CN103681997B - 一种所需颜色发光二极管芯片的制造方法 - Google Patents

一种所需颜色发光二极管芯片的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发光二极管芯片领域，具体公开了一种所需颜色发光二极管芯片及其制作方法，包括衬底和形成于衬底上的外延层，所述外延层包括自下而上形成于衬底上的N型半导体层、有源层、P型半导体层；所述衬底上的外延层分离成至少两个发光模块，所述各发光模块的有源层分别注入有不同比例浓度的包含In和Al元素的离子，以对各发光模块的发光波长进行调节,从而使各发光模块实现所需颜色的发光。本发明结构简单，散热性好且出光效率高。

Description

一种所需颜色发光二极管芯片的制造方法
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种所需颜色发光二极管芯片及其制造方法。
背景技术
随着国家推动节能减排政策的推出，LED照明必将成为未来照明市场的主流，LED装饰及LED节能显示屏等也将大规模呈现。传统的白光LED一般通过封装工艺或芯片工艺来实现，封装工艺一般是在GaN基蓝光LED芯片上涂覆荧光粉胶水，部分蓝光激发荧光粉产生黄绿光，另一部分透射出来的蓝光则与黄绿光混光产生白光，此方法由于荧光粉长时间处于LED光直射的高温状态下，容易引起性能退化，使白光LED的效率下降和光谱改变，从而使LED长奉命的优点难以发挥；采用芯片工艺实现白光LED的方法，一般是将可以混成白光的两个或三个不同波长的半导体发光二极管芯片层叠起来，复合成白光，如美国专利US6633120和中国专利号200910200961.6所示的层叠结构白光LED，此种结构无需荧光粉，发光效率较高，但其工艺较复杂，生产成本高，产能低，难以实现量产。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单，无需荧光粉，在芯片制作阶段即可实现低成本、高性能的所需颜色的发光二极管芯片。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种所需颜色发光二极管芯片，包括衬底和形成于衬底上的外延层，所述外延层包括自下而上形成于衬底上的N型半导体层、有源层、P型半导体层，其特征在于：所述衬底上的外延层分离成至少两个发光模块，各发光模块都设有独立的正负电极，所述各发光模块的有源层分别注入有不同比例浓度的包含In和Al元素的离子，以对各发光模块的发光波长进行调节,从而使各发光模块实现不同颜色的发光，且可通过调节各发光模块输入电流的大小来调节各发光模块的亮度。
进一步地，所述有源层为发射可连续调节波长的单层或者多层量子阱，量子阱周期数为1～30，每个周期中，阱的厚度为1nm～5nm，垒的厚度为6nm～20nm。
进一步地，所述N型半导体层为掺杂Si的GaN层，厚度为400nm～1000nm，所述P型半导体层为掺杂Mg的GaN层，厚度为100nm～500nm。
进一步地，所述衬底上的外延层分离成三个发光模块，此三个发光模块通过注入不同比例浓度的包含In和Al元素的离子，使三个发光模块分别发出三基色，进而通过三基色混光实现白光。
进一步地，所述衬底与N型半导体层之间可设有缓冲层，以减少或避免衬底与N型半导体之间的晶格失配。
进一步地，所述LED芯片可以是水平结构、垂直结构或倒装结构，水平结构即N型半导体层和P型半导体层的电极处于衬底的同一侧；垂直结构即N型半导体层和P型半导体层的电极分别处于芯片的顶部和底部；倒装结构即芯片正面朝下向，主出光面为N型半导体层。
本发明的有益效果如下：
本发明将普通单颗大芯片衬底上的外延层分离成至少两个发光模块，各发光模块都设有独立的正负电极，这相当于在单一芯片上有多个各自独立的光源，且分离成多个发光模块可以减少芯片外延层内光线的全反射，提高了出光效率；同时各发光模块之间的隔离沟槽可以扩大芯片的散热面积，提高芯片的寿命；
所述各发光模块的有源层分别注入有不同比例浓度的包含In和Al元素的离子，以对各发光模块的发光波长进行调节,从而使各发光模块实现不同颜色的发光，且可通过调节各发光模块输入电流的大小来调节各发光模块的亮度；
