CN103367580A - 一种高出光效率的发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种高出光效率的发光二极管芯片,包括在衬底上依次设置的N型半导体层、有源层、P型半导体层、电流扩展层以及绝缘覆盖层,其中,电流扩散层的折射率值处于在P型半导体层与绝缘覆盖层两者的折射率值之间,并且沿着垂直于电流扩散层表面的方向上梯度分布,使电流扩散层与绝缘覆盖层的界面,以及电流扩散层与P型半导体层的界面处的折射率差降低,从而减轻界面处的全反射。本发明优点在于:通过形成一层折射率梯度变化的电流扩展层减少全反射的发生,获得更多的出光,从而提高了芯片的发光效率。

Description

一种高出光效率的发光二极管芯片及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体器件领域,特别涉及一种发光二极管芯片及其制作方法,尤其涉及一种折射率梯度变化的ITO薄膜层的发光二极管芯片及其制作方法。
技术背景
半导体照明是一项新兴技术,它具有绿色环保、节能安全等突出优点,是新一代照明的希望之星。发光二极管(LED)是一种将电能转化为光能的发光器件,广泛用于指示、显示、装饰、照明等诸多领域。并且,由于其突出的节能环保特性和日益提高的发光效率,越来越多的被用于通用照明领域和LCD背光源领域。但要想获得更广阔的发展空间就必须要在发光效率上不断提高以突显其节能特性。
更为重要的是,由于通常III族氮化物半导体材料折射率都远大于1,所以半导体内部产生的部分光在出射时会在界面处发生全反射现象,折射率差越大则被反射回的光越多,从而造成大量的光无法出射,导致发光二极管芯片发光效率低下。
以常规的氮化物发光二极管为例,GaN材料的折射率大约为2.5,SiO2的折射率为1.47左右,而通常ITO的折射率为1.8。因此,当光由GaN正表面出射时会在GaN/ITO及ITO/SiO2的分界面处分别发生全反射,造成一部分光无法出射,这就大大影响了芯片的发光效率。
为了克服折射率差异所带来的全反射问题,很多研究工作已经被广泛开展起来,主要包括表面粗糙化处理技术(surface roughness),通过增加随机出射光的方式来减小全反射带来的影响;也有在氮化物表面制作图形化结构以减轻全反射效应来增加出光的方法。但目前仍然没有一项技术可以较好地解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高出光效率的发光二极管芯片及其制作方法,能够减轻分界面处的全反射,提高出光效率。
为了解决上述问题,本发明提出一种高出光效率的发光二极管芯片,包括在衬底上依次设置的N型半导体层、有源层、P型半导体层、电流扩展层以及绝缘覆盖层,其中,电流扩散层的折射率值处于在P型半导体层与绝缘覆盖层两者的折射率值之间,并且沿着垂直于电流扩散层表面的方向上梯度分布,使电流扩散层与绝缘覆盖层的界面,以及电流扩散层与P型半导体层的界面处的折射率差降低,从而减轻界面处的全反射。
其中,电流扩展层使用的材料为透射率高及导电性好的ITO膜、GZO(ZnO:Ga)膜、AZO(ZnO:Al)膜和IZO(ZnO:In)膜等透明导电材料。在这些材料中,可以通过在上述各种薄膜的生长过程中调整O2的流量、蒸发速率或者改变镀膜源材料中各组分的相对含量及其他掺杂金属的质量百分比来形成梯度变化的折射率,减缓与其相邻的上下两个异质层之间的折射率差异。
可选的,N型半导体层、有源层和P型半导体层可以采用氮化物材料,例如GaN、AlN、InN,或者上述三者之间组合而成的多元化合物。绝缘覆盖层的材料例如可以是二氧化硅。
若N型半导体层、有源层和P型半导体层的材料为GaN,其折射率为2.4,绝缘覆盖层的材料为是二氧化硅,其折射率为1.47,则电流扩展层,例如ITO膜,的折射率应当在2.4和1.47之间梯度变化。
本发明进一步提供了一种上述芯片的制作方法,包括以下步骤:在衬底上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层;在P型半导体层上制作用于实现欧姆接触的电流扩展层,在生长过程中逐渐改变反应条件从而形成一折射率梯度变化的电流扩展层;在薄膜层表面生长绝缘覆盖层。
