CN105449053B - 发光二极管晶粒及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种发光二极管晶粒，包括一基板，依次设于基板一侧的一预生长层、一第一绝缘层和一发光结构，其中，所述基板包括一第一电极，一第二电极和一绝缘部，所述第一电极包覆第二电极且与第二电极间隔设置，所述绝缘部设于所述第一电极和第二电极之间；发光二极管晶粒还包括所述预生长层侧面外围还设有一第二绝缘层和一金属层。相比于现有技术，本发明的发光二极管晶粒的第一电极和第二电极设于第一半导体层和第二半导体层的下方以达到降低漏电情况的发生，同时可以增加发光二极管晶粒的光取出面积。本发明还提供一种上述发光二极管晶粒的制造方法。

Description

发光二极管晶粒及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管晶粒及其制造方法。
背景技术
现有技术中，为降低发光二极管晶粒的压电场效应并能够节约成本，通常在平面蓝宝石衬底上利用选择性磊晶生长成长出无极性的半导体氮化镓（nonpolar, semipolarGaN），但是此结构的尖部是缺陷密度最多的地方。同时传统的发光二极管晶粒一般将p、n电极设置在P型半导体层的侧边及上方，如此在注入电流时因电流会选择走最短路径，而此最短路径就是发光二极管晶粒的尖部缺陷密度最多的地方，从而使在磊晶结构的表面做P、N电极以将次磊晶结构做成发光二极管元件时会有漏电的情况产生。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种可降低漏电现象的发光二极管晶粒及其制造方法。
一种发光二极管晶粒，包括一基板，依次设于基板上的一预生长层和一发光结构，其特征在于：所述基板包括一第一电极，一包覆第一电极的第二电极和一设于第一电极和第二电极之间的绝缘部，所述第一电极位于所述预生长层下方；所述发光二极管晶粒还包括一绝缘层和一金属层，所述金属层形成于所述第二电极上，所述绝缘层将所述金属层和所述预生长层间隔；所述第二电极通过所述金属层与所述发光结构电导通，所述第一电极通过所述预生长层与所述发光结构电导通。
一种发光二极管晶粒的制造方法，其中，该发光二极管晶粒的制造方法包括以下步骤：
提供一衬底，在衬底一侧外延磊叠生长一缓冲层、一掺杂层和一预生长层；
在所述预生长层上形成一第一绝缘层并开设若干均匀分布的窗口；
在所述窗口上生长一发光结构，所述发光结构包括依次磊叠的一第一半导体层、一有源层和一第二半导体层；
提供一辅助基板，将上述结构倒扣地固定于辅助基板上，并移除所述衬底，同时蚀刻掉所述缓冲层和掺杂层直至预生长层；
蚀刻所述预生长层和第一绝缘层直至第二半导体层；
在保留的预生长层外围形成一第二绝缘层，并镀上一金属层；
提供一具有第一电极和第二电极的基板，将上述结构倒置于所述基板上，并移除所述辅助基板。
相比于现有技术，本发明的发光二极管晶粒的第一电极和第二电极设于第一半导体层和第二半导体层的下方以达到降低漏电情况的发生，同时可以增加发光二极管晶粒的的光取出面积。
附图说明
图1为本发明实施例中的所述发光二极管晶粒的立体图。
图2为图1中所示相邻二单晶粒的沿中轴的纵向剖面图。
图3为图1中所示发光二极管晶粒的基板的俯视图。
图4为图1中所示发光二极管晶粒的制作流程图。
图5为图2中所示发光二极管单晶粒开设窗口的示意图。
图6为图2中所示发光二极管单晶粒生长发光结构后的示意图。
图7为图3中所述发光二极管晶粒蚀刻掉所述缓冲层和掺杂层后的示意图。
图8为图3中所述发光二极管晶粒镀上金属层后的示意图。
主要元件符号说明
发光二极管晶粒 100
单晶粒 200
基板 110、210
第一电极 211
第二电极 212
绝缘部 213
预生长层 220、340
绝缘层 230
