CN103413874A - Led芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED芯片及其制备方法，LED芯片包括衬底以及依次位于衬底上的N型半导体层、多量子阱发光层、P型半导体层，N型半导体层为台阶状设置，N型半导体层包括第一台面及第二台面，第一台面的高度低于第二台面的高度，多量子阱发光层、P型半导体层位于第二台面上，N型半导体层的第一台面上设有与N型半导体层电性连接的N电极，P型半导体层上设有与P型半导体层电性连接的P电极，N电极和第二台面之间的第一台面上设有导光柱，导光柱顶部的水平高度不低于多量子阱发光层顶部的水平高度。本发明中导光柱可以将射向N电极的光线向正面反射，避免了N电极吸收光线，提升了LED芯片的外量子效率。

Description

LED芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是涉及一种LED芯片及其制备方法。

背景技术

LED作为一种节能、环保、低碳的新型发光材料，与传统照明相比较具有不可比拟的优势。但是目前LED要在照明领域完全替代其他光源，还需要解决如：光效不理想，成本过高，降低芯片发热量，提高LED使用寿命等诸多问题，而这些问题全部都受到LED量子效率的制约。早期LED发展集中在提高其内部量子效率上，主要采用如下方法：通过提高垒晶的质量及改变垒晶的结构，使电能不易转换成热能，进而间接提高LED的发光效率，从而可获得70％左右的理论内部量子效率，但是这样的内部量子效率几乎已经接近理论上的极限。

而芯片的光取出效率指的是组件内部产生的光子，在经过组件本身的吸收、折射、反射后，实际在组件外部可测量到的光子数目。从而可知，影响取出效率的因素还包括LED芯片材料本身的吸收、芯片的几何结构、芯片所使用的材料的折射率差及组件结构的光散射特性等。为了最大限度的提高LED芯片的光取出效率，在以往的LED技术改进中，针对以上所述几点因素做了不同的改进。如芯片几何结构的优化设计有表面粗化、ITO(IndiumTinOxide(In₂O₃+SnO₂))粗化、倒装芯片、垂直结构、光子晶体等等。

参图1所示，普通的GaN(氮化镓)基LED均采用蓝宝石作为衬底材料，在其上分别生长N型掺杂半导体层、多量子阱发光层、P型掺杂半导体层等等层叠结构，形成LED晶圆。LED晶圆经过芯片工艺制作透明导电层、蚀刻出N型半导体台面、金属电极形成LED芯片。后续经过晶圆减薄、切割即可完成从外延到芯片的整个制作流程。

参图2所示，通常在LED芯片中，N型半导体台面距表面P型半导体的高度与金属电极的高度相当，也就是N型金属电极要高于发光层。靠近N电极区的发光层发出的光线将有很大一部分射向N电极。而大部分的金属电极材质为金，其对可见光的反射率低于40%，大部分光线将会被其吸收，降低了芯片的外量子效率，不利于侧面出光。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种LED芯片及其制备方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高了LED芯片光取出效率的LED芯片及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种LED芯片，所述LED芯片包括衬底以及依次位于衬底上的N型半导体层、多量子阱发光层、P型半导体层，所述N型半导体层为台阶状设置，N型半导体层包括第一台面及第二台面，第一台面的高度低于第二台面的高度，所述多量子阱发光层、P型半导体层位于第二台面上，所述N型半导体层的第一台面上设有与N型半导体层电性连接的N电极，P型半导体层上设有与P型半导体层电性连接的P电极，所述N电极和第二台面之间的第一台面上设有导光柱，所述导光柱顶部的水平高度不低于多量子阱发光层顶部的水平高度。

