CN103400911A - 一种led外延片、led芯片、led以及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED外延片、LED芯片、LED以及制作方法，其中LED外延片包括反射层、衬底和外延层，所述的衬底介于反射层与外延层之间，所述的衬底与外延层之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构，所述的镂空结构内的介质为空气；本发明有效提高了LED的出光效率，同时还有效减少了LED外延片的发热量，避免对LED外延片、LED芯片以及LED的制作工艺和外观产生不利影响。

Description

一种LED外延片、LED芯片、LED以及制作方法

技术领域

本发明涉及LED制造领域，具体涉及了一种LED外延片、LED芯片、LED以及制作方法。

背景技术

随着氮化物（市场上一般为GaN）基第三代半导体材料的兴起，蓝色以及白色发光二极管（LED）的研制成功，发光强度发光效率的不断提高，LED已经被公认为最有可能进入通用照明领域的新型固态冷光源，因而在近年来成为全球关注的焦点。LED的发光效率一般称为外部量子效率，它主要取决于LED的内量子效率与出光效率的乘积。为了提高LED的内量子效率和出光效率，目前已有多项技术被应用在LED研究当中，如侧向外延生长技术、表面粗化、纳米压印技术以及金属镜面反射层技术等。而近年来提出的图形化衬底技术能有效地提高GaN基LED（市场上一般为蓝宝石衬底）的出光效率，成为了目前蓝宝石衬底GaN基LED领域的研究热点。作为图形化衬底技术的关键，衬底图案演变至今，对LED的出光效率和外延质量改善显著，已成为提高LED性能的重要途径。衬底图案对LED光学性能的提高体现为两方面：一方面，图案通过散射/反射改变光的轨迹，使光在界面初射的入射角变小（小于全反射临界角），从而透射而出，提高光的提光效率；另一方面，图案还可以使得后续的GaN生长出现侧向磊晶的效果，减少晶体缺陷，提高内量子效率。

请参见图1所示的现有技术的LED外延片的截面结构示意图，LED芯片的制作工艺主要为：采用在图形衬底120上制作外延层130得到LED外延片100，然后在LED外延片100上制作透明导电层和连接电极得到LED芯片，最后将LED芯片经过封装工序最终得到LED；同时由于外延层130与图形衬底120之间的界面1a的背光反射率有限，以图形衬底120的材料为蓝宝石，外延层130的材料为GaN为例，背光反射率只有2.2%，因此为了提高LED外延片100的背光反射率，现有一般在图形衬底120背面蒸镀DBR（布拉格反射镜）反射层110，请参见图2中箭头方向所示的光传输路径图，外延层130的背光经图形衬底120折射到达图形衬底120与DBR反射层110之间的界面1b，经界面1b反射后成为正光，正光再经图形衬底120折射到外延层130，以达到提高出光效率的效果。然而如上所述，通过DBR反射层110大幅度提高了出光效率的同时，由于光需要反复通过图形衬底120传输，导致光在传输过程中被图形衬底120较大量地吸收，产生较多的吸收损耗，不仅影响了LED的出光效率，同时也增加了LED外延片的发热量，进而影响LED外延片、LED芯片以及LED的制作工艺和外观。

因此，有必要寻求技术方案对上述技术问题进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种LED外延片、LED芯片、LED以及制作方法，有效提高了LED的出光效率，同时还有效减少了LED外延片的发热量，避免对LED外延片、LED芯片以及LED的制作工艺和外观产生不利影响。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种LED外延片，包括反射层、衬底和外延层，所述的衬底介于反射层与外延层之间，其中，所述的衬底与外延层之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构，所述的镂空结构内的介质为空气。

优选地，所述的衬底材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝和尖晶石中的任意一种；所述的外延层材料选自AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的任意一种或几种的结合。

