CN105789404A - 一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述GaN基发光二极管芯片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的N型层、发光层、P型层，P型层上设有从P型层延伸到N型层的台阶，P型层上依次设有电流阻挡层、电流扩展层、P型电极，N型层上设有N型电极，钝化层覆盖在N型层、电流扩展层、以及台阶的侧壁上，GaN基发光二极管芯片还包括设置在台阶的侧壁和钝化层之间的光学增透膜，光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和钝化层的折射率之间。本发明通过在台阶的侧壁和钝化层之间设置光学增透膜，光学增透膜和钝化层组成双层增透膜，可以增大光的出射范围，提高LED芯片的亮度和光提取效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)发光效率高、寿命长，是最有潜力的下一代照明光源。近年来，LED已在日常生活中得到广泛应用，例如照明、信号显示、背光源、车灯和大屏幕显示等领域，同时这些应用也对LED芯片的亮度、发光效率提出了越来越高的要求。
LED芯片是LED的核心组件，GaN基LED芯片一般包括衬底、以及依次层叠在衬底上的N型层、发光层、P型层，P型层上设有从P型层延伸到N型层的台阶，P型层上依次设有电流阻挡层、电流扩展层、P型电极，N型层上设有N型电极，钝化层覆盖在N型层、电流扩展层、以及台阶的侧壁上。电流扩展层和钝化层均为增透膜，发光层发出的光可通过增透膜透射出去。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
发光层发出的光往往不是单色的，具有一定的频宽，同时一种增透膜只对某一波长的单色光有完全增透的作用，当发光层发出的光从台阶侧壁射出时，由于台阶侧壁只覆盖有钝化层一种增透膜，因此透过增透膜透射出去的光较少，LED芯片亮度和光提取效率较低。
发明内容
为了解决现有技术LED芯片亮度和光提取效率较低的问题，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片，所述GaN基发光二极管芯片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的N型层、发光层、P型层，所述P型层上设有从所述P型层延伸到所述N型层的台阶，所述P型层上依次设有电流阻挡层、电流扩展层、P型电极，所述N型层上设有N型电极，钝化层覆盖在所述N型层、所述电流扩展层、以及所述台阶的侧壁上，所述GaN基发光二极管芯片还包括设置在所述台阶的侧壁和所述钝化层之间的光学增透膜，所述光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和所述钝化层的折射率之间。
可选地，所述光学增透膜的折射率为1.5～2.5。
可选地，所述光学增透膜的材料采用SiN或SiON。
可选地，所述光学增透膜的厚度为所述发光层发出的光在所述光学增透膜中波长的四分之一的奇数倍。
可选地，所述光学增透膜的边缘与所述台阶的侧壁中心的间距为5～10μm。
另一方面，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底上依次生长N型层、发光层、P型层；
在所述P型层上设置从所述P型层延伸到所述N型层的台阶；
在所述P型层上形成电流阻挡层和电流扩展层；
在所述台阶的侧壁形成光学增透膜；
在所述电流扩展层上设置P型电极，在所述N型层上设置N型电极；
在所述电流扩展层、所述N型层、所述台阶的侧壁、以及所述光学增透膜上形成钝化层，所述光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和所述钝化层的折射率之间。
可选地，所述光学增透膜的折射率为1.5～2.5。
可选地，所述光学增透膜的材料采用SiN或SiON。
可选地，所述光学增透膜的厚度为所述发光层发出的光在所述光学增透膜中波长的四分之一的奇数倍。
可选地，所述光学增透膜的边缘与所述台阶的中心的侧壁间距为5～10μm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在台阶的侧壁和钝化层之间设置光学增透膜，光学增透膜和钝化层组成双层增透膜，可以增大光的出射范围，而且光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和钝化层的折射率之间，可以缓冲GaN和钝化层之间较大的折射率差距，减少发光层产生的光在不同折射率材料界面全反射，提高LED芯片的亮度和光提取效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例一提供的一种GaN基发光二极管芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种GaN基发光二极管芯片的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片，参见图1，该GaN基发光二极管芯片包括衬底1、依次层叠在衬底1上的N型层2、发光层3、P型层4，P型层4上设有从P型层4延伸到N型层2的台阶100，P型层4上依次设有电流阻挡层5、电流扩展层6、P型电极7，N型层2上设有N型电极8，台阶100的侧壁上设有光学增透膜9，钝化层10覆盖在N型层2、电流扩展层6、光学增透膜9、以及台阶100的侧壁上。