以上生长电流扩展层的步骤中,对于大部分含氧的化合物,可以通过改变反应过程中O2气体的流量来改变折射率。蒸发速率对电流扩展层的微观结构、光电性质都有影响,故也可以通过改变镀膜时的蒸发速率来形成折射率梯度变化的电流扩展层。在反应过程中,蒸发速率的变化范围为0.01~0.5nm/s。
可选的,电流扩展层为ITO薄膜的情况下,SnO2与In2O3的质量比为1:9~0.5:9.5,可以是高密块状ITO源,也可以是陶瓷烧结的低密度ITO源。在生长ITO薄膜的过程中,蒸发源中可掺入低熔点的高价金属氧化物烧结剂如Nb2O5、Ta2O5、Sb2O5、Bi2O5和TiO2、ZrO2、ZnO等中的一种或多种。
可选的,电流扩展层为ZnO薄膜的情况下,在生长过程中的蒸发源可以掺入Al、In或Ga等III族金属元素中的一种或两种,从而形成折射率可调节的电流扩展层。
本发明与现有技术相比较,其优点在于:通过形成一层折射率梯度变化的电流扩展层,为光从高折射率的半导体材料中出射提供了一种折射率梯度变化的缓冲层,可以有效减少全反射的发生,获得更多的出光,从而提高了芯片的发光效率。本发明与已有的表面粗化技术和衬底图形化技术不同,主要是通过控制薄膜层折射率梯度变化来达到减少全反射的目的,而且可以与其他的光萃取技术产生叠加效应,进一步提高LED器件的出光效率。
附图说明
图1为本发明所述发光二极管芯片的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图1对本发明做进一步说明。
实施例1:
1、在蓝宝石衬底1上依次生长N型GaN层2、有源层3和P型GaN层4,并通过刻蚀的方法去掉部分P型GaN层4、有源层3,露出一部分N型GaN层2。
2、通过电子束蒸发的方法在P型GaN层4上蒸镀一电流扩展层5,本实施例中,电流扩展层5为ITO薄膜层。ITO蒸发源中SnO2与In2O3的质量百分比为10:90,真空度为1.8×10-5Torr,腔室温度维持在250℃。第一步,O2流量的设定为15sccm,蒸发速率0.1nm/s,厚度设定为57.4nm,折射率约为2的ITO薄膜层。第二步,O2流量设定为3sccm,蒸发速率设定为0.15nm/s,厚度设定为66.5nm,形成折射率约为1.7的ITO薄膜层。
3、利用PECVD沉积绝缘层6,本实施例中,绝缘层6为SiO2层,反应气体为SiH4、NH3和N2O,时间为20分钟,厚度为230nm。
4、采用电子束蒸发的方法镀上一层Cr/Au合金,厚度分别为50nm/1000nm,作为打线电极7。
实施例2:
1、在蓝宝石衬底1上依次生长N型GaN层2、有源层3和P型GaN层4,并通过刻蚀的方法去掉部分P型GaN层4、有源层3,露出一部分N型GaN层2。
2、通过电子束蒸发的方法在P型GaN层4上蒸镀一电流扩展层5,本实施例中,电流扩展层5为ITO薄膜层。ITO蒸发源中SnO2与In2O3的质量百分比为5:95,真空度为1.8×10-5Torr,腔室温度维持在250℃。第一步,O2流量的设定为15sccm,蒸发速率0.2nm/s,厚度设定为56nm,折射率约为2.05的ITO薄膜层。第二步,O2流量设定为3sccm,蒸发速率设定为0.25nm/s,厚度设定为65.7nm,形成折射率约为1.72的ITO薄膜层。
3、利用PECVD沉积绝缘层6,本实施例中,绝缘层6为SiO2层,反应气体为SiH4、NH3和N2O,时间为30分钟,厚度为380nm。
4、采用电子束蒸发的方法镀上一层Cr/Au合金,厚度分别为80nm/1200nm,作为打线电极7。
实施例3:
1、在蓝宝石衬底1上依次生长N型GaN层2、有源层3和P型GaN层4,并通过刻蚀的方法去掉部分P型GaN层4、有源层3,露出一部分N型GaN层2。
2、通过电子束蒸发的方法在P型GaN层4上蒸镀一电流扩展层5,本实施例中,电流扩展层5为ITO薄膜层。ITO蒸发源中SnO2与In2O3的质量百分比为10:90,真空度为1.8×10-5Torr,腔室温度维持在250℃。第一步,O2流量的设定为12sccm,蒸发速率0.1nm/s,厚度设定为58.9nm,折射率约为1.95的ITO薄膜层。第二步O2流量设定为4sccm,蒸发速率设定为0.25nm/s,厚度设定为65.3nm,形成折射率约为1.73的ITO薄膜层。
