同时，在所述N-GaN层110上制备出N电极15，以完成所述LED芯片的制备。
实施例二
请参阅图6至图10，显示为本发明制备垂直结构蓝光LED芯片的方法中依据各步骤呈现的LED截面结构示意图。如图所示，本发明提供一种LED芯片的方法，所述制备方法至少包括以下步骤：
首先执行步骤1)，如图6至7所示，提供一蓝宝石衬底20，于本实施例中，所述蓝宝石衬底20的上表面可以为平面、图形化表面、纳米结构、或者光子晶体结构，相应地，所述蓝宝石衬底20的下表面亦可为平面、图形化表面、纳米结构、或者光子晶体结构，然后于所述蓝宝石衬底20的上形成由N-GaN层210、P-GaN层212、以及位于所述N-GaN层210与P-GaN层212之间的量子阱层211的发光外延层21。
然后利用激光剥离技术将所述蓝宝石衬底20从所述发光外延层21的N-GaN层210进行剥离，以露出所述发光外延层21的N-GaN层210。
接着执行步骤2)，如图8至9所示，于所述发光外延层21上制备一层多孔SiO2薄膜以作为电流阻挡层22，并在所述发光外延层21上制备出包覆该多孔SiO2薄膜的透明导电层23，于本实施例中，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层21的N-GaN层210上，制备多孔SiO2薄膜采用氨水、醋酸为催化剂，用正硅酸乙酯(TEOS)为Si源，甘油作为防裂剂，聚乙烯醇(PVAl750)作为致缓剂和发泡剂，制作多孔SiO2薄膜。具体包括以下步骤：
2-1)碱催化反应：将正硅酸乙酯、氨水、甘油、去离子水、以及聚乙烯醇按照体积比为1∶0.16∶2.5∶5∶0.2的配比进行混合并搅拌均匀获得混合溶液，将该混合溶液密封后置于50℃的环境中反应120小时，以实验室用量为例，将10mL正硅酸乙酯(TEOS)、8滴氨水(约1.6mL)、25mL甘油、50mL去离子水、以及2mL聚乙烯醇(PVAl750)混合后充分搅拌，密封后至于50℃烘箱中放置5天并过滤。
2-2)酸催化反应：将经碱催化后的溶液、醋酸、以及摩尔浓度5％的聚乙烯醇按照体积比为2∶0.06∶0.4的配比进行混合并密封后置于50℃的环境中反应12小时，以获得溶胶，例如取出20mL的溶胶，滴入3滴醋酸(约0.6mL)，4mL摩尔浓度5％PVA溶液，密封后放入50℃烘箱12小时后取出。
2-3)涂胶：将获得的溶胶涂布于所述发光外延层21的N-GaN层210上，经匀胶、甩胶以及退火后获得所述的多孔SiO2薄膜。具体地，将溶胶滴到GaN外延片上匀胶800r/min，甩胶1200～1500r/min，在快速退火炉里退火，100℃、5min，250℃、5min，450℃、10min，然后重复涂胶、退火至所需厚度。
采用上述溶胶凝胶的方法制备出的多孔SiO2薄膜作为电流阻挡层22，改善了现有技术中用PECVD的方法沉积二氧化硅时等离子体带来的P-GaN损伤，造成工作电压升高，以及不能减少P电极吸光的问题，由于多孔SiO2薄膜的存在，量子阱211所发出的光被多孔SiO2薄膜多次反射和折射，可以保证部分光从电流阻挡层22的侧面出来，减少了N电极吸光。
请参阅图8，如图所示，于所述发光外延层21的N-GaN层210上制备一层多孔SiO2薄膜以作为电流阻挡层22，然后去除部分多孔SiO2薄膜，只保留预制备N电极区域的多孔SiO2薄膜，请参阅图9，如图所示，在所述发光外延层21的N-GaN层210上制备透明导电层23，所述透明导电层23制备在所述发光外延层21的N-GaN层210上并包覆该多孔SiO2薄膜。
请参阅图10，如图所示，然后执行步骤3)，在所述透明导电层23上制备出N电极25，在该发光外延层21的P-GaN层212上制备金属板以作为P电极24，以完成所述LED芯片的制备。
实施例三
请参阅图5，为上述实施例一中最终呈现的横向结构蓝光LED芯片结构示意图，如图所示，所述LED芯片至少包括：蓝宝石衬底10，发光外延层11，电流阻挡层12，透明导电层13，P电极14以及N电极15。
于本实施例中，所述蓝宝石衬底10的上表面可以为平面、图形化表面、纳米结构、或者光子晶体结构，相应地，所述蓝宝石衬底10的下表面亦可为平面、图形化表面、纳米结构、或者光子晶体结构。
所述发光外延层11形成在所述蓝宝石衬底10的上表面，包括N-GaN层110、P-GaN层112、以及位于所述N-GaN层110与P-GaN层112之间的量子阱层111。
所述电流阻挡层12形成于所述发光外延层11的P-GaN层112上，所述电流阻挡层12为多孔SiO2薄膜，且与P电极14相对应，制备在P电极14的正下方，进而确保所述量子阱层111所发出的光被多孔SiO2薄膜多次反射和折射，可以保证部分光从电流阻挡层12的侧面出来，减少了P电极吸光。
具体的，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层11的P-GaN层112上，制备多孔SiO2薄膜采用氨水、醋酸为催化剂，用正硅酸乙酯(TEOS)为Si源，甘油作为防裂剂，聚乙烯醇(PVAl750)作为致缓剂和发泡剂，制作多孔SiO2薄膜。其具体制程如上述的实施例一所述，在此不予赘述。
所述透明导电层13形成于所述发光外延层11的P-GaN层112上并包覆所述电流阻挡层12。所述N电极15制备在所述发光外延层11的N-GaN层110上，所述P电极14制备在所述透明导电层13上。
