CN104183677A - 一种发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管及其制造方法,所述发光二极管为由两个等边三角形单元组成的平行四边形芯片,所述平行四边形芯片包括依次层叠的生长衬底、发光外延结构及电流扩展层;所述两个等边三角形单元之间具有从所述电流扩展层至少贯穿至所述生长衬底、并将所述两个等边三角形单元的发光外延结构完全分离的出光走道;所述出光走道两侧的两个等边三角形单元分别形成有N电极制备平台,各该N电极制备平台表面形成有N电极,所述两个等边三角形单元的电流扩展层表面分别形成有P电极。本发明利用等边三角形芯片设计,通过增加芯片的周长,有效地提高了芯片的出光效率。本发明工艺简单,适用于工业生产。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明领域,特别是涉及一种发光二极管及其制造方法。
背景技术
半导体照明作为新型高效固体光源,具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点,将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃,其应用领域正在迅速扩大,正带动传统照明、显示等行业的升级换代,其经济效益和社会效益巨大。正因如此,半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一,也是未来几年光电子领域最重要的制高点之一。发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子(少子)一部分与多数载流子(多子)复合而发光。
LED照明光源早期的产品发光效率低,光强一般只能达到几个到几十个mcd,适用在室内场合,在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯,这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。
随着半导体照明技术的发展,GaN基发光二极管逐渐显示出其独特的优势,如何提高GaN基LED的出光率是当今人们最关心的问题之一,因为GaN基LED的光抽取效率受制于GaN与空气之间巨大的折射率差,根据斯涅耳定律,光从GaN(n≈2.5)到空气(n=1.0)的临界角约为23°,只有在入射角在临界角以内的光可以出射到空气中,而临界角以外的光只能在GaN内部来回反射,直至被自吸收。
图1为传统四边形芯片出光效果图,传统的发光二极管,当芯片的出射角度大于23.5°,小于66.5°时,芯片的光将仅局限在芯片的内部来回反射,光子不能逃逸出芯片外部,造成芯片的出光损失。
目前用于提高发光二极管出光效率的方法有对发光二极管的出光表面进行图形化、对发光二极管的出光侧壁进行图形化等,这些技术可以一定程度地提高发光二极管的发光效率,但是,只通过改进以上两种方法难以较大程度地继续提高发光二极管的出光效率。
因此,提供一种方法简单、可以进一步有效提高LED芯片出光效率的发光二极管结构及其制造方法实属必要。
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发光二极管及其制造方法,用于解决现有技术中发光二极管出光效率低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种发光二极管的制造方法,至少包括以下步骤:
1)提供一生长衬底,于所述生长衬底表面形成至少包括N型层、量子阱层及P型层的发光外延结构,并于所述发光外延结构表面形成电流扩展层;
2)于所述发光外延结构中定义出多个由两个等边三角形单元组成的平行四边形芯片,于所述两个等边三角形单元之间制作出至少贯穿至所述生长衬底的出光走道,使所述两个等边三角形单元的发光外延结构完全分离;
3)于所述出光走道两侧的发光外延结构中刻蚀出与所述两个等边三角形单元对应的两个N电极制备平台;
4)于所述两个N电极制备平台表面分别形成N电极,于所述两个等边三角形单元的电流扩展层表面分别形成P电极;