优选地，所述的镂空结构的截面呈三角形或梯形或矩形或菱形或圆形或六角形形状。

优选地，所述的镂空结构高度为1.5-1.8μm，镂空结构截面的最大宽度为3-3.2μm，镂空结构之间的间距为0.8-1μm。

优选地，所述的反射层为DBR反射层。

一种LED芯片，包括LED外延片，以及依次成形在LED外延片上的透明导电层和连接电极，其中，所述的LED外延片采用如上所述的LED外延片。

一种LED，包括LED芯片和用于封装LED芯片的封装结构，其中，所述的LED芯片采用如上所述的LED芯片。

一种如上所述的LED外延片的制作方法，其操作步骤包括：

a）、在衬底上制作SiO₂层；

b）、对上述步骤a）得到的SiO₂层进行光刻工艺处理，在衬底上得到呈周期条形分布的SiO₂图形；

c）、在分布有SiO₂图形的衬底面上制作外延层，得到初始LED外延片；

d）、腐蚀上述步骤c）得到的初始LED外延片中的SiO₂图形，得到所述的呈周期条形分布的镂空结构；

e）、在上述的步骤a）进行前或进行后、或在步骤c）进行前或进行后，或在步骤d）进行后，在没有分布SiO₂图形的衬底面上制作反射层；

f）、完成LED外延片的制作。

优选地，所述的步骤b）包括：

b10）、在所述的SiO₂层上涂覆光刻胶层，并对该光刻胶层进行曝光、显影，得到具有图形化光刻胶层的SiO₂层；

b20）、对上述步骤b10）得到的具有图形化光刻胶层的SiO₂层进行干法或湿法刻蚀，将光刻胶层的图形转移到SiO₂层上，衬底上得到呈周期条形分布的SiO₂图形。

优选地，所述的步骤d）包括：

d10）、切割上述步骤c）得到的初始LED外延片，使得周期条形分布的SiO₂图形截面位于外延层侧面上；

d20）、以位于外延层侧面上的SiO₂图形截面为腐蚀起点，对初始LED外延片中的SiO₂图形进行腐蚀；

d30）、直至初始LED外延片中的SiO₂图形被完全腐蚀，得到所述的呈周期条形分布的镂空结构。

本发明通过在衬底与外延层之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构，镂空结构分别与外延层和衬底形成新的界面，具体地，外延层的背光到达其与镂空结构之间的界面后，发生第一次背光反射，形成第一次正光；外延层的背光经镂空结构折射到达镂空结构与衬底之间的界面后，发生第二次背光反射，形成第二次正光；外延层的背光经镂空结构、衬底折射到达衬底与反射层之间的界面后，再次发生第三次背光反射，形成第三次正光，相对于现有技术的两次背光反射，本发明有效增加了背光反射次数，同时本发明进一步地，镂空结构内的介质为空气，空气的折射率为1，一般均小于衬底材料以及外延层材料的折射率，空气与衬底、外延层之间的折射率差大，因此同时又大大提高了第一次背光反射和第二次背光反射的反射率，即有效提高了LED的出光（即为正光）效率，同时如上所述，由于大量背光在进入衬底介质传输之前通过镂空结构发生背光反射形成正光，因而进一步有效减少了光在衬底介质中传输时发生的吸收损耗，进而有效减少了LED外延片的发热量，避免对LED外延片、LED芯片以及LED的制作工艺和外观产生不利影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的LED外延片的截面结构示意图；

图2是光在图1所示的LED外延片局部放大结构中的传输路径示意图；

图3是本发明具体实施方式下LED外延片的截面结构示意图；

图4是光在图3所示的LED外延片局部放大结构中的传输路径示意图；

图5是本发明具体实施方式下LED外延片制作过程中完成步骤b）时的立体结构示意图；

图6是本发明具体实施方式下LED外延片制作过程中完成步骤b）时的截面结构示意图；

图7是本发明具体实施方式下LED外延片制作过程中完成步骤c）时的截面结构示意图；

图8是本发明具体实施方式下LED外延片制作过程中完成步骤d）时的截面结构示意图；

图9是本发明具体实施方式下LED外延片制作步骤顺序框图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种LED外延片，包括反射层、衬底和外延层，衬底介于反射层与外延层之间，其中，衬底与外延层之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构，镂空结构内的介质为空气。

优选地，衬底材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝和尖晶石中的任意一种，或采用其他相等同的材料；外延层材料选自AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的任意一种或几种的结合，或采用其他相等同的材料；更优选地，衬底材料为蓝宝石，外延层材料为GaN。

优选地，镂空结构的截面呈三角形或梯形或矩形或菱形或圆形或六角形形状，或为其他形状，更优选地，镂空结构的截面呈三角形或梯形形状，最优选地，镂空结构的截面呈三角形形状。

优选地，所述的镂空结构高度为1.5-1.8μm，镂空结构截面的最大宽度为3-3.2μm，镂空结构之间的间距为0.8-1μm，当然作为次优选方案，也可以采用其他尺寸参数的镂空结构。

优选地，反射层为DBR反射层，有效提高背光反射率。

本发明实施例还公开了一种LED芯片，包括LED外延片，以及依次成形在LED外延片上的透明导电层和连接电极，其中，LED外延片采用如上所述的LED外延片，具体地，透明导电层和连接电极可以采用现有技术中的任意一项公知技术。