实施例四
请参阅图10，为上述实施例二中最终呈现的垂直结构蓝光LED芯片结构示意图，如图所示，所述LED芯片至少包括：发光外延层21，电流阻挡层22，透明导电层23，P电极24以及N电极25。
所述发光外延层21包括N-GaN层210、P-GaN层212、以及位于所述N-GaN层210与P-GaN层212之间的量子阱层211。
所述电流阻挡层22形成于所述发光外延层21的N-GaN层210上，所述电流阻挡层22为多孔SiO2薄膜，且与N电极25相对应，进而确保所述量子阱层211所发出的光被多孔SiO2薄膜多次反射和折射，可以保证部分光从电流阻挡层22的侧面出来，减少了N电极吸光。
具体的，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层21的N-GaN层210上，制备多孔SiO2薄膜采用氨水、醋酸为催化剂，用正硅酸乙酯(TEOS)为Si源，甘油作为防裂剂，聚乙烯醇(PVAl750)作为致缓剂和发泡剂，制作多孔SiO2薄膜。其具体制程如上述的实施例二所述，在此不予赘述。
所述透明导电层23形成于所述发光外延层21的N-GaN层210上并包覆所述电流阻挡层22。所述N电极25制备在所述透明导电层23上，所述P电极24制备在所述P-GaN层212上。
综上所述，本发明的LED芯片及其制备方法，采用溶胶凝胶制备一种多孔SiO2薄膜作为电流阻挡层，改善了现有技术中用PECVD的方法沉积二氧化硅时等离子体带来的P-GaN损伤，造成工作电压升高，以及不能减少P电极吸光的问题，本发明的LED芯片中由于多孔SiO2薄膜的存在，量子阱所发出的光被多孔SiO2薄膜多次反射和折射，部分光从电流阻挡层的侧面出来，减少了P电极吸光，进而提高芯片的亮度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种LED芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括：
1)提供一蓝宝石衬底，并于所述蓝宝石衬底的上形成发光外延层；
2)于所述发光外延层上制备一层多孔SiO2薄膜以作为电流阻挡层，并在所述发光外延层上制备出包覆该多孔SiO2薄膜的透明导电层；制备多孔SiO2薄膜包括以下步骤：
2-1)碱催化反应：将正硅酸乙酯、氨水、甘油、去离子水、以及聚乙烯醇按照体积比为1∶0.16∶2.5∶5∶0.2的配比进行混合并搅拌均匀获得混合溶液，将该混合溶液密封后置于50℃的环境中反应120小时；
2-2)酸催化反应：将经碱催化后的溶液、醋酸、以及摩尔浓度5％的聚乙烯醇按照体积比为2∶0.06∶0.4的配比进行混合并密封后置于50℃的环境中反应12小时，以获得溶胶；
2-3)涂胶：将获得的溶胶涂布于所述发光外延层上，经匀胶、甩胶以及退火后获得所述的多孔SiO2薄膜；
3)分别制备出P电极及N电极，以完成所述LED芯片的制备。
2.根据权利要求1所述的LED芯片的制备方法，其特征在于：所述LED芯片为横向结构的蓝光LED芯片。
3.根据权利要求2的LED芯片的制备方法，其特征在于：于所述步骤2)中，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层的P-GaN层上；所述透明导电层制备在所述发光外延层的P-GaN层上并包覆该多孔SiO2薄膜。
4.根据权利要求1的LED芯片的制备方法，其特征在于：所述LED芯片为垂直结构的蓝光LED芯片。
5.根据权利要求4述的LED芯片的制备方法，其特征在于：于所述步骤2)中，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层的N-GaN层上；所述透明导电层制备在所述发光外延层的N-GaN层上并包覆该多孔SiO2薄膜。
6.根据权利要求5述的LED芯片的制备方法，其特征在于：于所述步骤2)中，还包括利用激光剥离技术将所述蓝宝石衬底从所述发光外延层的N-GaN层进行剥离的步骤。
7.一种根据权利要求1-6项中任一项制备方法所制备的LED芯片，其特征在于，至少包括：
发光外延层，包括N-GaN层、P-GaN层、以及位于所述N-GaN层与P-GaN层之间的量子阱层；
电流阻挡层，形成于所述发光外延层上，所述电流阻挡层为多孔SiO2薄膜；
透明导电层，形成于所述发光外延层上并包覆所述电流阻挡层；
N电极及P电极，所述N电极制备在所述发光外延层的N-GaN层上，所述P电极制备在所述透明导电层或P-GaN层上。
8.根据权利要求7所述的LED芯片，其特征在于：所述LED芯片为横向结构的蓝光LED芯片，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层的P-GaN层上，所述透明导电层制备在所述发光外延层的P-GaN层上并包覆该多孔SiO2薄膜。
9.根据权利要求7所述的LED芯片，其特征在于：所述LED芯片为垂直结构的蓝光LED芯片，所述多孔SiO2薄膜制备在所述发光外延层的N-GaN层上，所述透明导电层制备在所述发光外延层的N-GaN层上并包覆该多孔SiO2薄膜。
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