CN106876547A - 薄膜型发光二极管及其制作方法 - Google Patents

薄膜型发光二极管及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄膜型发光二极管及其制作方法，其采用图形化衬底进行外延生长，然后进行芯片制程中在衬底剥离过程中，使衬底图形的尖端从其衬底主体上断裂并保留在外延层上，从而在发光外延叠层的出光面上形成蓝宝石微透镜。所述薄膜型发光二极管包括发光外延叠层，所述发光外延叠层包含第一类型导体层、发光层和第二类型半导体层，其表面设有一系列由透明生长衬底构成的微透镜。

Description

薄膜型发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种半导体发光器件的制作方法，更具体地为一种薄膜型发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）具有低能耗、高寿命、稳定性好、体积小、响应速度快以及发光波长稳定等良好光电特性，被广泛应用于照明、家电、显示屏及指示灯等领域。
对于传统LED来说，有诸多因素限制了它的发光效率，例如：在外延生长方面，生长衬底与外延晶格失配导致内量子效率低下；在芯片方面，横向型LED芯片中常用蓝宝石、AlN等绝缘衬底，其导热率比较低导致PN结温度比较高；在光导出方面，半导体折射率与空气折射率差，抑制了光从半导体出射等。
为提升发光二极管发光效率，业内出现了多种方法，例如：利用图形化蓝宝石衬底进行外延生长，可以降低位错密度提高晶体质量，并提升光功率；采用激光剥离蓝宝石衬底制作垂直类的大功率发光二极管，可以改善横向结构的电流分布问题，也可以解决电极的遮光问题，从而提升LED的发光效率。
发明内容
本发明提供了一种薄膜型发光二极管及其制作方法，其采用图形化衬底进行外延生长，然后在衬底剥离过程中，使衬底图形的尖端从其衬底主体上断裂并保留在外延层上，从而在发光外延叠层的出光面上形成蓝宝石微透镜。
本发明的技术方案为：薄膜型发光二极管，包括发光外延叠层，所述发光外延叠层包含第一类型导体层、发光层和第二类型半导体层，具有相对的上表面和下面，所述发光层在电激发下辐射光线并向所述上表面射出，所述发光外延叠层的上表面设有一系列由透明生长衬底构成的微透镜。
优选地，所述薄膜型发光二极管还包括一支撑结构，其位于所述发光外延叠层的下表面，用于支撑和保护所述发光外延叠层。
在一些实施例，所述支撑结构为一导电基板，其通过一粘结层与所述发光外延叠层的下表面粘结，从而构成垂直型发光二极管。
在一些实施例中，所述支撑结构可以是一具有足够厚度的电极结构，该电极结构的厚度一般达50微米以上，以具有足够的强度以保护所述外延层，从而构成倒装型发光二极管，此时发光外延叠层的出面光上即可不用制作电极结构，可增加出光面积。
在一些实施例中，所述支撑结构还可以是具有良好散热性能的绝缘基板，其通过绝缘接合层与发光外延叠层的下表面接合，此时可在出光面上制作电极。
优选地， 所述微透镜呈上宽下窄状，其尺寸高度为0.5~3.0微米。
优选地， 所述微透镜侧面的锥度为30~85°。
优选地，所述微透镜离散分布，相邻微透镜之间的间距为1.0~6.0微米。
优选地，所述微透镜之远离所述发外外延叠层的端面为球面状。
优选地，所述发光层的发光波长为λ时，所述微透镜的尺寸为λ/4以上。
优选地，所述微透镜呈锥体状，其尺寸高度为0.5~3.0微米，中心间距1.0~6.0微米。
优选地，所述微透镜具有两个相对的端部，其中第一个端部嵌入所述发光外延叠层内，第二个端部高出所述发光外延叠层的上表面。
优选地，所述生长衬底为蓝宝石衬底或AlN衬底。
本发明同时提供了一种薄膜型发光二极管的制作方法，包括以下步骤：（1）提供图形化的透明衬底，其上表面具有一系列具有凸起结构；（2）在所述透明衬底的上表面上外延生长发光外延叠层，包括第一类型导体层、发光层和第二类型半导体层；（3）在所述发光外延叠层的表面上制作支撑结构；（4）移除所述透明衬底，裸露出部分发光外延叠层的表面，并使透明衬底的凸起结构从透明衬底的主体上断裂并保留在发光外延叠层上，从而在发光外延叠层表面上形成一系列由透明衬底的尖端组成的微透镜。
优选地，所述步骤（1）中凸起结构的高度为1~3微米，顶部具有尖端，中心间距1.0~6.0微米。