第一绝缘层 231、350
窗口 2311
第二绝缘层 232
金属层 240
发光结构 250
第一半导体层 251
有源层 252
量子井 2521
量子能障 2522
第二半导体层 253
衬底 310
缓冲层 320
掺杂层 330
光阻片 360
辅助基板 380
胶体 390
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参见图1，本发明的发光二极管晶粒100包括一基板110和设于基板上的若干相同的单晶粒200。所述单晶粒200按照一定的规则周期性排列。在本实施例中，所述单晶粒200紧密排列，每个单晶粒200都与6个相同的其它单晶粒200相接，且被其均匀环绕。
请参见图2，所述单晶粒200包括一基板210，依次设于所述基板210上的一预生长层220和一发光结构250，设于所述预生长层220外围的一金属层240，以及用以间隔所述金属层240和预生长层220的一绝缘层230。
请同时参见图3，在本实施例中，所述基板210为一平面板体。所述基板210包括一第一电极211，环绕所述第一电极211的一第二电极212，以及环绕所述第一电极211并位于所述第一电极211和第二电极212之间的一绝缘部213。所述第一电极211与第二电极212之间相互绝缘，且以所述绝缘部213间隔开。
所述第一电极211为一N型电极，设于所述基板210的中心部位。所述第一电极211呈一六棱柱体结构，其横截面为一正六边形，纵截面为一矩形。所述绝缘部213可采用树脂、氮化铝（AlN）等高阻值材料。在本实施例中，所述绝缘部213是由树脂材料制成，用以隔绝所述第一电极211和第二电极212之间的之间电导通。所述绝缘部213呈一中空六棱柱体结构，其横截面为一正六边形环，纵截面为分列所述第一电极211两侧的二矩形。所述绝缘部213设于所述第一电极211的侧面外围，并完全包覆所述第一电极211的侧表面。所述绝缘部213的高度与所述第一电极211的高度相同。所述第二电极212为一P型电极。所述第二电极212呈一中空六棱柱体结构，其横截面为一正六边形环，纵截面为分列所述绝缘部213两侧的二矩形。所述第二电极212设于所述绝缘部213的侧面外围，并完全包覆所述绝缘部213的侧表面。所述第二电极212的高度与所述绝缘部213的高度相同。
若干单晶粒200的基板210之间按照所述单晶粒200的排列规则周期性排列以形成所述基板110。在本实施例中，每个基板210都与6个相同的其它基板210相接，且被其均匀环绕。二相邻的所述基板210之间共用一部分第二电极212，即所述基板210的第二电极212的其中一侧面电极与其相邻的另一基板210的第二电极212的对应电极重合。
请再次参见图2，所述预生长层220为一N型半导体层。在本实施例中，所述预生长层220采用氮化镓（GaN）制成。所述预生长层220呈一六棱柱体结构，其横截面为一正六边形，纵截面为一矩形。所述预生长层220设于所述基板210的中央部位，其横截面尺寸介于所述基板210的绝缘部213的横截面的内环尺寸与外环尺寸之间。在本实施例中，所述预生长层220完全覆盖所述第一电极211，并同时部分覆盖所述绝缘部213。所述预生长层220与所述基板210的第一电极211直接电性连接。
所述绝缘层230是绝缘材料制成，在本实施例中，所述绝缘层230采用二氧化硅（SiO2）材料。所述绝缘层230包括一水平设置的第一绝缘层231和一竖直设置的第二绝缘层232。所述第一绝缘层231和所述第二绝缘层232相互垂直，且所述第二绝缘层232的上端与所述第一绝缘层231的外缘相接。
所述第一绝缘层231自所述预生长层220的上表面的外缘背向所述预生长层220向上凸起形成。所述第一绝缘层231的厚度均匀。所述第一绝缘层230呈一中空的六棱柱体结构，其横截面的外环为一正六边形，内环为一圆形，且该外环尺寸与所述预生长层220的横截面尺寸相等。所述第一绝缘层230的空心内环形成一圆洞形窗口2311。所述窗口2311部分裸露出所述预生长层220的中央区域。