5)依据所定义的平行四边形芯片进行切割,获得相互独立的发光二极管芯片。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一种优选方案,所述生长衬底为蓝宝石衬底、图形蓝宝石衬底或GaN衬底。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一种优选方案,所述N型层为N-GaN层,所述量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层,所述P型层为P-GaN层。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一种优选方案,步骤2)中,采用感应耦合等离子体ICP深刻蚀技术或激光切割技术制作出所述出光走道。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一种优选方案,步骤4)后还包括对所述生长衬底进行减薄的步骤以及于所述生长衬底背面制作反射镜的步骤。
作为本发明的发光二极管的制造方法的一种优选方案,还包括将所述平行四边形芯片中的两个等边三角形单元通过金属互连工艺进行并联的步骤。
本发明还提供一种发光二极管,所述发光二极管为由两个等边三角形单元组成的平行四边形芯片,所述平行四边形芯片包括依次层叠的生长衬底、发光外延结构及电流扩展层;所述两个等边三角形单元之间具有从所述电流扩展层至少贯穿至所述生长衬底、并将所述两个等边三角形单元的发光外延结构完全分离的出光走道;所述出光走道两侧的两个等边三角形单元分别形成有N电极制备平台,各该N电极制备平台表面形成有N电极,所述两个等边三角形单元的电流扩展层表面分别形成有P电极。
作为本发明的发光二极管的一种优选方案,所述生长衬底为蓝宝石衬底或图形蓝宝石衬底。
作为本发明的发光二极管的一种优选方案,所述发光外延结构包括N-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P-GaN层。
作为本发明的发光二极管的一种优选方案,所述生长衬底背面还结合有反射镜。
作为本发明的发光二极管的一种优选方案,所述发光二极管还包括实现所述平行四边形芯片中的两个等边三角形单元并联的金属连线。
如上所述,本发明提供一种发光二极管及其制造方法,所述发光二极管为由两个等边三角形单元组成的平行四边形芯片,所述平行四边形芯片包括依次层叠的生长衬底、发光外延结构及电流扩展层;所述两个等边三角形单元之间具有从所述电流扩展层至少贯穿至所述生长衬底、并将所述两个等边三角形单元的发光外延结构完全分离的出光走道;所述出光走道两侧的两个等边三角形单元分别形成有N电极制备平台,各该N电极制备平台表面形成有N电极,所述两个等边三角形单元的电流扩展层表面分别形成有P电极。本发明利用等边三角形芯片设计,通过增加芯片的周长,有效地提高了芯片的出光效率。本发明工艺简单,适用于工业生产。
附图说明
图1显示为现有技术中的四边形发光二极管的出光效果示意图。
图2~5显示为本发明发光二级管的制造方法步骤1)所呈现的结构示意图,其中,图3为图2中A-A’截面图。
图6~图7显示为本发明发光二级管的制造方法步骤2)所呈现的截面结构和平面结构示意图。
图8显示为本发明发光二级管的制造方法步骤3)所呈现的平面结构示意图。
图9~图10显示为本发明发光二级管的制造方法步骤4)所呈现的结构示意图,其中,图10为图9中B-B’截面图。
元件标号说明
101 生长衬底
102 N型层
103 量子阱层
104 P型层
105 电流扩展层
106 出光走道
107 N电极制备平台
108 P电极
109 N电极
110 反射镜
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2~图10。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图2~图10所示,本实施例提供一种发光二极管的制造方法,至少包括以下步骤:
如图2~图5所示,首先进行步骤1),提供一生长衬底101,于所述生长衬底101表面形成至少包括N型层102、量子阱层103及P型层104的发光外延结构,并于所述发光外延结构表面形成电流扩展层105
作为示例,所述生长衬底101为蓝宝石衬底、图形蓝宝石衬底或GaN衬底。当然,在其它的实施例中,所述生长衬底101也可以是如Si衬底、SiC衬底等,可以根据不同的工艺需求进行选择,并不限于此处所列举的几种。
作为示例,采用化学气相沉积法形成所述发光外延结构。