在一些实施例中，所述步骤（4）中采用激光剥离的方式剥离透明衬底，具体为将激光能量聚集到所述衬底凸起结构的某一厚度D，控制能量参数使所述透明衬底的凸起断裂并保留在发光外延叠层上。
优选地，所述步骤（4）中将激光能量聚集到距离所述衬底的凸起结构的顶部0.5~3.0微米厚度的位置。
优选地，所述步骤（4）中控制激光能量参数为100mJ~1000mJ。
在一些实施例中，所述步骤（4）中采用研磨、蚀刻或者其组合移除所述生长衬底，截止位置到距离所述衬底凸起的顶部0.5~3.0微米厚度的位置，裸露出部分发光外延叠层的表面。
优选地，所述步骤（4）中还包括采用干法蚀刻或/和湿法蚀刻对微透镜进行修饰。
优选地，还包括步骤（5）：对裸露出的发光外延叠层表面进行粗化，并制作电极。
本发明在发光外延叠层的出光面上形成由透明衬底构成的微透镜，利用微透镜增加光取出，增加光的增透或耦合。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为根据本发明实施的一种薄膜型发光二极管的结构示意图。
图2为根据本发明实施的一种薄膜型发光二极管的微透镜分布示意图。
图3为根据本发明实施的一种薄膜型发光二极管的制作流程图。
图4~ 9为根据本发明实施的制作薄膜型发光二极管的过程示意图。
图10为根据本发明实施的另一种薄膜型发光二极管的结构示意图。
图11为根据本发明实施的再一种薄膜型发光二极管的结构示意图。
图12为根据本发明实施的再一种薄膜型发光二极管的结构示意图。
图13~18为制作图12所示薄膜型发光二极管的过程示意图。
具体实施方式
下面结合示意图对本发明的薄膜芯片及其制作方法进行详细的描述，在进一步介绍本发明之前，应当理解，由于可以对特定的实施例进行改造，因此，本发明并不限于下述的特定实施例。还应当理解，由于本发明的范围只由所附权利要求限定，因此所采用的实施例只是介绍性的，而不是限制性的。
实施例1
如图1所示，一种薄膜型发光二极管，包括：导电基板300、接合层310、发光外延叠层200和顶面电极400。其中，导电基板300可以选用陶瓷衬底或者镀上绝缘材料的金属基板或者硅片，本实施例优选硅片。接合层310可以是金属键合层、透明导电氧化物键合层或导电胶，在接合层310与发光外延叠层300之间还可以进一步设置接触层以及镜面反射层（Mirror）。发光外延叠层200选用III-V族材料，可以由III族的硼、铝、镓、铟与V族的氮、磷、砷排列组合而成，一般至少包括P型半导体层230、发光层220、N型半导体层210，发光层220的发光波长在200~1150nm之间，优选为蓝光波段或紫外波段，如UV-C 波段（200~280nm）、UV-B波段（280~315nm）以及UV-A波段（315~380nm）。其中N型半导体层210一侧表面为出光面，出表面上具有一系列由保留在发光外延叠层上的生长衬底构成的微透镜112，如图2所示。该微透镜为图形化生长衬底的一部分，在生长衬底与发光外延叠层分离时通过将生长衬底的图形末端部与主体部分生断裂并保留在发光外延叠层，从而获得一系列微透镜。该微透镜呈上宽下窄状，其中下端部嵌入发光外延叠层200内，上端部高出发光外延叠层的上表面，其尺寸w1为λ/4以上，高度h1为0.5~3.0微米，侧面锥度β为30~85°相邻微透镜的中心间距d1为1.0~6.0微米。在本实施例中，微透镜112呈锥状，其中尖部位于发光外延叠层内，高度为0.5~1.5微米，侧面锥角β为60°，在出光面的非微透镜区域具有粗化结构212。
下面结合图3~9对上述发光二极管的制作方法进行详细说明，该薄膜型发光二极管的制作方法可包括步骤S110~S150。
如图4所示，提供图形化的生长衬底100，该生长衬底100表面具有一系列凸起结构110，呈阵型式排列。该生长衬底100为透明衬底，可采用蓝宝石衬底或AlN衬底，在本实施例中采用蓝宝石衬底，采用干法蚀刻或/和湿法蚀刻衬底的表面形成凸起图案，该凸起110的尺寸w为λ/4以上（λ为发光层的发光波长），例如可以为2.0微米，高度h优选为1~3微米，中心间距d为1.0~6.0微米。较佳的，每个凸起100呈现上窄下宽状，侧面锥角α为105~150°，优选为60°。在本实施例中每个凸起110呈锥体状，具有一个尖端112。