3、利用PECVD沉积绝缘层6,本实施例中,绝缘层6为SiO2层,反应气体为SiH4、NH3和N2O,时间为20分钟,厚度为230nm。
4、采用电子束蒸发的方法镀上一层Cr/Al/Cr/Au合金,厚度分别为20nm/600nm/500nm/1200nm,作为打线电极7。
实施例4:
1、在蓝宝石衬底1上依次生长N型GaN层2、有源层3和P型GaN层4,并通过刻蚀的方法去掉部分P型GaN层4、有源层3,露出一部分N型GaN层2。
2、通过电子束蒸发的方法在P型GaN层4上蒸镀一电流扩展层5,本实施例中,电流扩展层5为ITO薄膜层。ITO蒸发源中SnO2与In2O3的质量百分比为5:95,真空度为1.8×10-5Torr,腔室温度维持在250℃。第一步,O2流量的设定为12sccm,蒸发速率0.1nm/s,厚度设定为59.8nm,折射率约为1.92的ITO:Al(97:3wt.%)薄膜层。第二步O2流量设定为4sccm,蒸发速率设定为0.25nm/s,厚度设定为64.2nm,形成折射率约为1.76的ITO:Ga(98:2wt.%)薄膜层。
3、利用PECVD沉积绝缘层6,本实施例中,绝缘层6为SiO2层,反应气体为SiH4、NH3和N2O,时间为20分钟,厚度为230nm。
4、采用电子束蒸发的方法镀上一层Cr/Al/Cr/Au合金,厚度分别为20nm/600nm/500nm/1200nm,作为打线电极7。
实施例5:
1、在蓝宝石衬底1上依次生长N型GaN层2、有源层3和P型GaN层4,并通过刻蚀的方法去掉部分P型GaN层4、有源层3,露出一部分N型GaN层2。
2、通过磁控溅射蒸发的方法在P型GaN层4表面沉积电流扩展层5,本实施例中,电流扩展层5为GZO层。分别通过调节4个ZnO靶材中Ga原子的质量百分比来改变各层薄膜的物理特性,形成四层具有渐变折射率的电流扩展层5。真空度为1.8×10-5Torr,腔室温度维持在300℃,蒸发速率为0.1nm/s,O2流量为10sccm,Ar流量为20sccm,四层折射率分别为2.17、1.97、1.78、和1.62,度分别为53nm、58nm、64.5nm、和71nm。
3、利用PECVD沉积绝缘层6,本实施例中,绝缘层6为SiO2层,反应气体为SiH4、NH3和N2O,时间为30分钟,厚度为380nm。
4、采用电子束蒸发的方法镀上一层Cr/Al/Ti/Au合金,厚度分别为20nm/200nm/50nm/1200nm,作为打线电极7。
(增加实施例)
实施例6:
1、在蓝宝石衬底1上依次生长N型GaN层2、有源层3和P型GaN层4,并通过刻蚀的方法去掉部分P型GaN层4、有源层3,露出一部分N型GaN层2。
2、通过磁控溅射蒸发的方法在P型GaN层4表面沉积电流扩展层5,本实施例中,电流扩展层5为AZO层。分别通过调节4个ZnO靶材中Al原子的质量百分比来改变各层薄膜的物理特性,形成四层具有渐变折射率的电流扩展层5。真空度为1.8×10-5Torr,腔室温度维持在300℃,蒸发速率为0.15nm/s,O2流量为10sccm,Ar流量为20sccm,四层折射率分别为2.13、1.95、1.75、和1.6,度分别为54nm、58.6nm、65.6nm、和71.9nm。
3、利用PECVD沉积绝缘层6,本实施例中,绝缘层6为SiO2层,反应气体为SiH4、NH3和N2O,时间为30分钟,厚度为380nm。
4、采用电子束蒸发的方法镀上一层Cr/Al/Pt/Au合金,厚度分别为20nm/200nm/40nm/1000nm,作为打线电极7。
实施例7:
1、在蓝宝石衬底1上依次生长N型GaN层2、有源层3和P型GaN层4,并通过刻蚀的方法去掉部分P型GaN层4、有源层3,露出一部分N型GaN层2。
2、通过磁控溅射蒸发的方法在P型GaN层4表面沉积电流扩展层5,本实施例中,电流扩展层5为IZO层。分别通过调节4个ZnO靶材中In原子的质量百分比来改变各层薄膜的物理特性,形成四层具有渐变折射率的电流扩展层5。真空度为1.8×10-5Torr,腔室温度维持在300℃,蒸发速率为0.2nm/s,O2流量为10sccm,Ar流量为20sccm,四层折射率分别为2.19、2.00、1.80、和1.64,度分别为52.5nm、57.1nm、63.8nm、和70.1nm。