所述第二绝缘层232形成于所述基板210的绝缘部213上并包覆所述预生长层220和所述第一绝缘层231的侧表面。所述第二绝缘层232的厚度均匀。所述第二绝缘层232呈一中空六棱柱体结构，其横截面为一正六边形环，纵截面为分列所述预生长层220和第一绝缘层231两侧的二矩形。所述第二绝缘层232的高度等于所述预生长层220和第一绝缘层231的高度之和。所述第二绝缘层232和所述预生长层220共同完全覆盖所述基板210的第一电极211和绝缘部213，即所述第二绝缘层240的横截面的外环尺寸等于所述基板210的绝缘部213的横截面的外环尺寸。
所述金属层240可采用钛（Ti），铝（Al），铂（Pt），金（Au）等金属材料制成。在本实施例中，所述金属层240采用金属钛（Ti）。所述金属层240设于所述基板210的第二电极212上并完全包覆所述第二绝缘层232的侧表面。所述金属层240的厚度均匀。所述金属层240呈一中空六棱柱体结构，其横截面为一正六边形环，纵截面为分列所述第二绝缘层232两侧的二矩形。所述金属层240的高度等于所述第二绝缘层232的高度。所述金属层240完全覆盖所述基板210的第二电极212，即所述金属层240的横截面尺寸与所述基板210的第二电极212的横截面尺寸相等。所述金属层240与所述预生长层220之间借由所述第二绝缘层232相互绝缘。所述金属层240与所述基板210的第二电极212直接电性连接。
与单晶粒200的所述基板210相对应，二相邻所述单晶粒200的金属层240之间也共用一部分金属层240，即金属层240的其中一面金属与其相邻的另一单晶粒200的所述金属层240的对应金属相重合。
所述发光结构250呈一六棱椎体结构，该椎体结构设于所述预生长层220上，且完全覆盖所述预生长层220、绝缘层230和金属层240。所述发光结构250包括依次磊叠生长的一第一半导体层251、一有源层252和一第二半导体层253。
请同时参见图6，所述第一半导体层251为一N型半导体层。在本实施例中，所述第一半导体层251采用与所述预生长层220相同的材料制成，即氮化镓（GaN）。所述第一半导体层251填充所述第一绝缘层230形成的窗口2311并同时向上凸起成锥体结构。该椎体呈一六棱椎体，其横截面为一正六边形，纵截面为一等腰三角形。该椎体的底面尺寸与所述基板210的第一电极211的横截面尺寸相等。所述第一半导体层251通过所述预生长层220与所述基板210的第一电极211电性连接。
所述有源层252是自所述第一半导体层251的表面外延生长而成。所述有源层252的厚度均匀。所述有源层252的纵截面为倒扣于所述第一半导体层251外表面的一V形。所述有源层252的底面贴附所述绝缘层230，且其底面尺寸介于第二绝缘层232的横截面的内环尺寸和外环尺寸之间。在本实施例中，所述有源层252完全覆盖所述第一半导体层251的外表面和所述第一绝缘层231，并部分覆盖所述第二绝缘层232。所述有源层252包括可至少一量子井和至少二量子能障。量子井和量子能障相互间隔层叠，且每一量子井由二量子能障夹设其中。在本实施例中，所述有源层252包括三层结构：一所述量子井2521和分设所述量子井2521内外表面的二量子能障2522。所述有源层252与所述预生长层220之间借由所述第一绝缘层231避免直接电导通。所述有源层252与所述金属层240之间通过所述第二绝缘层232阻隔以避免二者直接电导通。