作为示例,所述N型层102为N-GaN层,所述量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层103,所述P型层104为P-GaN层。当然,所述发光外延结构也可以是如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的发光外延结构,可以根据所需产品的性能进行选择,且并不限于此处所列举的几种。
作为示例,所述电流扩展层105为透明导电层,在本实施例中为ITO透明导电层,可以采用如电子束蒸发等技术形成。当然,在其它的实施例中,所述电流扩展层105也可是如金属薄膜或其它的透明导电薄膜。
如图6~图7所示,接着进行步骤2),于所述发光外延结构中定义出多个由两个等边三角形单元组成的平行四边形芯片,于所述两个等边三角形单元之间制作出至少贯穿至所述生长衬底101的出光走道106,使所述两个等边三角形单元的发光外延结构完全分离。
作为示例,采用感应耦合等离子体ICP深刻蚀技术或激光切割技术制作出所述出光走道106。刻蚀或切割的过程中,可以只刻蚀或切割至所述生长衬底101表面就停止刻蚀,即只贯穿所述电流扩展层105及发光外延结构,也可以是刻蚀或切割至所述生长衬底101一预设深度,如图6所示,但是,该预设深度的要求为不影响后续的减薄及裂片工艺为宜。
所述出光走道106应该具有一定的宽度,以保证出光路径。
本步骤通过刻蚀或切割出一个出光走道106将平行四边形芯片隔成发光外延结构完全分离的两个等边三角形单元,利用等边三角形周长较长,且可以降低光线在芯片内的全反射概率的原理,可以大大增加发光二极管侧壁的出光效率。
如图8所示,然后进行步骤3),于所述出光走道106两侧的发光外延结构中刻蚀出与所述两个等边三角形单元对应的两个N电极制备平台107。
作为示例,采用ICP刻蚀去除出光走道106两侧的部分电流扩展层105、P型层104、量子阱层103、及N型层102,形成被所述出光走道隔106开的两个N型层平台,分别作为所述两个等边三角形单元的N电极制备平台107。
如图9~图10所示,接着进行步骤4),于所述两个N电极制备平台107表面分别形成N电极109,于所述两个等边三角形单元的电流扩展层表面分别形成P电极108。
作为示例,所述N电极109及P电极108可以为Au、Pt、Cr,Ti,Ni,Al等材料。
作为示例,本步骤后还包括对所述生长衬底101进行减薄的步骤。
作为示例,为了增加发光二极管的出光效率,在所述生长衬底101减薄后还包括于所述生长衬底101背面制作反射镜110的步骤。
作为示例,所述反射镜110为全方位反射镜ODR或布拉格反射镜DBR。
最后进行步骤5),依据所定义的平行四边形芯片进行切割,获得相互独立的发光二极管芯片。
作为示例,可以采用激光切割或机械切割方法对晶圆进行切割。
作为示例,在后续的封装过程中,还包括将所述平行四边形芯片中的两个等边三角形单元通过金属互连工艺进行并联的步骤。
如图9~图10所示,本实施例还提供一种发光二极管,所述发光二极管为由两个等边三角形单元组成的平行四边形芯片,所述平行四边形芯片包括依次层叠的生长衬底101、发光外延结构102~104及电流扩展层105;
所述两个等边三角形单元之间具有从所述电流扩展层105至少贯穿至所述生长衬底101、并将所述两个等边三角形单元的发光外延结构102~104完全分离的出光走道106;
所述出光走道106两侧的两个等边三角形单元分别形成有N电极制备平台107,各该N电极制备平台107表面形成有N电极109,所述两个等边三角形单元的电流扩展层105表面分别形成有P电极108。
作为示例,所述生长衬底101为蓝宝石衬底、图形蓝宝石衬底或GaN衬底。当然,在其它的实施例中,所述生长衬底101也可以是如Si衬底、SiC衬底等,可以根据不同的性能需求进行选择,并不限于此处所列举的几种。
作为示例,所述发光外延结构包括N-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P-GaN层。当然,所述发光外延结构也可以是如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的发光外延结构,可以根据所需产品的性能进行选择,且并不限于此处所列举的几种。
作为示例,所述电流扩展层105为透明导电层,在本实施例中为ITO透明导电层,可以采用如电子束蒸发等技术形成。当然,在其它的实施例中,所述电流扩展层105也可是如金属薄膜或其它的透明导电薄膜。
作为示例,所述出光走道106可以是贯穿所述电流扩展层105及发光外延结构的沟槽结构,也可以是贯穿至所述生长衬底101一预设深度的沟槽结构。
所述出光走道106应该具有一定的宽度,以保证出光路径。
