CN104465925B - 一种led芯片外延层的制作方法及led芯片结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片外延层的制作方法，通过控制GaN的生长方式，使其首先在垂直方向上优先生长成间隔设置的柱状结构，后进行水平生长连接成平面结构，使得衬底与平面结构间的柱状结构间隙处形成镂空结构，使得衬底与GaN之间增加了空气层，实现在无需镀反射层的情况下，有效提高界面的折射率差，减少入射至蓝宝石的光，减少蓝宝石衬底对光的吸收，增加背面出光的全反射，增加整个LED芯片的亮度，同时减少芯片的发热量，提高LED芯片的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于LED芯片的制作技术领域，具体涉及一种LED芯片外延层的制作方法及LED芯片结构。
背景技术
LED芯片也称为LED发光芯片，是LED灯的核心组件，也就是指的P-N结。其主要功能是：把电能转化为光能，芯片的主要材料为单晶硅，半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在他里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，他们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
LED芯片制作流程一般包括：外延片的制作(即镀膜)，在外延片上做电极，后用激光机切割外延片形成芯片。LED外延片为LED芯片的重要组成部分，其制作工艺也至关重要，不同的外延片材料所采用的生长方式也不尽相同，一般LED外延片生长技术采用有机金属化学气相沉积方法。
传统技术中采用GaN作为LED的外延片材料，通常的GaN基LED外延片采用图形化蓝宝石衬底直接生长，蓝宝石与GaN折射率相近，背面光反射率较小，背面的光在蓝宝石-GaN界面的反射率只有2.2％，其余光则通过DBR(分布式布拉格反射镜)反射回来，透射进去的光两次通过蓝宝石衬底，在蓝宝石中光损耗较大同时也增加了芯片的发热量。一般需要通过镀反射层来反射，工艺复杂，而且光在传输中被蓝宝石衬底吸收较多，同时也增加了芯片的发热量，影响芯片的使用寿命。
因此，鉴于以上问题，有必要提出一种新型的芯片外延层的制作方法，可实现在无需镀反射层的情况下，有效提高界面的折射率差，增加背面出光的全反射，减少蓝宝石衬底对光的吸收，增加整个LED芯片的亮度，同时减少芯片的发热量，提高LED芯片的使用寿命。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种LED芯片外延层的制作方法及LED芯片结构，通过控制GaN的生长方式，使得衬底与GaN的界面处形成镂空结构，实现在无需镀反射层的情况下，有效提高界面的折射率差，增加背面出光的全反射，减少蓝宝石衬底对光的吸收，增加整个LED芯片的亮度，同时减少芯片的发热量，提高LED芯片的使用寿命。
根据本发明的目的提出的一种LED芯片外延层的制作方法，所述LED芯片的衬底为蓝宝石，所述LED芯片的外延层内部具有镂空结构，具体制作步骤如下：
S1：SiO2层的制作：通过PECVD在蓝宝石衬底上生长SiO2层，之后通过匀胶、曝光、显影、刻蚀制作出所需的SiO2图形；
S2：AlN的制作：在SiO2层上通过MOCVD或RPD生长AlN，后通过刻蚀工艺去除SiO2层得到多个单一的AlN结构，且多个AlN结构间相互间隔设置；
S3：外延层制作：通过MOCVD在AlN上沿垂直方向生长GaN外延层，形成多个单一的柱状结构；
S4：外延层制作：通过MOCVD在柱状结构的GaN外延层基础上沿水平方向生长GaN外延层，连接形成平面结构；该平面结构与蓝宝石衬底之间的柱状结构处的间隙形成镂空结构；
S5：外延层制作：通过MOCVD在GaN外延层上生长发光层MQW与P-GaN层，形成LED芯片的外延层。
优选的，所述步骤2中得到的AlN结构为周期性点阵结构。
一种LED芯片结构，采用LED芯片外延层的制作方法制作外延层，所述芯片包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、AlN层、柱状结构的GaN外延层，平面结构的GaN外延层、发光层MQW、P-GaN层，透明导电层与SiO2保护层，还包括P电极及N电极。