所述第二半导体层253为一P型半导体层。在本实施例中，所述第二半导体层253采用氮化镓（GaN）制成。所述第二半导体层253的厚度均匀。所述第二半导体层253形成于所述有源层252上，其纵截面为倒扣于所述有源层252外表面的一V形。所述第二半导体层253的底面贴附所述第二绝缘层232和金属层240。所述第二半导体层253的底面外环尺寸等于所述金属层240的横截面的外环尺寸。所述第二半导体层253的底面内环尺寸介于第二绝缘层232的横截面的内环尺寸和外环尺寸之间。在本实施例中，所述第二半导体层253完全覆盖所述有源层252的表面和所述金属层240，并部分覆盖所述第二绝缘层232。所述第二半导体层253通过所述金属层240与所述基板210的第二电极212电性连接。
与单晶粒200的所述基板210和金属层240相对应，二相邻所述单晶粒200的第二半导体层253之间也共用一部分半导体层，即第二半导体层253的其中一部分半导体层与其相邻的另一单晶粒200的所述第二半导体层253的对应半导体层相重合。
相比于现有技术，本发明的发光二极管晶粒100是由若干单晶粒200组成，每一单晶粒200的第一电极211和第二电极212均设于所述基板210上，且位于所述第一半导体层251和所述第二半导体才253的下方。如此，当电流注入时，电流只有一条路线可走，即，电流从第二电极212经金属层240流入第二半导体层253直至其椎体尖部；接着在发光结构250内自所述第二半导体层253流向所述第一半导体层251；然后经预生长层220流入第一电极211以形成回路。因发光结构250的椎体尖部的缺陷密度最大，本发明的结构有效地避免了电流单从其椎体尖部注入，从而可以有效地避免漏电现象的产生。同时，因电流注入时电流会流经整个发光结构250，有效地增加了所述单晶粒200的光取出面积，从而提升整个发光二极管晶粒100的光取出面积。
本发明还提供了一种上述发光二极管晶粒100的制作方法。
图4为本发明的上述发光二极管晶粒100的制作流程图。
请参见图2，本发明的上述发光二极管晶粒100的制作方法包括以下步骤：
S1提供一衬底，在衬底一侧外延磊叠生长一缓冲层、一掺杂层和一预生长层；
S2在所述预生长层上形成一第一绝缘层并开设若干均匀分布的窗口；
S3在所述窗口上生长一发光结构；
S4提供一辅助基板，将上述结构倒扣地固定于辅助基板上，并移除所述衬底，同时蚀刻掉所述缓冲层和掺杂层直至预生长层；
S5蚀刻所述预生长层和第一绝缘层直至第二半导体层；
S6在保留的预生长层外围形成一第二绝缘层，并镀上一金属层；
S7提供一具有第一电极和第二电极的基板，将上述结构倒置于所述基板上，并移除所述辅助基板。
请参见图5，提供一衬底310。在本实施例，所述衬底310可采用平面蓝宝石基板。可以理解的，在其它实施例中，所述衬底310也可以采用其它材料，具有其它的形状。在所述衬底310上外延生长一缓冲层320。所述缓冲层20为低温生长的一半导体层，在本实施例中，所述缓冲层20采用氮化镓（GaN）。所述缓冲层320完全覆盖所述衬底310。在所述缓冲层320上外延生长一掺杂层330。在本实施例中，所述掺杂层330为一氮化镓（GaN）半导体掺杂层。所述掺杂层330完全覆盖所述缓冲层320。在所述掺杂层330上外延生长一预生长层340。所述预生长层340为一N型半导体层，所述预生长层340采用氮化镓（GaN）材料。所述预生长层340完全覆盖所述掺杂层330。
然后在所述预生长层340上形成一第一绝缘层350并开设若干均匀分布的窗口2311。所述第一绝缘层350采用二氧化硅（SiO2）材料。在本实施例中，所述窗口2311呈圆洞形。所述窗口2311按照上述单晶粒200排列规则周期性排列。在本实施例中，每一窗口2311都被6个相同的其它窗口2311均匀环绕。该窗口2311的直径介于2~5um，相邻二窗口2311之间的距离介于0.5~1.5 um。在本实施例中，所述窗口2311的直径约为3 um，相邻二窗口2311之间的距离约为1 um。
在本实施例中，可采用以下方法得到图5所示结构：先在所述预生长层340的顶面部分区域上铺设若干均匀分布的光阻圆，该光阻圆的厚度约100nm。该光阻圆的位置即所述窗口2311的位置。接着在所述预生长层340和所述光阻圆上形成一层二氧化硅（SiO2）。该二氧化硅层完全覆盖所述预生长层340和光阻圆。所述二氧化硅层的厚度与所述光阻圆的厚度相等。移除所述光阻圆和覆盖在所述光阻圆上的二氧化硅层，保留覆盖在所述预生长层340上的二氧化硅层以形成所述第一绝缘层350，原光阻圆所在区域即形成所述窗口2311。在其它实施例中，也可采用其它方法得到上述结构。
请参见图6，在所述窗口2311上生长上述单晶粒200的发光结构250。在所述窗口2311的底部外延生长上述第一半导体层251。所述第一半导体251在生长时以所述窗口2311的底面为基底，竖直向上生长，且其竖直生长速度大于其水平生长速度。通过改变其生长条件直至形成上述第一半导体层251的六棱椎体结构。因所述第一半导体251在竖直方向生长的同时，水平方向也会生长，故其底部会完全填充所述窗口2311并继续外延生长以形成上述第一半导体251的锥形凸起结构。
在所述第一半导体层251的锥形表面上继续外延生长上述单晶粒200的有源层252和第二半导体层253。所述有源层252的厚度均匀，且完全覆盖所述第一半导体层251的表面，并部分覆盖所述第一绝缘层350。所述第二半导体层253的厚度均匀，且完全覆盖所述有源层252，并部分覆盖所述第一绝缘层350。
请参见图7，提供一辅助基板380，所述辅助基板380可采用硅（Si）基板，铜（Cu）基板或钨化铜（CuW）基板等。在本实施例中，所述辅助基板380采用硅基板。利用胶体390将图6所示结构倒扣的固定于所述辅助基板380一侧。然后采用激光剥离技术移除所述衬底310，并采用微影蚀刻技术蚀刻所述缓冲层320和掺杂层330直至所述预生长层340。
然后采用微影蚀刻技术蚀刻所述预生长层340以形成上述单晶粒200的预生长层220：在所述预生长层340的部分区域上镀上若干光阻片360。所述光阻片360呈正六边形。所述光阻片360按照上述单晶粒200的排列规则周期性排列。在本实施例中，每一光阻片360都被6个相邻的其它光阻片360均匀环绕。所述光阻片360的尺寸介于所述有源层252的底面的内环尺寸和外环尺寸之间。蚀刻掉所述预生长层340和所述第一绝缘层350未被所述光阻片360覆盖的区域直至所述发光结构250。保留被所述光阻片360覆盖的所述预生长层340和所述第一绝缘层350。
蚀刻完成后，如图8所示，保留的部分所述预生长层340形成上述单晶粒200的预生长层220，保留的部分所述第一绝缘层350形成上述单晶粒200的第一绝缘层231。
请参见图8，在所述预生长层220和第一绝缘层231的外围形成上述第二绝缘层232和金属层240。在本实施例中，可采用以下方法得到上述结构：在所述发光结构250的第二半导体层253上镀上一光阻层，该光阻层呈一中空六棱柱体，其很横截面为一正六边形环，纵截面为分列所述预生长层220和第一绝缘层231两侧的二矩形。该光阻层的外环尺寸等于所述第二半导体层253的外环尺寸。该光阻层的内环尺寸介于所述第二半导体层253的内环尺寸和外环尺寸之间。该光阻层的高度高于所述预生长层220的高度。然后在该光阻层和所述预生长层220之间形成一层二氧化硅以形成上述第二绝缘层232。所述第二绝缘层232的高度等于所述预生长层220的高度。接着移除该光阻层，并在该光阻层原所在位置镀上一层金属钛（Ti）以形成上述金属层240。所述金属层240的高度等于所述第二绝缘层232的高度。在其它实施例中，也可采用其它方法得到上述结构。
提供一上述基板210，移除图8中的所述光阻片360，利用共晶焊接的方式将得到的结构倒置于所述基板210上。固定后所述预生长层220覆盖所述第一电极211和部分绝缘部213，所述第二绝缘层232覆盖部分绝缘部213，所述金属层240完全覆盖所述第二电极212。