本发明实施例还公开了一种LED，包括LED芯片和用于封装LED芯片的封装结构，其中，LED芯片采用如上所述的LED芯片，具体地，封装结构可以采用现有技术中的任意一项公知封装结构。

本发明实施例还公开了一种如上所述的LED外延片的制作方法，其操作步骤包括：

a）、在衬底上制作SiO₂层；

b）、对上述步骤a）得到的SiO₂层进行光刻工艺处理，在衬底上得到呈周期条形分布的SiO₂图形；

c）、在分布有SiO₂图形的衬底面上制作外延层，得到初始LED外延片；

d）、腐蚀上述步骤c）得到的初始LED外延片中的SiO₂图形，得到呈周期条形分布的镂空结构；

e）、在上述的步骤a）进行前或进行后、或在步骤c）进行前或进行后，或在步骤d）进行后，在没有分布SiO₂图形的衬底面上制作反射层；

f）、完成LED外延片的制作。

优选地，步骤b）包括：

b10）、在所述的SiO₂层上涂覆光刻胶层，并对该光刻胶层进行曝光、显影，得到具有图形化光刻胶层的SiO₂层；

b20）、对上述步骤b10）得到的具有图形化光刻胶层的SiO₂层进行干法或湿法刻蚀，将光刻胶层的图形转移到SiO₂层上，衬底上得到呈周期条形分布的SiO₂图形。

优选地，步骤d）包括：

d10）、切割上述步骤c）得到的初始LED外延片，使得周期条形分布的SiO₂图形截面位于外延层侧面上；

d20）、以位于外延层侧面上的SiO₂图形截面为腐蚀起点，对初始LED外延片中的SiO₂图形进行腐蚀；

d30）、直至初始LED外延片中的SiO₂图形被完全腐蚀，得到呈周期条形分布的镂空结构。

毫无疑义地，本发明实施例也可以采用其他相等同的材料来替换本发明全文所述的SiO₂，通过制作得到SiO₂图形，这些均落入本发明的权利保护范围。

同时对于本发明实施例对具体详细展开说明的部分，包括光刻工艺，SiO₂图形腐蚀过程以及外延层的制作工艺等，申请人相信这些均为本领域技术人员的常规技术选择，当然可以采用现有技术中的任意一种工艺，在本文中不再具体展开赘述。

本发明实施例通过在衬底与外延层之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构，镂空结构分别与外延层和衬底形成新的界面，具体地，外延层的背光到达其与镂空结构之间的界面后，发生第一次背光反射，形成第一次正光；外延层的背光经镂空结构折射到达镂空结构与衬底之间的界面后，发生第二次背光反射，形成第二次正光；外延层的背光经镂空结构、衬底折射到达衬底与反射层之间的界面后，再次发生第三次背光反射，形成第三次正光，相对于现有技术的两次背光反射，本发明实施例有效增加了背光反射次数，同时本发明实施例进一步地，镂空结构内的介质为空气，空气的折射率为1，一般均小于衬底材料以及外延层材料的折射率，空气与衬底、外延层之间的折射率差大，因此同时又大大提高了第一次背光反射和第二次背光反射的背光反射率，即有效提高了LED的出光（即为正光）效率，同时如上所述，由于大量背光在进入衬底介质传输之前通过镂空结构发生背光反射形成正光，因而进一步有效减少了光在衬底介质中传输时发生的吸收损耗，进而有效减少了LED外延片的发热量，避免对LED外延片、LED芯片以及LED的制作工艺和外观产生不利影响。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参见图3所示的LED外延片的截面结构示意图，一种LED外延片200，包括反射层210、衬底220和外延层230，衬底220介于反射层210与外延层230之间，其中，衬底220与外延层230之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构240，镂空结构240内的介质为空气，反射层210为DBR反射层；在本实施方式中，衬底220的材料为蓝宝石，外延层230的材料为GaN，镂空结构240的截面呈三角形形状，镂空结构240高度为1.5-1.8μm，镂空结构截面的最大宽度为3-3.2μm，镂空结构之间的间距为0.8-1μm。