与现有技术相比，本发明公开的LED芯片外延层的制作方法及LED芯片结构的优点是：通过控制GaN的生长方式，使其首先在垂直方向上优先生长成间隔设置的柱状结构，后进行水平生长连接成平面结构，使得衬底与平面结构间的柱状结构间隙处形成镂空结构，使得衬底与GaN之间增加了空气层，实现在无需镀反射层的情况下，有效提高界面的折射率差，减少入射至蓝宝石的光，减少蓝宝石衬底对光的吸收，增加背面出光的全反射，增加整个LED芯片的亮度，同时减少芯片的发热量，提高LED芯片的使用寿命。
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为SiO2层制作示意图。
图2为AlN制作示意图。
图3为柱状结构GaN外延层制作的示意图。
图4为平面结构GaN外延层制作的示意图。
图5为外延层截面图A。
图6为外延层截面图B。
图7为外延层截面图C。
图8为本发明的光线示意图。
图9为现有技术的光线示意图。
图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：
1、衬底 2、SiO2层 3、AlN结构 4、柱状结构 5、平面结构 6、镂空 7、GaN 8、空气
具体实施方式
传统技术中采用GaN作为LED的外延层材料，通常的GaN基LED外延片采用图形化蓝宝石衬底直接生长，蓝宝石与GaN折射率相近，背面光反射率较小，背面的光在蓝宝石-GaN界面的反射率只有2.2％，其余光则通过DBR(分布式布拉格反射镜)反射回来，透射进去的光两次通过蓝宝石衬底，在蓝宝石中光损耗较大同时也增加了芯片的发热量。一般需要通过镀反射层来反射，工艺复杂，而且光在传输中被蓝宝石衬底吸收较多，同时也增加了芯片的发热量，影响芯片的使用寿命。
本发明针对现有技术中的不足，提供了一种LED芯片外延层的制作方法及LED芯片结构，通过控制GaN的生长方式，使得衬底与GaN的界面处形成镂空结构，实现在无需镀反射层的情况下，有效提高界面的折射率差，增加背面出光的全反射，减少蓝宝石衬底对光的吸收，增加整个LED芯片的亮度，同时减少芯片的发热量，提高LED芯片的使用寿命。
下面将通过具体实施方式对本发明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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请一并参见图1至图4，如图所示，一种LED芯片外延层的制作方法，LED芯片的衬底为蓝宝石，LED芯片的外延层内部具有镂空结构，具体制作步骤如下：
S1：SiO2层的制作：通过PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)在蓝宝石衬底上生长SiO2层，之后通过匀胶、曝光、显影、刻蚀等方式制作出所需的SiO2图形，其中图形形状可根据后续所需生长的外延层结构形状而设定，具体不做限制。
S2：AlN的制作：在SiO2层上通过MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)或RPD(反应等离子体沉淀)生长AlN，后通过刻蚀工艺去除SiO2层得到多个单一的AlN结构，且多个AlN结构间相互间隔设置。其中AlN结构形状与SiO2图形的形状相同，通过AlN作为过渡层进行外延层的镂空结构制作。
S3：外延层制作：通过MOCVD在AlN上沿垂直方向生长GaN外延层，形成多个单一的柱状结构。
S4：外延层制作：通过MOCVD在柱状结构的GaN外延层基础上沿水平方向生长GaN外延层，连接形成平面结构；该平面结构与蓝宝石衬底之间的柱状结构处的间隙形成镂空结构。步骤3与步骤4中，通过控制GaN的纵向与横向的生长方式以及其先后顺序，使得形成的GaN平面结构与蓝宝石衬底间的GaN各柱状结构间具有间隔，从而形成镂空结构，这样使得GaN平面结构与蓝宝石衬底间存在空气层。通过对镂空结构进行调整可以有效地控制出光的方向，请参见图5至图7，图6可以使LED的正向出光得到加强，图7则加强LED侧面的出光，图5则介于两者之间。在实际使用中可根据出光需要设定镂空的结构形状，具体不做限制。