最后移除所述辅助基板380和胶体390。
如此，本发明的所述发光二极管晶粒100制作完毕，如图1和图2所示。
可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种发光二极管晶粒，包括一基板，依次设于基板上的一预生长层和一发光结构，其特征在于：所述基板包括一第一电极，一包覆第一电极的第二电极和一设于第一电极和第二电极之间的绝缘部，所述第一电极位于所述预生长层下方；所述发光二极管晶粒还包括一绝缘层和一金属层，所述金属层形成于所述第二电极上，所述绝缘层包括相垂直的一第一绝缘层和一第二绝缘层，所述第一绝缘层设于所述预生长层和所述发光结构之间，用以隔绝所述预生长层和所述发光结构之间的直接电导通；所述第二绝缘层设于所述金属层和所述预生长层之间，用以隔绝所述金属层和所述预生长层之间的直接电导通；所述第二电极通过所述金属层与所述发光结构电导通，所述第一电极通过所述预生长层与所述发光结构电导通。
2.如权利要求1所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述第一绝缘层水平设于所述预生长层上表面的外缘，并于所述预生长层的中央正上方形成一窗口；所述第二绝缘层竖直设于所述绝缘部上并包覆所述预生长层和第一绝缘层。
3.如权利要求2所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述发光结构呈一六棱椎体结构，从内向外依次为第一半导体层、有源层和第二半导体层。
4.如权利要求3所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述第一半导体层填充所述第一绝缘层的窗口，并继续外延形成锥形凸起；所述有源层和第二半导体层的底面位于同一平面，且该平面贴附于所述绝缘层和金属层上。
5.如权利要求3所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述第一半导体层覆盖所述预生长层，所述预生长层完全覆盖所述基板的第一电极，所述第一半导体层通过所述预生长层与所述基板的第一电极电性连接。
6.如权利要求3所述的发光二极管晶粒，其特征在于：所述第二半导体层完全覆盖所述金属层，所述金属层完全覆盖所述基板的第二电极，所述第二半导体层通过所述金属层与所述基板的第二电极电性连接。
7.一种如权利要求1-6中任意一所述发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
提供一衬底，在衬底一侧外延磊叠生长一缓冲层、一掺杂层和一预生长层；
在所述预生长层上形成一第一绝缘层并开设若干均匀分布的窗口；
在所述窗口上生长一发光结构，所述发光结构包括依次磊叠的一第一半导体层、一有源层和一第二半导体层，其中，所述第一绝缘层形成于所述预生长层和所述发光结构之间；
提供一辅助基板，将上述结构倒扣地固定于辅助基板上，并移除所述衬底，同时蚀刻掉所述缓冲层和掺杂层直至预生长层；
蚀刻所述预生长层和第一绝缘层直至第二半导体层；
在保留的预生长层外围形成一第二绝缘层，并镀上一金属层，其中，所述第二绝缘层与所述第一绝缘层相垂直，所述第二绝缘层形成于所述金属层和所述预生长层之间；
提供一具有第一电极和第二电极的基板，将上述结构倒置于所述基板上，并移除所述辅助基板。
8.如权利要求7所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于：在移除所述衬底时采用激光剥离技术。
9.如权利要求7所述的发光二极管晶粒的制造方法，其特征在于：所述蚀刻均采用微影蚀刻技术。
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