本发明结构简单、无需荧光粉、寿命长，具有较高的光电转换效率，将在白光照明、全色显示和光调控领域发挥重要的作用。
本发明还提供一种所需颜色发光二极管芯片的制造方法，其步骤如下：
1．利用金属有机气相淀积MOCVD或分子束外延MBE技术，在衬底上生长N型半导体层，形成电子发射区；继续生长量子阱有源层，作为二极管的高亮度有源发光区；在高亮度有源发光区上生长P型半导体层，形成空穴发射区，完成外延片的制备。
2．通过图形曝光半导体平面工艺技术，并结合ICP刻蚀，使外延层根据芯片尺寸要求分离成多个大发光模块，且每个大发光模块至少分离成两个小发光模块，并同时在每个小发光模块上刻蚀出用于形成N电极的N型半导体层台面结构。
3.通过图形曝光技术，使用ICP刻蚀或者使用激光切割方式，使步骤2的大发光模块中的各小发光模块之间相互绝缘并独立，具体是将各小发光模块之间的导电物质全部去除，具体深度到衬底上表面。
4.分别在各小发光模块的P型半导体层表面通过离子注入方式注入不同比例浓度的包含In和Al元素的离子至量子阱区域。
5．在P型半导体层表面蒸镀一层透明导电层,通过图形曝光蚀刻后蒸镀P、N电极，并且曝光的图形连接各小颗发光模块，再用蒸镀或者化镀金属的方式制作出各个小发光模块之间的电路连接桥和各小发光模块的P、N电极焊垫，各小颗发光模块可串联或者并联。
6．利用激光或钻石刀切割外延片的衬底，研磨抛光解理，从而形成包含至少两个小发光模块的LED芯片。
优选地，所述衬底可以是蓝宝石、Si或SiC衬底。
优选地，所述衬底与N型半导体层之间还设有GaN或者AlN缓冲层，以减少或避免衬底与N型半导体之间的晶格失配。
优选地，所述N型半导体层中掺杂有Si，所述量子阱层为GaN/InGaN单量子阱或GaN/InGaN多量子阱,所述P型半导体层中掺杂有Mg。
优选地，所述每个大发光模块分割成三个小发光模块，三个小发光模块分别注入不同比例浓度的包含In和Al元素的离子至量子阱区域以实现三基色的发光波长，通过三个小发光模块发出的三基色混光即可得到白光，无需通过激发荧光粉来实现白光。
附图说明
图1为本发明实施例的结构侧视图，其中离子注入区域为图中阴影部分的MQW区域。
图2为本发明实施例单颗大芯片结构正视图，三颗小发光模块可串联或者并联。
图3为本发明实施例的工艺制作流程图。
图4为本发明实施例外延片平面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，为了出示方便，附图并未按照比例绘制。
参照图1、图2所示，做为本发明的一个较佳实施例，一种所需颜色发光二极管芯片，包括蓝宝石衬底1和形成于蓝宝石衬底1上的外延层2，所述外延层2包括自下而上形成于衬底1上的GaN缓冲层3、掺杂Si的N型GaN半导体层4、GaN/InGaN多量子阱发光层5、掺杂Mg的P型GaN半导体层6。所述蓝宝石衬底1上的外延层2分离成三个发光模块7，各发光模块7都设有独立的正负电极13a、13b，所述各发光模块7的多量子阱发光层5分别注入有不同比例浓度的包含In和Al元素的离子，以对各发光模块7的发光波长进行调节,使三个发光模块7可以发出三基色的光，通过三个发光模块7发出的三基色光进行混光即可得到白光，且可通过调节各发光模块7输入电流的大小来调节各发光模块的亮度，并通过混光得到不同颜色的光。同时，单颗大芯片8分离成三个发光模块7后，其散热面积增大，提高了芯片的寿命；并可减少芯片外延层2内光线的全反射，提高出光效率。
上述N型GaN半导体层4厚度为1000nm，P型GaN半导体层6厚度为400nm。
上述衬底1与N型半导体层4之间设有GaN缓冲层3，可以减少或避免蓝宝石衬底1与N型GaN半导体4之间的晶格失配。
上述LED芯片可以是水平结构、垂直结构或倒装结构，水平结构即N型GaN半导体层4和P型GaN半导体层6的电极13a、13b处于蓝宝石衬底1的同一侧；垂直结构即N型GaN半导体层4和P型GaN半导体层6的电极13a、13b分别处于芯片的顶部和底部；倒装结构即芯片正面朝下向，主出光面为N型GaN半导体层4。
参照图1、图3和图4所示，本实施例的一种所需颜色发光二极管芯片的制造方法，其步骤如下：