其中步骤2中得到的AlN结构可为周期性点阵结构，实现AlN结构的均匀设置，保证镂空结构分布的均匀，保证LED芯片的出光均匀。
由于光从折射率高的介质进入折射率低的介质时会产生全反射，如图8所示。蓝宝石的折射率为1.72，GaN的折射率为2.3，空气折射率为1，通过在蓝宝石和空气中间增加镂空层，则全反射角由原来GaN/蓝宝石48度减少至25.7度可以有效地减少入射至蓝宝石的光，减少蓝宝石对光的吸收，提高了正面的出光。
通过该发明不仅有效地提高了LED芯片的出光率，同时在一定程度上减少了芯片的发热。也不会影响外延层与芯片的制作以及芯片的外观。
S5：外延层制作：通过MOCVD在GaN外延层上生长发光层MQW与P-GaN层，形成LED芯片的外延层。之后根据普通的LED芯片制作工艺进行LED芯片的制作。
一种LED芯片结构，采用LED芯片外延层的制作方法制作外延层，所述芯片包括由下至上依次设置的蓝宝石衬底、AlN层、柱状结构的GaN外延层，平面结构的GaN外延层、发光层MQW、P-GaN层，透明导电层与SiO2保护层，还包括P电极及N电极。采用镂空结构的GaN外延层可有效提高LED芯片的出光率。
一种LED芯片的制作方法，包括LED芯片外延层的制作方法，以及后续依次进行的透明导电层、SiO2保护层、P电极、N电极的制作，最终形成LED芯片。
本发明公开了一种LED芯片外延层的制作方法及LED芯片结构，通过控制GaN的生长方式，使其首先在垂直方向上优先生长成间隔设置的柱状结构，后进行水平生长连接成平面结构，使得衬底与平面结构间的柱状结构间隙处形成镂空结构，使得衬底与GaN之间增加了空气层，实现在无需镀反射层的情况下，有效提高界面的折射率差，减少入射至蓝宝石的光，减少蓝宝石衬底对光的吸收，增加背面出光的全反射，增加整个LED芯片的亮度，同时减少芯片的发热量，提高LED芯片的使用寿命。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (2)
1.一种LED芯片外延层的制作方法，其特征在于，所述LED芯片的衬底为蓝宝石，所述LED芯片的外延层内部具有镂空结构，具体制作步骤如下：
S1：SiO2层的制作：通过PECVD在蓝宝石衬底上生长SiO2层，之后通过匀胶、曝光、显影、刻蚀制作出所需的SiO2图形；
S2：AlN的制作：在SiO2层上通过MOCVD或RPD生长AlN，后通过刻蚀工艺去除SiO2层得到多个单一的AlN结构，且多个AlN结构间相互间隔设置；
S3：外延层制作：通过MOCVD在AlN上沿垂直方向生长GaN外延层，形成多个单一的柱状结构；
S4：外延层制作：通过MOCVD在柱状结构的GaN外延层基础上沿水平方向生长GaN外延层，连接形成平面结构；该平面结构与蓝宝石衬底之间的柱状结构处的间隙形成镂空结构；
S5：外延层制作：通过MOCVD在GaN外延层上生长发光层MQW与P-GaN层，形成LED芯片的外延层。
2.如权利要求1所述的LED芯片外延层的制作方法，其特征在于，所述步骤2中得到的AlN结构为周期性点阵结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 215123 Suzhou Province Industrial Park, Jiangsu new road, No. 8 Applicant after: FOCUS LIGHTINGS TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: 215123 Suzhou Province Industrial Park, Jiangsu new road, No. 8 Applicant before: Focus Lightings Tech Inc. |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: FOCUS LIGHTING (SUZHOU) CO., LTD. TO: FOCUS LIGHINGS TECHNOLOGY CO., LTD. |
|
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |