CN106098888A - 一种发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents

一种发光二极管芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管芯片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述LED芯片包括衬底、以及依次层叠在衬底的第一表面的N型层、发光层、P型层，P型层上设有延伸至N型层的凹槽，P型层上依次层叠有电流阻挡层、透明导电层、P型电极，N型层上设有N型电极，N型层、凹槽的侧壁和透明导电层上覆盖有钝化层，衬底的第二表面设有反射层，衬底的第二表面为与衬底的第一表面相反的表面，LED芯片的侧面与LED芯片的底面的夹角大于90°且小于180°，LED芯片的底面为反射层的表面，LED芯片的侧面为LED芯片的底面的相邻表面。本发明可以提高LED的出光效率。

Description

一种发光二极管芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
GaN基发光二极管(Light Emitting Diodes，简称LED)作为固态照明光源，具有节能、环保、可靠性高、寿命长等优点，广泛应用于照明、信号显示、背光源、车灯和大屏幕显示等领域，是目前研究的热点。
现有的LED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型层上设有延伸至N型层的凹槽，N型层上设有N型电极，P型层上设有P型电极。
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：
GaN的折射率和空气的折射率相差很大，从芯片发光层发出的光，仅有一部分光可以从器件内部射出，大部分光都被限制在GaN内，导致LED的出光效率较低。
发明内容
为了解决现有技术LED的出光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种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发光二极管LED芯片，所述LED芯片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底的第一表面的N型层、发光层、P型层，所述P型层上设有延伸至所述N型层的凹槽，所述P型层上依次层叠有电流阻挡层、透明导电层、P型电极，所述N型层上设有N型电极，所述N型层、所述凹槽的侧壁和所述透明导电层上覆盖有钝化层，所述衬底的第二表面设有反射层，所述衬底的第二表面为与所述衬底的第一表面相反的表面，所述LED芯片的侧面与所述LED芯片的底面的夹角大于90°且小于180°，所述LED芯片的底面为所述反射层的表面，所述LED芯片的侧面为所述LED芯片的底面的相邻表面。
可选地，所述LED芯片的侧面与所述LED芯片的底面的夹角为110°～130°。
优选地，所述LED芯片的侧面与所述LED芯片的底面的夹角为125°。
可选地，所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
可选地，所述反射层为分布式布拉格反射镜DBR或全方位反射镜ODR。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管LED芯片的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底的第一表面依次生长N型层、发光层、P型层；
在所述P型层上开设延伸至所述N型层的凹槽；
在所述凹槽内形成延伸至衬底的切割道，所述切割道的侧壁与所述衬底的第一表面的夹角大于0°且小于90°；
在所述P型层上依次形成电流阻挡层、透明导电层、P型电极，在所述N型层上形成N型电极，并在所述透明导电层、所述凹槽的侧壁和所述N型层上覆盖钝化层；
减薄所述衬底的厚度；
在所述衬底的第二表面设置反射层，所述衬底的第二表面为与所述衬底的第一表面相反的表面；
利用双束激光器分别沿所述切割道的两个侧壁的对所述衬底进行激光切割，切割的深度为所述衬底厚度的1/3～1/2；
利用双刀刃劈刀分别沿双束激光切割的方向进行劈裂，得到若干独立的LED芯片；
抽取双刀刃之间的空气，所述双刀刃在大气压力的作用下夹紧残留的所述衬底；
移走所述LED芯片；
向所述双刀刃之间输送空气，所述双刀刃松开，残留的所述衬底在重力的作用下落入下方。
可选地，所述双刀刃分别与气囊连接，所述气囊的输气口与气泵的一个输气口连通，所述气泵的另一个输入口与空气连通。
可选地，所述制备方法还包括：
对所述LED芯片进行测试；
根据测试结果对所述LED芯片归类放置。
可选地，所述LED芯片的侧面与所述LED芯片的底面的夹角为110°～130°。
可选地，所述LED芯片的侧面与所述LED芯片的底面的夹角为125°。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过LED芯片的侧面与LED芯片的底面的夹角大于90°且小于180°，LED芯片的底面为反射层的表面，LED芯片的侧面为LED芯片的底面的相邻表面，LED芯片呈倒梯形结构，一方面增大芯片侧壁的出光面积，另一方面改变光线的出光角度，发光层产生的光的入射角度容易满足临界角要求而射出，避免光线限制在GaN内被损耗，提高LED的出光效率。
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LED芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的衬底的侧面和底面的夹角的示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种LED芯片的制备方法的流程图；
图4是本发明实施例二提供的激光切割的示意图；
图5是本发明实施例二提供的双刀刃劈刀的结构示意图。
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LED芯片，参见图1，该LED芯片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1的第一表面的N型层2、发光层3、P型层4，P型层4上设有延伸至N型层2的凹槽100，P型层4上依次层叠有电流阻挡层5、透明导电层6、P型电极7，N型层2上设有N型电极8，N型层2、凹槽100的侧壁和透明导电层6上覆盖有钝化层9，衬底1的第二表面设有反射层10，衬底1的第二表面为与衬底1的第一表面相反的表面。
在本实施例中，LED芯片的侧面与LED芯片的底面的夹角大于90°且小于180°，LED芯片的底面为反射层10的表面，LED芯片的侧面为LED芯片的底面的相邻表面。
可选地，LED芯片的侧面与LED芯片的底面的夹角可以为110°～130°。
优选地，LED芯片的侧面与LED芯片的底面的夹角可以为125°。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
在实际应用中，光从衬底向外出射的临界角按照如下公式计算：
θ＝arcsin(1/n)；
其中，θ为临界角，n为衬底的折射率。
容易知道，蓝宝石衬底的折射率为1.762～1.77，硅衬底的折射率为3.42，氮化硅衬底的折射率为2.648～2.6767，因此蓝宝石衬底的临界角θ为35°，硅衬底的临界角θ为17°，氮化硅衬底的临界角θ为22°。
参见图2，蓝宝石衬底的临界角余角α为55°，氮化硅衬底的折射率临界角余角α为73°，硅衬底的临界角余角为68°。由于临界角下，反射光最少，折射光最大，性能最好，因此蓝宝石衬底的侧面和底面的最优夹角β为125°，氮化硅衬底的侧面和底面的最优夹角β为107°，硅衬底的侧面和底面的最优夹角β为112°。由于材料折射率与温度和波长有关，且入射光的角度也是杂乱无章的，因此本实施例中将衬底的侧面和底面的夹角限定为110°～130°。
可选地，反射层10可以为分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflection，简称DBR)或全方位反射镜(Omni-Directional Reflector，简称ODR)。
具体地，N型层2为N型GaN层，发光层3包括交替层叠的InGaN层和GaN层，P型层4为P型GaN层，电流阻挡层5为SiO2层，透明导电层6为氧化铟锡(Indium Tin Oxides，简称ITO)层，P型电极7为Cr、Pt、Au、Ti、Ni、Al、Mo、Pd中的多种材料依次层叠而成，N型电极8为Cr、Pt、Au、Ti、Ni、Al、Mo、Pd中的多种材料依次层叠而成，钝化层9为SiO2层。
本发明实施例通过LED芯片的侧面与LED芯片的底面的夹角大于90°且小于180°，LED芯片的底面为反射层的表面，LED芯片的侧面为LED芯片的底面的相邻表面，LED芯片呈倒梯形结构，一方面增大芯片侧壁的出光面积，另一方面改变光线的出光角度，发光层产生的光的入射角度容易满足临界角要求而射出，避免光线限制在GaN内被损耗，提高LED的出光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种LED芯片的制备方法，参见图3，该方法包括：
步骤201：在衬底的第一表面依次生长N型层、发光层、P型层。
在本实施例中，衬底可以为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底，N型层为N型GaN层，发光层包括交替层叠的InGaN层和GaN层，P型层为P型GaN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-organic Chemical VaporDeposition，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型层上开设延伸至N型层的凹槽。
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(Inductive Coupled Plasma，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型层的凹槽；
去除光刻胶。
步骤203：在凹槽内形成延伸至衬底的切割道。
在本实施例中，切割道的侧壁与衬底的第一表面的夹角大于0°且小于90°。
具体地，该步骤203可以包括：
在凹槽内涂覆光刻胶；
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，先采用ICP技术刻蚀N型层，再用腐蚀溶液对N型层进行腐蚀，形成从P型层延伸到N型层的切割道；
去除光刻胶。
步骤204：在P型层上依次形成电流阻挡层、透明导电层、P型电极，在N型层上形成N型电极，并在透明导电层、凹槽的侧壁和N型层上覆盖钝化层。
在本实施例中，电流阻挡层为SiO2层，透明导电层为ITO层，P型电极为Cr、Pt、Au、Ti、Ni、Al、Mo、Pd中的多种材料依次层叠而成，N型电极为Cr、Pt、Au、Ti、Ni、Al、Mo、Pd中的多种材料依次层叠而成，钝化层为SiO2层。
具体地，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(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，简称PECVD)技术沉积电流阻挡层；
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。
具体地，形成透明导电层，可以包括：
采用采用电子束蒸镀或磁控溅射技术形成透明导电层；
在透明导电层上涂覆光刻胶；
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，刻蚀透明导电层，形成设定图形的透明导电层；
去除光刻胶。
具体地，形成钝化层，包括：
采用PECVD、常压化学气相淀积(APCVD)或原子层沉积(Atomic LayerDeposition，简称ALD)技术在透明导电层、N型层、以及凹槽侧壁上沉积钝化层；
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。
具体地，形成P型电极和N型电极，可以包括：
采用电子束蒸镀或磁控溅射等技术在透明导电层上形成金属层；
剥离光刻胶，形成P型电极和N型电极。
步骤205：减薄衬底的厚度。
具体地，减薄后的衬底的厚度为80～200μm。
步骤206：在衬底的第二表面设置反射层。
在本实施例中，衬底的第二表面为与衬底的第一表面相反的表面。
在本实施例中，反射层为DBR或ODR。
具体地，该步骤206可以包括:
采用光学镀膜方式在衬底底部形成一层或多层高反射膜。
步骤207：利用双束激光器分别沿切割道的两个侧壁的对衬底进行激光切割。
在本实施例中，切割的深度为衬底厚度的1/3～1/2，如图4所示。
步骤208：利用双刀刃劈刀分别沿双束激光切割的方向进行劈裂，得到若干独立的LED芯片。
可选地，LED芯片的侧面与LED芯片的底面的夹角可以为110°～130°。
优选地，LED芯片的侧面与LED芯片的底面的夹角可以为125°。
步骤209：抽取双刀刃之间的空气，双刀刃在大气压力的作用下夹紧残留的衬底。
在具体实现中，参见图5，双刀刃401分别与气囊402连接，气囊402的输气口与气泵403的一个输气口连通，气泵403的另一个输入口与空气连通。其中，双刀刃401设置在击锤404的下方。
步骤210：移走LED芯片。
步骤211：向双刀刃之间输送空气，双刀刃松开，残留的衬底在重力的作用下落入下方。
在本实施例的一种实现方式中，该制备方法还可以包括：
对LED芯片进行测试；
根据测试结果对LED芯片归类放置。
具体地，将通过测试的LED芯片放置在一起。
本发明实施例通过LED芯片的侧面与LED芯片的底面的夹角大于90°且小于180°，LED芯片的底面为反射层的表面，LED芯片的侧面为LED芯片的底面的相邻表面，LED芯片呈倒梯形结构，一方面增大芯片侧壁的出光面积，另一方面改变光线的出光角度，发光层产生的光的入射角度容易满足临界角要求而射出，避免光线限制在GaN内被损耗，提高LED的出光效率。
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)

1.一种发光二极管LED芯片，所述LED芯片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底的第一表面的N型层、发光层、P型层，所述P型层上设有延伸至所述N型层的凹槽，所述P型层上依次层叠有电流阻挡层、透明导电层、P型电极，所述N型层上设有N型电极，所述N型层、所述凹槽的侧壁和所述透明导电层上覆盖有钝化层，所述衬底的第二表面设有反射层，所述衬底的第二表面为与所述衬底的第一表面相反的表面，其特征在于，所述LED芯片的侧面与所述LED芯片的底面的夹角大于90°且小于180°，所述LED芯片的底面为所述反射层的表面，所述LED芯片的侧面为所述LED芯片的底面的相邻表面。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片的侧面与所述LED芯片的底面的夹角为110°～130°。
3.根据权利要求2所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片的侧面与所述LED芯片的底面的夹角为125°。
4.根据权利要求1-3任一项所述的LED芯片，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
5.根据权利要求1-3任一项所述的LED芯片，其特征在于，所述反射层为分布式布拉格反射镜DBR或全方位反射镜ODR。
6.一种发光二极管LED芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底的第一表面依次生长N型层、发光层、P型层；
在所述P型层上开设延伸至所述N型层的凹槽；
在所述凹槽内形成延伸至衬底的切割道，所述切割道的侧壁与所述衬底的第一表面的夹角大于0°且小于90°；
在所述P型层上依次形成电流阻挡层、透明导电层、P型电极，在所述N型层上形成N型电极，并在所述透明导电层、所述凹槽的侧壁和所述N型层上覆盖钝化层；
减薄所述衬底的厚度；
在所述衬底的第二表面设置反射层，所述衬底的第二表面为与所述衬底的第一表面相反的表面；
利用双束激光器分别沿所述切割道的两个侧壁的对所述衬底进行激光切割，切割的深度为所述衬底厚度的1/3～1/2；
利用双刀刃劈刀分别沿双束激光切割的方向进行劈裂，得到若干独立的LED芯片；
抽取双刀刃之间的空气，所述双刀刃在大气压力的作用下夹紧残留的所述衬底；
移走所述LED芯片；
向所述双刀刃之间输送空气，所述双刀刃松开，残留的所述衬底在重力的作用下落入下方。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述双刀刃分别与气囊连接，所述气囊的输气口与气泵的一个输气口连通，所述气泵的另一个输入口与空气连通。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
对所述LED芯片进行测试；
根据测试结果对所述LED芯片归类放置。
9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述LED芯片的侧面与所述LED芯片的底面的夹角为110°～130°。
10.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述LED芯片的侧面与所述LED芯片的底面的夹角为125°。
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