在本实施例中，光学增透膜9的折射率介于GaN的折射率和钝化层10的折射率之间。
具体地，衬底1为蓝宝石衬底，N型层2为N型GaN层，发光层3为交替层叠的InGaN层和GaN层，P型层4为P型GaN层，电流阻挡层5为SiO2层，电流扩展层6为氧化铟锡(IndiumTinOxide，简称ITO)，P型电极7和N型电极8为金属层。
可选地，光学增透膜9的折射率可以为1.5～2.5。由于GaN的折射率为2.5，SiO2的折射率为1.46，选用折射率为1.5～2.5的光学增透膜，可以满足光学增透膜9的折射率介于GaN的折射率和钝化层10的折射率之间。
优选地，光学增透膜9的材料可以采用SiN或SiON。SiN的折射率为1.8～2.2，SiON的折射率为1.5～1.9，均可以实现折射率为1.5～2.5的光学增透膜9。
可选地，光学增透膜9的厚度可以为发光层3发出的光在光学增透膜9中波长的四分之一的奇数倍。实验证明，当光学增透膜9的厚度为发光层3发出的光在光学增透膜9中波长的四分之一的奇数倍时，发射光相干相消，折射光最强，因此将光学增透膜9的厚度设计为发光层3发出的光在光学增透膜9中波长的四分之一的奇数倍，可以使发光层发出的光最大程度地从增透膜透射出去，将LED芯片亮度和光提取效率提升到最高。
可选地，光学增透膜9的边缘与台阶100的侧壁中心的间距可以为5～10μm，在确保增加从台阶100的侧壁出射的光的情况下，减少光学增透膜9的使用，降低实现成本。
在实际应用中，电流阻挡层5设置在P型电极的下方，电流阻挡层5可以改变电流流向，避免电流集中在P型电极7的下方。
本发明实施例通过在台阶的侧壁和钝化层之间设置光学增透膜，光学增透膜和钝化层组成双层增透膜，可以增大光的出射范围，而且光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和钝化层的折射率之间，可以缓冲GaN和钝化层之间较大的折射率差距，减少发光层产生的光在不同折射率材料界面全反射，提高LED芯片的亮度和光提取效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的制备方法，参见图2，该制备方法包括：
步骤201：在衬底上依次生长N型层、发光层、P型层。
具体地，该步骤201可以包括：
利用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organicChemicalVaporDeposition，简称MOCVD)设备在衬底上依次生长N型层、发光层、P型层。
可选地，在该步骤201之后，该制备方法还可以包括：
用王水和511溶液将N型层、发光层、P型层形成的外延片表面清洗干净。
其中，511溶液为容量比为5:1:1的H2SO4、H2O2、H2O的混合液。
步骤202：在P型层上设置从P型层延伸到N型层的台阶。
具体地，该步骤202可以包括：
在P型层上涂覆光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，采用感应耦合等离子体刻蚀(InductiveCoupledPlasma，简称ICP)技术刻蚀P型层、发光层、N型层，形成从P型层延伸到N型层的台阶；
去除光刻胶。
步骤203：在P型层上形成电流阻挡层和电流扩展层。
具体地，在P型层上形成电流阻挡层，可以包括：
采用等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，简称PECVD)技术在P型层、N型层、以及台阶的侧壁上沉积电流阻挡层；
在电流阻挡层上涂覆光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，刻蚀电流阻挡层，形成设定图形的电流阻挡层；
去除光刻胶。
可选地，在P型层上形成电流扩展层，可以包括：
在电流阻挡层、P型层、N型层、以及台阶的侧壁上沉积电流扩展层；
在电流扩展层上涂覆光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，刻蚀电流扩展层，形成设定图形的电流扩展层；
去除光刻胶。
步骤204：在台阶的侧壁形成光学增透膜。
具体地，该步骤204可以包括：
采用PECVD技术在电流扩展层、N型层、以及台阶的侧壁上形成光学增透膜；
在光学增透膜上涂覆光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，刻蚀光学增透膜，形成设定图形的光学增透膜；