步骤S01．利用金属有机气相淀积MOCVD或分子束外延MBE技术，在蓝宝石衬底1上生长GaN缓冲层3，在缓冲层3上生长掺杂Si的N型GaN半导体层4形成电子发射区，继续生长GaN/InGaN多量子阱层5来作为二极管的高亮度有源发光区，在高亮度有源发光区上生长掺杂Mg的P型GaN半导体层6形成空穴发射区，完成外延片9的制备。
步骤S02．通过图形曝光半导体平面工艺技术，并结合ICP刻蚀，使外延层2根据芯片尺寸要求分成多个大发光模块10，且每个大发光模块10至少分成两个小发光模块11，并同时在每个小发光模块11上刻蚀出用于形成N电极的N型半导体层台面结构14。
步骤S03.通过图形曝光技术，使用ICP刻蚀或者使用激光切割方式，使步骤2的大发光模块10中的各小发光模块11之间相互绝缘并独立，具体是将各小发光模块11之间的导电物质全部去除，具体深度到蓝宝石衬底1上表面。
步骤S04.分别在三颗小发光模块11的P型半导体层6表面通过离子注入方式注入不同比例浓度的包含In和Al元素的离子至量子阱5区域，使三颗小发光模块11分别可以发出三基色的光。
步骤S05．在P型半导体层6表面蒸镀一层透明导电层12,通过图形曝光蚀刻后蒸镀P电极13a和N电极13b，并且曝光的图形连接三颗小发光模块11，再用蒸镀或者化镀金属的方式制作出连接桥和P、N电极焊垫，三颗小发光模块11可串联或者并联，。
步骤S06．利用激光或钻石刀切割外延片的衬底1，研磨抛光解理，从而形成包含三个小发光模块的LED芯片。
点测时，在P电极13a和N电极13b之间加一电压差激活发光结构，电流从P电极13a传导到透明导电层12扩散至N电极13b，每颗大芯片8中有三颗不同发光波长的小发光模块11，通过对各小发光模块11的注入电流大小的调节来得到白光或者所需颜色的光。由于本发明的芯片没有荧光粉，且散热面积较大，所以又延长了芯片的使用寿命。
以上仅为本发明的具体实施例，并不以此限定本发明的保护范围；在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种所需颜色发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：该制作方法包括以下步骤：
(1)、利用金属有机气相淀积MOCVD或分子束外延MBE技术，在衬底上生长N型半导体层，形成电子发射区；继续生长量子阱有源层，作为二极管的高亮度有源发光区；在高亮度有源发光区上生长P型半导体层，形成空穴发射区，完成外延片的制备；
(2)、通过图形曝光半导体平面工艺技术，并结合ICP刻蚀，使外延层根据芯片尺寸要求分离成多个大发光模块，且每个大发光模块至少分离成两个小发光模块，并同时在每个小发光模块上刻蚀出用于形成N电极的N型半导体层台面结构；
(3)、通过图形曝光技术，使用ICP刻蚀或者使用激光切割方式，使步骤2的大模块中的各小模块之间相互绝缘并独立，具体是将各小模块之间的导电物质全部去除，具体深度到衬底上表面；
(4)、分别在小模块的P型半导体层表面通过离子注入方式注入不同比例浓度的包含In和Al元素的离子至量子阱区域；
(5)、在P型半导体层表面蒸镀一层透明导电层,通过图形曝光蚀刻后蒸镀P、N电极，并且曝光的图形连接各小颗发光模块，再用蒸镀或者化镀金属的方式制作出各个小发光模块之间的电路连接桥和各小发光模块的P、N电极焊垫，各小颗发光模块可串联或者并联；
(6)、利用激光或钻石刀切割外延片的衬底，研磨抛光解理，从而形成包含至少两个小发光模块的LED芯片。
2.根据权利要求1所述的一种所需颜色发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述衬底可以是蓝宝石、Si或SiC衬底。
3.根据权利要求2所述的一种所需颜色发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述N型半导体层中掺杂有Si，所述P型半导体层中掺杂有Mg，所述量子阱层为GaN/InGaN单量子阱或GaN/InGaN多量子阱。
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