作为示例,所述N电极制备平台107为去除了部分的电流扩展层105、P-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、及N-GaN层获得的一个N型层平台。
作为示例,为了增加发光二极管的出光效率,所述生长衬底101背面还结合有反射镜110。
作为示例,所述反射镜110为全方位反射镜ODR或布拉格反射镜DBR。
作为示例,所述发光二极管还包括实现所述平行四边形芯片中的两个等边三角形单元并联的金属连线。
综上所述,本发明提供一种发光二极管及其制造方法,所述发光二极管为由两个等边三角形单元组成的平行四边形芯片,所述平行四边形芯片包括依次层叠的生长衬底、发光外延结构及电流扩展层;所述两个等边三角形单元之间具有从所述电流扩展层至少贯穿至所述生长衬底、并将所述两个等边三角形单元的发光外延结构完全分离的出光走道;所述出光走道两侧的两个等边三角形单元分别形成有N电极制备平台,各该N电极制备平台表面形成有N电极,所述两个等边三角形单元的电流扩展层表面分别形成有P电极。本发明利用等边三角形芯片设计,通过增加芯片的周长,有效地提高了芯片的出光效率。本发明工艺简单,适用于工业生产。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 (11)
1.一种发光二极管的制造方法,其特征在于,至少包括以下步骤:
1)提供一生长衬底,于所述生长衬底表面形成至少包括N型层、量子阱层及P型层的发光外延结构,并于所述发光外延结构表面形成电流扩展层;
2)于所述发光外延结构中定义出多个由两个等边三角形单元组成的平行四边形芯片,于所述两个等边三角形单元之间制作出至少贯穿至所述生长衬底的出光走道,使所述两个等边三角形单元的发光外延结构完全分离;
3)于所述出光走道两侧的发光外延结构中刻蚀出与所述两个等边三角形单元对应的两个N电极制备平台;
4)于所述两个N电极制备平台表面分别形成N电极,于所述两个等边三角形单元的电流扩展层表面分别形成P电极;
5)依据所定义的平行四边形芯片进行切割,获得相互独立的发光二极管芯片。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法,其特征在于:所述生长衬底为蓝宝石衬底、图形蓝宝石衬底或GaN衬底。
3.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法,其特征在于:所述N型层为N-GaN层,所述量子阱层为InGaN/GaN多量子阱层,所述P型层为P-GaN层。
4.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法,其特征在于:步骤2)中,采用感应耦合等离子体ICP深刻蚀技术或激光切割技术制作出所述出光走道。
5.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法,其特征在于:步骤4)后还包括对所述生长衬底进行减薄的步骤以及于所述生长衬底背面制作反射镜的步骤。
6.根据权利要求1所述的发光二极管的制造方法,其特征在于:还包括将所述平行四边形芯片中的两个等边三角形单元通过金属互连工艺进行并联的步骤。
7.一种发光二极管,其特征在于:
所述发光二极管为由两个等边三角形单元组成的平行四边形芯片,所述平行四边形芯片包括依次层叠的生长衬底、发光外延结构及电流扩展层;
所述两个等边三角形单元之间具有从所述电流扩展层至少贯穿至所述生长衬底、并将所述两个等边三角形单元的发光外延结构完全分离的出光走道;
所述出光走道两侧的两个等边三角形单元分别形成有N电极制备平台,各该N电极制备平台表面形成有N电极,所述两个等边三角形单元的电流扩展层表面分别形成有P电极。
8.根据权利要求7所述的发光二极管,其特征在于:所述生长衬底为蓝宝石衬底或图形蓝宝石衬底。
9.根据权利要求7所述的发光二极管,其特征在于:所述发光外延结构包括N-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P-GaN层。
10.根据权利要求7所述的发光二极管,其特征在于:所述生长衬底背面还结合有反射镜。
11.根据权利要求7所述的发光二极管,其特征在于:所述发光二极管还包括实现所述平行四边形芯片中的两个等边三角形单元并联的金属连线。
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