如图5所示，在生长衬底100的表面上外延生长发光外延叠层200，其至少N型半导体层210、发光层220、P型半导体层230，较佳地还可以在N型半导体层210与生长衬底200之间形成缓冲层、三维氮化物层、二维氮化物层，在N型半导体层210与发光层220之间形成超晶格应力缓冲层，在发光层220与P型半导体层230之间形成电子阻挡层等。
如图6所示，在发光外延叠层200的表面上制作接触层、反射层等芯片结构层，并通过接合层310与导电基板300接合。具体为先在p型半导体层230的表面上制作接触层、金属反射层，然后采用键合或者粘合工艺，将发光外延叠层的P侧与导电基板300接合，本实施例优选采用键合工艺，通过制作键合层310，将生长衬底100、发光外延叠层200键合至导电基板300上。较佳的，还可以对生长衬底100的背面100b进行研磨减薄，并作抛光处理。
如图7和8所示，采用激光剥离的方式，移除生长衬底100。激光剥离时需聚焦激光的能量平面点，激光能量的分布影响着剥离位置，本实施例将激光能量聚集到生长衬底凸起的某一厚度D，控制激光能量参数为100mJ~1000mJ，使生长衬底凸起110的尖端112断裂在外延层230上，在外延层上形成微透光，仅裸露出部分外延层的表面。其中线L1表示凸起110的尖端112位置，L2表示激光能量的聚集点位置，其中D即为L2与L1之间的垂直距离，D的取值为0.5~1.5微米为佳。
如图9所示，生长衬底剥离后，露出N型半导体层210，并且保留微透镜蓝宝石衬底112，利用干法和/或湿法蚀刻的方法对微透镜进行修饰，并对裸露出的N型半导体层表面进行粗化，可以利用研磨、化学蚀刻等方式，形成随机或是带有几何排列图形的粗糙尖锥，也可以是锥体或圆球体或方体等。
最后制作电极410，形成薄膜型发光二极管芯片，如图1所示。本实施例所述发光二极管的制作方法，利用激光剥离工艺移除生长衬底，在激光剥离过程中通过控制激光能量的聚集点，使得图形化衬底的图形末端断裂并保留在外延层上，从而形成微透镜，利用微透镜增加光取出，增加光的耦合，使其达到较佳的出光效果。
本发明提供的薄膜芯片制作方法，适合制作垂直结构的发光器件，也适用于制作倒装结构的发光器件或者通过绝缘基板支撑的同面电极结构。
实施例2
图10为根据本发明实施的另一种垂直发光二极管。区别于图1所示的发光二极管，在本实施例中，发光外延叠层200具有一系列贯穿P型半导体230、发光层220的通孔，在发光外延叠层200的下表面依次设置第一电连接层320、介电层330和第二电连接层340，其中第一电连接层320电连接P型半导体层230，并超出发光外延叠层200的边缘，在超出边缘的部位上制作P电极420，介质层330设置于第一电连接层320的表面上并覆盖通孔的侧壁，第二电连接层340设置在介质层330的表面上，部分342向通孔延伸至N型半导体层210，与N型半导体层210形成电连接，然后通过导电型的接合层310与导电基板300连接。
本实施例为同面式的垂直导通薄膜芯片发光二极管，P/N 电极设计在同一边，一方面让电流的扩散传导更为均匀，极易得到均匀的发光图案，不会有电流拥挤现象，电流密度可达> 1A/mm2，另一方面避免在出光面上制作电极，减少电极吸光。
实施例3
图11为根据本发明实施的一种倒装发光二极管，在发光外延叠层200的下表面设置具有足够厚度的电极410和420，厚度一般达50微米以上，具有足够的强度以保护外延层。具体的，在P型半导体层230的表面上制作接触层320，在接触层320上制作介质层330，N电极410与N型半导体层210连接，P电极420与P型半导体层230连接，同时N电极和P电极通过介质层330隔离。
实施例4
图12为根据本发明实施的一种水平结构的发光二极管，从下到上包括：绝缘基板300、接合层310、发光外延叠层200、N电极410和P电极420，其中N型半导体层210的表面上具有一系列由生长衬底构成的微透镜112。微透镜112的上表面具有弧面114，下面结合附图13~18对其制作方法作简单描述。
如图13所示，提供一图形化生长衬底100，其上表面具有一系列凸起结构110，各个凸起的侧面形状为台面状，其尺寸和间隙可参考实施例1。
如图14所示，在生长衬底上形成发光外延叠层200。
如图15所示，在发光外延叠层200的P侧通过接合层310与绝缘基板300接合，该绝缘基板优先为具有良好的散热性材料。