作为本发明的进一步改进，所述第二台面在与N电极对应位置的其余外侧也设有导光柱，导光柱环绕于第二台面外侧。

作为本发明的进一步改进，所述导光柱为连续导光柱或间隔导光柱结构。

作为本发明的进一步改进，所述间隔导光柱包括若干间隔设置的圆柱形、圆台形、三角锥型中一种或多种的组合；所述连续导光柱的截面为矩形、等腰梯形、或三角形。

作为本发明的进一步改进，所述导光柱底部宽度为3～10μm。

作为本发明的进一步改进，所述N型半导体层、P型半导体层、导光柱的材料为GaN、GaAs、InP、或InGaAsP。

作为本发明的进一步改进，所述衬底和N型半导体层之间包括非有意掺杂半导体层，非有意掺杂半导体层的材料为GaN、GaAs、InP、或InGaAsP。

作为本发明的进一步改进，所述N型半导体层上第一台面和第二台面通过侧面相连，所述侧面与垂直方向的夹角为10°～80°。

作为本发明的进一步改进，所述P型半导体层上还包括透明导电层，所述P电极与所述透明导电层电性连接。

相应地，一种LED芯片的制备方法，所述方法包括以下步骤：

S1、提供一衬底，在衬底上依次生长N型半导体层、多量子阱发光层、P型半导体层，构成LED晶圆；

S2、在LED晶圆上涂覆光刻胶并进行光刻，光刻后在P型半导体层、导光柱区域留下光刻胶；

S3、以LED晶圆上的光刻胶作为掩膜进行ICP蚀刻，蚀刻至N型半导体层产生第一台面；

S4、去除残余的光刻胶，LED晶圆上产生N型半导体层第一台面及导光柱；

S5、在N型半导体层第一台面和P型半导体层上分别形成N电极和P电极。

与现有技术相比，本发明LED芯片及其制备方法通过在发光层和N电极之间设置导光柱，当发光层发光时，导光柱可以将射向N电极的光线向正面反射，避免了N电极吸收光线，提升了LED芯片的外量子效率，进而提高了LED芯片的亮度，而不影响芯片的外观和电性。

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1a、1b分别为现有技术中LED芯片的纵剖结构示意图、和俯视结构示意图；

图2为现有技术中LED芯片的发光原理示意图；

图3为本发明一具体实施方式中LED芯片的纵剖结构示意图；

图4a为本发明中第一实施方式中LED芯片的俯视结构示意图；

图4b为本发明中第二实施方式中LED芯片的俯视结构示意图；

图4c为本发明中第三实施方式中LED芯片的俯视结构示意图；

图4d为本发明中第四实施方式中LED芯片的俯视结构示意图。

具体实施方式

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。

本发明公开了一种LED芯片，包括衬底以及依次位于衬底上的N型半导体层、多量子阱发光层、P型半导体层，N型半导体层为台阶状设置，N型半导体层包括第一台面及第二台面，第一台面的高度低于第二台面的高度，多量子阱发光层、P型半导体层位于第二台面上，N型半导体层的第一台面上设有与N型半导体层电性连接的N电极，P型半导体层上设有与P型半导体层电性连接的P电极。

其中，N电极和第二台面之间的第一台面上设有导光柱，导光柱不低于多量子阱发光层，导光柱为连续导光柱或间隔导光柱结构。

参图3所示，本发明一具体实施方式中的LED芯片包括：

衬底10，如蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底等；

非有意掺杂半导体层20，材料为GaN、GaAs、InP、或InGaAsP等；

N型半导体层30，如N型掺杂GaN、GaAs、InP、InGaAsP等；

多量子阱发光层40，如GaN、InGaN等；

P型半导体层50，如P型掺杂GaN、GaAs、InP、InGaAsP等；

透明导电层60，如ITO层等；

P电极70和N电极80，P电极70位于透明导电层60上，N电极80位于N型半导体层30上。

其中，N型半导体层30呈台阶状设置，包括第一台面及第二台面，第一台面的高度低于第二台面的高度。N电极80设置于N型半导体层30的第一台面上，多量子阱发光层40、P型半导体层50、透明导电层60依次生长在N型半导体层30的第二台面上。