去除光刻胶。
步骤205：在电流扩展层上设置P型电极，在N型层上设置N型电极。
具体地，该步骤205可以包括：
采用电子束蒸发技术在电流扩展层上形成金属层；
采用剥离技术形成P型电极和N型电极。
步骤206：在电流扩展层、N型层、台阶的侧壁、以及光学增透膜上形成钝化层。
具体地，该步骤206可以包括：
在电流扩展层、N型层、以及台阶的侧壁上沉积钝化层；
在钝化层上涂覆光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，刻蚀钝化层，形成设定图形的钝化层；
去除光刻胶。
在本实施例中，光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和钝化层的折射率之间。
具体地，衬底为蓝宝石衬底，N型层为N型GaN层，发光层为交替层叠的InGaN层和GaN层，P型层为P型GaN层，电流阻挡层为SiO2层，电流扩展层为ITO，P型电极和N型电极为金属层。
可选地，光学增透膜的折射率可以为1.5～2.5。
优选地，光学增透膜的材料可以采用SiN或SiON。
可选地，光学增透膜的厚度可以为发光层发出的光在光学增透膜中波长的四分之一的奇数倍。
可选地，光学增透膜的边缘与台阶的侧壁中心的间距可以为5～10μm。
本发明实施例通过在台阶的侧壁和钝化层之间设置光学增透膜，光学增透膜和钝化层组成双层增透膜，可以增大光的出射范围，而且光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和钝化层的折射率之间，可以缓冲GaN和钝化层之间较大的折射率差距，减少发光层产生的光在不同折射率材料界面全反射，提高LED芯片的亮度和光提取效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基发光二极管芯片，所述GaN基发光二极管芯片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的N型层、发光层、P型层，所述P型层上设有从所述P型层延伸到所述N型层的台阶，所述P型层上依次设有电流阻挡层、电流扩展层、P型电极，所述N型层上设有N型电极，钝化层覆盖在所述N型层、所述电流扩展层、以及所述台阶的侧壁上，其特征在于，所述GaN基发光二极管芯片还包括设置在所述台阶的侧壁和所述钝化层之间的光学增透膜，所述光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和所述钝化层的折射率之间。
2.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述光学增透膜的折射率为1.5～2.5。
3.根据权利要求2所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述光学增透膜的材料采用SiN或SiON。
4.根据权利要求1-3任一项所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述光学增透膜的厚度为所述发光层发出的光在所述光学增透膜中波长的四分之一的奇数倍。
5.根据权利要求1-3任一项所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述光学增透膜的边缘与所述台阶的侧壁中心的间距为5～10μm。
6.一种GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上依次生长N型层、发光层、P型层；
在所述P型层上设置从所述P型层延伸到所述N型层的台阶；
在所述P型层上形成电流阻挡层和电流扩展层；
在所述台阶的侧壁形成光学增透膜；
在所述电流扩展层上设置P型电极，在所述N型层上设置N型电极；
在所述电流扩展层、所述N型层、所述台阶的侧壁、以及所述光学增透膜上形成钝化层，所述光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和所述钝化层的折射率之间。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述光学增透膜的折射率为1.5～2.5。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述光学增透膜的材料采用SiN或SiON。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述光学增透膜的厚度为所述发光层发出的光在所述光学增透膜中波长的四分之一的奇数倍。
10.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述光学增透膜的边缘与所述台阶的中心的侧壁间距为5～10μm。
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