如图16所示，采用研磨、蚀刻或者其组合的方式移除生长衬底，截止位置到距离所述衬底凸起的顶部0.5~3.0微米厚度的位置，裸露出部分发光外延叠层200的表面。
如图17所示，采用湿法或者干法蚀刻方式对微透镜进行图形修饰，图形首选上表面114呈弧形，湿法蚀刻首选浓硫酸和磷酸，干法蚀刻首选Ar气体。
如图18所示，对裸露出的N型半导体层作粗化处理。
最后，蚀刻电极台面并制作电极410和420，形成水平结构的发光二极管结构。
应当理解的是，上述具体实施方案仅为本发明的优选实施例，以上实施例还可以进行各种组合、变形。本发明的范围不限于以上实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.薄膜型发光二极管，包括发光外延叠层，所述发光外延叠层包含第一类型导体层、发光层和第二类型半导体层，具有相对的上表面和下面，所述发光层在电激发下辐射光线并向所述上表面射出，其特征在于：所述发光外延叠层的上表面设有一系列由透明生长衬底构成的微透镜。
2.根据权利要求1所述的薄膜型发光二极管，其特征在于：还包括一支撑结构，其位于所述发光外延叠层的下表面，用于支撑和保护所述发光外延叠层。
3.根据权利要求1所述的薄膜型发光二极管，其特征在于：所述微透镜呈上宽下窄状，其尺寸高度为0.5~3.0微米。
4.根据权利要求2所述的薄膜型发光二极管，其特征在于：所述微透镜侧面的锥度为30~85°。
5.根据权利要求1所述的薄膜型发光二极管，其特征在于：所述微透镜离散分布，相邻微透镜之间的间距为1.0~6.0微米。
6.根据权利要求1所述的薄膜型发光二极管，其特征在于：所述微透镜之远离所述发外外延叠层的端面为球面状。
7.根据权利要求1所述的薄膜型发光二极管，其特征在于：所述微透镜具有两个相对的端部，其中第一个端部嵌入所述发光外延叠层内，第二个端部高出所述发光外延叠层的上表面。
8.薄膜型发光二极管的制作方法，包括以下步骤：
（1）提供图形化的透明衬底，其上表面具有一系列凸起结构；
（2）在所述透明衬底的上表面上外延生长发光外延叠层，包括第一类型导体层、发光层和第二类型半导体层；
（3）在所述发光外延叠层的表面上制作支撑结构；
（4）移除所述透明衬底，裸露出部分发光外延叠层的表面，并使透明衬底的凸起结构从透明衬底的主体上断裂并保留在发光外延叠层上，从而在发光外延叠层表面上形成一系列由透明衬底的尖端组成的微透镜。
9.根据权利要求8所述的薄膜型发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）中凸起结构的高度为1~3微米，中心间距为1.0~6.0微米。
10.根据权利要求8所述的薄膜型发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）中采用激光剥离的方式剥离透明衬底，具体为将激光能量聚集到所述衬底凸起结构的某一厚度D，控制能量参数使所述透明衬底的凸起断裂并保留在发光外延叠层上。
11.根据权利要求10所述的薄膜型发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）中将激光能量聚集到距离所述衬底凸起的顶部0.5~3.0微米厚度的位置。
12.根据权利要求10所述的薄膜型发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）中控制激光能量参数为100mJ~1000mJ。
13.根据权利要求6所述的薄膜型发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）中采用研磨、蚀刻或者其组合移除所述生长衬底，截止位置到距离所述衬底凸起的顶部0.5~3.0微米厚度的位置，裸露出部分发光外延叠层的表面。
14.根据权利要求6所述的薄膜型发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）中还包括采用干法蚀刻或/和湿法蚀刻对微透镜进行修饰，使得所述微透镜之远离所述发外外延叠层的端面呈球面状。
15.根据权利要求6所述的薄膜型发光二极管的制作方法，其特征在于：还包括步骤（5）：对裸露出的发光外延叠层表面进行粗化，并制作电极。
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