第一台面上设有导光柱90，导光柱可以与N电极不接触，也可以接触。全部或部分导光柱90位于N电极80和第二台面之间。如仅在N电极80和第二台面之间设置导光柱90，或在N电极80外侧环绕设置一圈导光柱90，但在两种情况下，导光柱90均不低于多量子阱发光层40，即导光柱90顶部的水平高度不低于多量子阱发光层40顶部的水平高度，导光柱90可以将射向N电极80的光线向正面反射，提升LED芯片的外量子效率。

进一步地，本发明中N型半导体层30上的第一台面和第二台面通过侧面相连，侧面具有一定的倾角，倾角的范围为10°～80°。优选地，倾斜角度设为45°。

参图4a为本发明中第一实施方式中LED芯片的俯视结构示意图。

在本实施方式中，结合图3所示，导光柱90为间隔导光柱，间隔导光柱包括若干间隔设置的圆柱形、圆台形、三角锥型中一种或多种的组合，且导光柱底部宽度为3～10μm。本实施方式中，导光柱90仅分布在N电极80和N型半导体层30的第二台面之间。

当多量子阱发光层发光时，射向N电极80的部分光线被导光柱90阻挡，导光柱90可以将阻挡的光线向正面反射，提升LED芯片的外量子效率。

参图4b为本发明中第二实施方式中LED芯片的俯视结构示意图。

在本实施方式中，结合图3所示，导光柱90为间隔导光柱，间隔导光柱包括若干间隔设置的圆柱形、圆台形、三角锥型中一种或多种的组合，且导光柱底部宽度为3～10μm。本实施方式中，导光柱90不仅仅分布在N电极80和N型半导体层30的第二台面之间，而是环绕N型半导体层30的第二台面分布。

当多量子阱发光层发光时，部分光线(包括但不限于射向N电极的光线)被导光柱90阻挡，导光柱90可以将阻挡的光线向正面反射，提升LED芯片的外量子效率。

参图4c为本发明中第三实施方式中LED芯片的俯视结构示意图。

在本实施方式中，结合图3所示，导光柱90为连续导光柱，连续导光柱的截面为矩形、等腰梯形、或三角形等，且导光柱底部宽度为3～10μm。本实施方式中，导光柱90仅分布在N电极80和N型半导体层30的第二台面之间。

当多量子阱发光层发光时，射向N电极80的部分光线被导光柱90阻挡，导光柱90可以将阻挡的光线向正面反射，提升LED芯片的外量子效率。

参图4d为本发明中第四实施方式中LED芯片的俯视结构示意图。

在本实施方式中，结合图3所示，导光柱90为连续导光柱，连续导光柱的截面为矩形、等腰梯形、或三角形等，且导光柱底部宽度为3～10μm。本实施方式中，导光柱90不仅仅分布在N电极80和N型半导体层30的第二台面之间，而是环绕N型半导体层30的第二台面分布。

当多量子阱发光层发光时，部分光线(包括但不限于射向N电极的光线)被导光柱90阻挡，导光柱90可以将阻挡的光线向正面反射，提升LED芯片的外量子效率。

以上仅对本发明的几种优选实施方式进行说明，在其他实施方式中，导光柱也可以部分设于N电极和第二台面之间，在N电极吸光较少区域不设置导光柱；除了N电极和第二台面之间的导光柱，N电极外侧也可以部分环绕设置导光柱；进一步地，导光柱也可以为连续导光柱和间隔导光柱的组合，如在N电极和第二台面之间设置连续导光柱，而在其他第二台面外侧的部分设置为间隔导光柱。以上均可以提升LED芯片的外量子效率。

本发明的一种LED芯片的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一衬底，在衬底上依次生长N型半导体层、多量子阱发光层、P型半导体层，构成LED晶圆；

S2、在LED晶圆上涂覆光刻胶并进行光刻，光刻后在P型半导体层、导光柱区域留下光刻胶；

S3、以LED晶圆上的光刻胶作为掩膜进行ICP蚀刻，蚀刻至N型半导体层产生第一台面；

S4、去除残余的光刻胶，LED晶圆上产生N型半导体层第一台面及导光柱；

S5、在N型半导体层第一台面和P型半导体层上分别形成N电极和P电极。

如在本发明的一具体实施方式中，该LED芯片的制备方法具体为：

以蓝宝石为衬底，通过MOCVD炉进行GaN层磊晶，在衬底上依次生长N型GaN层、多量子阱发光层、P型GaN层，构成LED晶圆；

按照传统的外延片清洗要求使用浓硫酸和过氧化氢（体积比3:1）的混合液经行酸洗；

在LED晶圆上涂覆光刻胶，光刻胶厚度为3um，然后进行光刻，光刻后在P型GaN层、导光柱区域留下光刻胶；

以LED晶圆上的光刻胶作为掩膜进行ICP(Inductive Coupled PlasmaEmission Spectrometer、感应耦合等离子)蚀刻，蚀刻至N型GaN层产生第一台面；

去除残余的光刻胶，LED晶圆上产生N型GaN层第一台面及导光柱；

在N型GaN层第一台面和P型GaN层上分别形成N电极和P电极。

由上述实施方式可以看出，本发明LED芯片及其制备方法通过在发光层和N电极之间设置导光柱，当发光层发光时，导光柱可以将射向N电极的光线向正面反射，避免了N电极吸收光线，提升了LED芯片的外量子效率，进而提高了LED芯片的亮度，而不影响芯片的外观和电性。

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芯片，所述LED芯片包括衬底以及依次位于衬底上的N型半导体层、多量子阱发光层、P型半导体层，所述N型半导体层为台阶状设置，N型半导体层包括第一台面及第二台面，第一台面的高度低于第二台面的高度，所述多量子阱发光层、P型半导体层位于第二台面上，所述N型半导体层的第一台面上设有与N型半导体层电性连接的N电极，P型半导体层上设有与P型半导体层电性连接的P电极，其特征在于，所述N电极和第二台面之间的第一台面上设有导光柱，所述导光柱顶部的水平高度不低于多量子阱发光层顶部的水平高度。

2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述第二台面在与N电极对应位置的其余外侧也设有导光柱，导光柱环绕于第二台面外侧。

3.根据权利要求1或2所述的LED芯片，其特征在于，所述导光柱为连续导光柱或间隔导光柱结构。

4.根据权利要求3所述的LED芯片，其特征在于，所述间隔导光柱包括若干间隔设置的圆柱形、圆台形、三角锥型中一种或多种的组合；所述连续导光柱的截面为矩形、等腰梯形、或三角形。

5.根据权利要求1或2所述的LED芯片，其特征在于，所述导光柱底部宽度为3～10μm。

6.根据权利要求1或2所述的LED芯片，其特征在于，所述N型半导体层、P型半导体层、导光柱的材料为GaN、GaAs、InP、或InGaAsP。

7.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述衬底和N型半导体层之间包括非有意掺杂半导体层，非有意掺杂半导体层的材料为GaN、GaAs、InP、或InGaAsP。

8.根据权利要求1或2所述的LED芯片，其特征在于，所述N型半导体层上第一台面和第二台面通过侧面相连，所述侧面与垂直方向的夹角为10°～80°。

9.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述P型半导体层上还包括透明导电层，所述P电极与所述透明导电层电性连接。

10.一种如权利要求1所述的LED芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、提供一衬底，在衬底上依次生长N型半导体层、多量子阱发光层、P型半导体层，构成LED晶圆；

S2、在LED晶圆上涂覆光刻胶并进行光刻，光刻后在P型半导体层、导光柱区域留下光刻胶；

S3、以LED晶圆上的光刻胶作为掩膜进行ICP蚀刻，蚀刻至N型半导体层产生第一台面；

S4、去除残余的光刻胶，LED晶圆上产生N型半导体层第一台面及导光柱；

S5、在N型半导体层第一台面和P型半导体层上分别形成N电极和P电极。

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