3、利用PECVD沉积绝缘层6,本实施例中,绝缘层6为SiO2层,反应气体为SiH4、NH3和N2O,时间为40分钟,厚度为530nm。
4、采用电子束蒸发的方法镀上一层Ti/Al/Ti/Au合金,厚度分别为20nm/500nm/50nm/1200nm,作为打线电极7。
实施例8:
1、在蓝宝石衬底1上依次生长N型GaN层2、有源层3和P型GaN层4,并通过刻蚀的方法去掉部分P型GaN层4、有源层3,露出一部分N型GaN层2。
2、通过磁控溅射蒸发的方法在P型GaN层4表面沉积电流扩展层5,本实施例中,电流扩展层5为XZO层,其中的X元素分别为Ga、Al和In。通过改变3个靶材中的掺杂元素种类来改变各层的物理特性,分别形成AZO、GZO和IZO三层具有渐变折射率的电流扩展层5。真空度为1.8×10-5Torr,腔室温度维持在300℃,蒸发速率为0.1nm/s,O2流量为10sccm,Ar流量为20sccm,三层折射率分别为1.95、1.97和2.19,厚度分别为65.5nm、76.0nm和83nm、。
3、利用PECVD沉积绝缘层6,本实施例中,绝缘层6为SiO2层,反应气体为SiH4、NH3和N2O,时间为20分钟,厚度为230nm。
4、采用电子束蒸发的方法镀上一层Cr/Au合金,厚度分别为100nm/1200nm,作为打线电极7。

Claims (10)

1.一种高出光效率的发光二极管芯片,包括在衬底上依次设置的N型半导体层、有源层、P型半导体层、电流扩展层以及绝缘覆盖层,其特征在于,所述电流扩散层的折射率值处于在P型半导体层与绝缘覆盖层两者的折射率值之间,并且沿着垂直于电流扩散层表面的方向上梯度分布,使电流扩散层与绝缘覆盖层的界面,以及电流扩散层与P型半导体层的界面处的折射率差降低,从而减轻界面处的全反射。
2.根据权利要求1所述的高出光效率的发光二极管芯片,其特征在于,N型半导体层、有源层和P型半导体层选自于GaN、AlN、和InN中的一种或者三者之间组合而成的多元化合物。
3.根据权利要求1所述的高出光效率的发光二极管芯片,其特征在于,绝缘覆盖层的材料是二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的高出光效率的发光二极管芯片,其特征在于,N型半导体层、有源层和P型半导体层的材料为GaN,其折射率为2.4,绝缘覆盖层的材料为是二氧化硅,其折射率为1.47,电流扩展层的折射率在2.4和1.47之间梯度分布。
5.根据权利要求1所述的高出光效率的发光二极管芯片,其特征在于,电流扩展层的材料选自于ITO、GZO、AZO和IZO中的任意一种。
6.一种高出光效率的发光二极管芯片的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
在衬底上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层;
在P型半导体层上制作用于实现欧姆接触的电流扩展层,在生长过程中逐渐改变蒸发镀膜的工艺条件从而形成一折射率梯度变化的电流扩展层;
在薄膜层表面生长绝缘覆盖层。
7.根据权利要求6所述的高出光效率的发光二极管芯片的制作方法,其特征在于,电流扩展层的材料含氧的化合物,在生长电流扩展层的步骤中通过改变反应过程中O2气体的流量来改变折射率。
8.根据权利要求6所述的高出光效率的发光二极管芯片,其特征在于,在生长电流扩展层的步骤中采用蒸发镀膜工艺,并通过改变镀膜时的蒸发速率来形成折射率梯度变化的电流扩展层。
9.根据权利要求6所述的高出光效率的发光二极管芯片,其特征在于,电流扩展层为ITO薄膜,在生长电流扩展层的步骤中通过调节蒸发源中SnO2与In2O3的比例来改变折射率,或者通过掺入金属Ga和Al中的一种或两种来改变折射率。
10.根据权利要求6所述的高出光效率的发光二极管芯片,其特征在于,电流扩展层为GZO薄膜,在生长电流扩展层的步骤中采用蒸发镀膜工艺,并调节Ga在ZnO靶材中的质量百分比来改变折射率,或者在蒸发源中引入其他III族金属掺杂物如Al、In等中的一种或两种来改变折射率。
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