需要特别说明的是，本发明中的附图仅为结构示意用途，不作为尺寸参数的示意用途，具体镂空结构的尺寸选择以本发明说明书中的内容为依据。

请参见图3中箭头方向所示的光传输路径图，外延层230的背光到达其与镂空结构240之间的界面2a后，发生第一次背光反射，背光反射率为15.5%，形成第一次正光；外延层230的背光经镂空结构240折射到达镂空结构240与衬底220之间的界面2b后，发生第二次背光反射，背光反射率为6.7%，形成第二次正光；外延层230的背光经镂空结构240、衬底220折射到达衬底220与反射层210之间的界面2c后，再次发生第三次背光反射，形成第三次正光，由此可见，本实施例的背光在进入蓝宝石衬底传输之前通过镂空结构发生背光反射的背光反射率总和为22.2%，远大于现有技术中2.2%的背光反射率，因此本发明实施例不仅大大有效提高了LED的出光（即为正光）效率，更是进一步有效减少了光在蓝宝石衬底介质中传输时发生的吸收损耗，进而有效减少了本实施例中LED外延片的发热量，避免对LED外延片、LED芯片以及LED的制作工艺和外观产生不利影响。

本发明实施例还公开了一种LED芯片，包括LED外延片，以及依次成形在LED外延片200上的透明导电层和连接电极，其中，LED外延片采用如上所述的LED外延片200。

本发明实施例还公开了一种LED，包括LED芯片和用于封装LED芯片的封装结构，其中，LED芯片采用如上所述的LED芯片。

请参见图5、图6、图7、图8和图9分别所示的LED外延片制作过程中完成步骤b）时的立体结构示意图、截面结构示意图、完成步骤c）时的截面结构示意图、完成步骤d）时的截面结构示意图和制作步骤顺序框图，本发明实施例还公开了一种如上所述的LED外延片的制作方法，其操作步骤包括：

a）、在衬底220上制作SiO₂层，具体地，在本实施方式中，采用PECVD沉积法在衬底220上生长沉积SiO₂层，当然地，也可以采用其他沉积法；

b）、对上述步骤a）得到的SiO₂层进行光刻工艺处理，在衬底220上得到呈周期条形分布的SiO₂图形221，其中，步骤b）具体包括：

b10）、在所述的SiO₂层上涂覆光刻胶层，并对该光刻胶层进行曝光、显影，得到具有图形化光刻胶层的SiO₂层；

b20）、对上述步骤b10）得到的具有图形化光刻胶层的SiO₂层进行干法或湿法刻蚀，将光刻胶层的图形转移到SiO₂层上，衬底220上得到呈周期条形分布的SiO₂图形221。

c）、在分布有SiO₂图形221的衬底面上制作外延层230，得到初始LED外延片，具体地，在本实施方式中，采用MOCVD沉积法在衬底220上生长沉积外延层230，当然地，也可以采用其他沉积法；

d）、腐蚀上述步骤c）得到的初始LED外延片中的SiO₂图形221，得到呈周期条形分布的镂空结构240，其中，步骤d）具体包括：

d10）、切割上述步骤c）得到的初始LED外延片，使得周期条形分布的SiO₂图形221截面位于外延层230侧面上；

d20）、以位于外延层230侧面上的SiO₂图形221截面为腐蚀起点，采用腐蚀液对初始LED外延片200中的SiO₂图形221进行腐蚀，具体地，在本实施例方式中，腐蚀液采用HF和NH₄F的混合溶液，当然地，腐蚀液也可以采用其他可腐蚀SiO₂但不会对外延层230和衬底220产生腐蚀作用的化学溶液，如HF稀溶液等；

d30）、直至初始LED外延片200中的SiO₂图形221被完全腐蚀，得到呈周期条形分布的镂空结构240。

e）、在上述的步骤d）进行后，在没有分布SiO₂图形的衬底面上制作DBR反射层210，具体地，可以采用蒸镀或其他沉积工艺；

f）、完成LED外延片200的制作。

本发明实施例中的外延层230可采用现有的任意一种成形工艺制作得到，具体结构组成可包括N型导电层、发光层和P型导电层。

实施例2：

同样请参见图2所示的LED外延片的截面结构示意图，一种LED外延片200，包括反射层210、衬底220和外延层230，衬底220介于反射层210与外延层230之间，其中，衬底220与外延层230之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构240，镂空结构240内的介质为空气，反射层210为DBR反射层；在本实施方式中，衬底220的材料为碳化硅，外延层230的材料为GaN，镂空结构240的截面呈三角形形状，具体制作方法同实施例1。

实施例3：

同样请参见图2所示的LED外延片的截面结构示意图，一种LED外延片200，包括反射层210、衬底220和外延层230，衬底220介于反射层210与外延层230之间，其中，衬底220与外延层230之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构240，镂空结构240内的介质为空气，反射层210为DBR反射层；在本实施方式中，衬底220的材料为硅，外延层230的材料为AlGaN，镂空结构240的截面呈三角形形状，具体制作方法同实施例1。

实施例4：

同样请参见图2所示的LED外延片的截面结构示意图，一种LED外延片200，包括反射层210、衬底220和外延层230，衬底220介于反射层210与外延层230之间，其中，衬底220与外延层230之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构240，镂空结构240内的介质为空气，反射层210为DBR反射层；在本实施方式中，衬底220的材料为氮化镓，外延层230的材料为AlN，镂空结构240的截面呈三角形形状，具体制作方法同实施例1。

实施例5：

同样请参见图2所示的LED外延片的截面结构示意图，一种LED外延片200，包括反射层210、衬底220和外延层230，衬底220介于反射层210与外延层230之间，其中，衬底220与外延层230之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构240，镂空结构240内的介质为空气，反射层210为DBR反射层；在本实施方式中，衬底220的材料为氮化铝，外延层230的材料为InGaN，镂空结构240的截面呈三角形形状，具体制作方法同实施例1。

实施例6：

同样请参见图2所示的LED外延片的截面结构示意图，一种LED外延片200，包括反射层210、衬底220和外延层230，衬底220介于反射层210与外延层230之间，其中，衬底220与外延层230之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构240，镂空结构240内的介质为空气，反射层210为DBR反射层；在本实施方式中，衬底220的材料为尖晶石，外延层230的材料为AlInGaN，镂空结构240的截面呈三角形形状，具体制作方法同实施例1。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种LED外延片，包括反射层、衬底和外延层，所述的衬底介于反射层与外延层之间，其特征在于，所述的衬底与外延层之间的界面设有呈周期条形分布的镂空结构，所述的镂空结构内的介质为空气。

2.如权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述的衬底材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝和尖晶石中的任意一种；所述的外延层材料选自AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的任意一种或几种的结合。

3.如权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述的镂空结构的截面呈三角形或梯形或矩形或菱形或圆形或六角形形状。

4.如权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述的镂空结构高度为1.5-1.8μm，镂空结构截面的最大宽度为3-3.2μm，镂空结构之间的间距为0.8-1μm。

5.如权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述的反射层为DBR反射层。

6.一种LED芯片，包括LED外延片，以及依次成形在LED外延片上的透明导电层和连接电极，其特征在于，所述的LED外延片采用如权利要求1-4中任意一项所述的LED外延片。

7.一种LED，包括LED芯片和用于封装LED芯片的封装结构，其特征在于，所述的LED芯片采用如权利要求6所述的LED芯片。

8.一种如权利要求1-5之一所述的LED外延片的制作方法，其特征在于，其操作步骤包括：

a）、在衬底上制作SiO₂层；

b）、对上述步骤a）得到的SiO₂层进行光刻工艺处理，在衬底上得到呈周期条形分布的SiO₂图形；

c）、在分布有SiO₂图形的衬底面上制作外延层，得到初始LED外延片；

d）、腐蚀上述步骤c）得到的初始LED外延片中的SiO₂图形，得到所述的呈周期条形分布的镂空结构；

e）、在上述的步骤a）进行前或进行后、或在步骤c）进行前或进行后，或在步骤d）进行后，在没有分布SiO₂图形的衬底面上制作反射层；

f）、完成LED外延片的制作。

9.如权利要求8所述的LED外延片的制作方法，其特征在于，所述的步骤b）包括：

b10）、在所述的SiO₂层上涂覆光刻胶层，并对该光刻胶层进行曝光、显影，得到具有图形化光刻胶层的SiO₂层；

b20）、对上述步骤b10）得到的具有图形化光刻胶层的SiO₂层进行干法或湿法刻蚀，将光刻胶层的图形转移到SiO₂层上，衬底上得到呈周期条形分布的SiO₂图形。

10.如权利要求8所述的LED外延片的制作方法，其特征在于，所述的步骤d）包括：

d10）、切割上述步骤c）得到的初始LED外延片，使得周期条形分布的SiO₂图形截面位于外延层侧面上；

d20）、以位于外延层侧面上的SiO₂图形截面为腐蚀起点，对初始LED外延片中的SiO₂图形进行腐蚀；

d30）、直至初始LED外延片中的SiO₂图形被完全腐蚀，得到所述的呈周期条形分布的镂空结构。

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