CN107919424B - 一种发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管芯片及其制造方法，属于半导体技术领域。所述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Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层、透明导电层，所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至所述n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在所述n型Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置在所述透明导电层上，所述发光二极管芯片还包括依次层叠在所述透明导电层上的出光增强层和绝缘保护层，所述出光增强层的折射率沿所述发光二极管芯片的层叠方向逐渐变化，且所述出光增强层各个位置的折射率均在所述透明导电层的折射率和所述绝缘保护层的折射率之间。本发明提高了LED芯片的外量子效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管芯片及其制造方法。
背景技术
作为目前全球最受瞩目的新一代光源，发光二极管(英文：Light EmittingDiode，简称LED)具有高亮度、低热量、长寿命等优点，被称为21世纪最有发展前景的绿色照明光源。Ⅲ族氮化物基LED的发光波长涵盖了整个可见光波段，因而备受关注。
传统的LED芯片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层、透明导电层，p型Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在n型Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置透明导电层上。在第二电极和第一电极通电的情况下，n型Ⅲ族氮化物半导体层中的电子、p型Ⅲ族氮化物半导体层中的空穴注入有源层复合发光。
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：
LED芯片内部与出光面两种介质的折射率相差较大，对应全反射的临界角较小，LED芯片内部产生的大部分光无法出射，导致显著的光学损耗，LED芯片的外量子效率较低。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片及其制造方法。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芯片，所述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Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层、透明导电层，所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至所述n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在所述n型Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置在所述透明导电层上，所述发光二极管芯片还包括依次层叠在所述透明导电层上的出光增强层和绝缘保护层，所述出光增强层的折射率沿所述发光二极管芯片的层叠方向逐渐变化，且所述出光增强层各个位置的折射率均在所述透明导电层的折射率和所述绝缘保护层的折射率之间。
可选地，所述透明导电层的折射率大于所述绝缘保护层的折射率，所述出光增强层的折射率沿所述发光二极管芯片的层叠方向逐渐减小。
优选地，所述出光增强层各个位置的折射率，与所述出光增强层各个位置和所述透明导电层的距离呈线性关系：
n(x)＝k*x+b；
其中，x为所述出光增强层某处位置和所述透明导电层的距离，n(x)为所述出光增强层x处的折射率，k和b均为定值。
具体地，所述出光增强层为(TiO2)x(SiO2)1-x，0＜x＜1，x沿所述发光二极管芯片的层叠方向线性减小。
具体地，所述出光增强层为(ZnO)x(SiO2)1-x，0＜x＜1，x沿所述发光二极管芯片的层叠方向线性减小。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制造方法，所述制造方法包括：
在衬底上依次生长n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层；
在所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至所述n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽；
在所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上依次形成透明导电层、出光增强层、绝缘保护层；
在所述透明导电层上设置第二电极，在所述n型Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极；
其中，所述出光增强层的折射率沿所述发光二极管芯片的层叠方向逐渐变化，且所述出光增强层各个位置的折射率均在所述透明导电层的折射率和所述绝缘保护层的折射率之间。
可选地，所述透明导电层的折射率大于所述绝缘保护层的折射率，所述出光增强层的折射率沿所述发光二极管芯片的层叠方向逐渐减小。
优选地，所述出光增强层各个位置的折射率，与所述出光增强层各个位置和所述透明导电层的距离呈线性关系：
n(x)＝k*x+b；
其中，x为所述出光增强层某处位置和所述透明导电层的距离，n(x)为所述出光增强层x处的折射率，k和b均为定值。
具体地，所述出光增强层为(TiO2)x(SiO2)1-x，0＜x＜1，x沿所述发光二极管芯片的层叠方向线性减小。
具体地，所述出光增强层为(ZnO)x(SiO2)1-x，0＜x＜1，x沿所述发光二极管芯片的层叠方向线性减小。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在透明导电层和绝缘保护层之间设置出光增强层，出光增强层各个位置的折射率均在透明导电层的折射率和绝缘保护层的折射率之间，且出光增强层的折射率沿发光二极管芯片的层叠方向逐渐变化，实现不同介质间折射率的过渡，避免折射率突变，增大不同介质交界处全反射的临界角，减少反射光的数量，提高LED芯片的外量子效率。
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发光二极管芯片及其制造方法的流程图。
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发光二极管芯片，适用于显示屏、背光源、白光照明等，参见图1，该发光二极管芯片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的n型Ⅲ族氮化物半导体层2、有源层3、p型Ⅲ族氮化物半导体层4、透明导电层5、出光增强层6和绝缘保护层7，p型Ⅲ族氮化物半导体层4上设有延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层2的凹槽，第一电极8设置在n型Ⅲ族氮化物半导体层2上，第二电极9设置在透明导电层5上。
在本实施例中，出光增强层6的折射率沿发光二极管芯片的层叠方向逐渐变化，且出光增强层6各个位置的折射率均在透明导电层5的折射率和绝缘保护层7的折射率之间。
具体地，第一电极8与n型Ⅲ族氮化物半导体层2电连接，第二电极9与透明导电层6电连接。n型Ⅲ族氮化物半导体层2用于向有源层3注入电子，p型Ⅲ族氮化物半导体层4用于向有源层3注入空穴。衬底1中与层叠n型Ⅲ族氮化物半导体层2的表面相反的表面焊接在散热基板上。
可选地，透明导电层5的折射率可以大于绝缘保护层7的折射率，出光增强层6的折射率沿发光二极管芯片的层叠方向逐渐减小。
优选地，出光增强层6各个位置的折射率，可以与出光增强层6各个位置和透明导电层5的距离呈线性关系：
n(x)＝k*x+b；
其中，x为出光增强层某处位置和透明导电层的距离，n(x)为出光增强层x处的折射率，k和b均为定值。
具体地，出光增强层6可以为(TiO2)x(SiO2)1-x，0＜x＜1，x沿发光二极管芯片的层叠方向线性减小。
具体地，出光增强层6可以为(ZnO)x(SiO2)1-x，0＜x＜1，x沿发光二极管芯片的层叠方向线性减小。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。
可选地，n型Ⅲ族氮化物半导体层2可以为掺杂有n型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，有源层3可以包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，量子阱层和量子垒层交替层叠，N为正整数。
可选地，p型Ⅲ族氮化物半导体层4可以为掺杂有p型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，透明导电层5可以为氧化铟锡(英文：Indium tin oxide，简称ITO)、掺镓的氧化锌(英文：Gallium doped Zinc Oxide，简称GZO)、掺铝的氧化锌(英文：AluminumZinc Oxide，简称AZO)、石墨烯中的任一种，具有高透光率和高导电性，有利于提高发光二极管的发光亮度。
可选地，绝缘保护层7可以为二氧化硅。
可选地，第一电极8的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种，第二电极9的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种。
本发明实施例通过在透明导电层和绝缘保护层之间设置出光增强层，出光增强层各个位置的折射率均在透明导电层的折射率和绝缘保护层的折射率之间，且出光增强层的折射率沿发光二极管芯片的层叠方向逐渐变化，实现不同介质间折射率的过渡，避免折射率突变，增大不同介质交界处全反射的临界角，减少反射光的数量，提高LED芯片的外量子效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制造方法，适用于制造实施例一提供的发光二极管芯片，参见图2，该制造方法包括：
步骤201：在衬底上依次生长n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层。
在本实施例中，n型Ⅲ族氮化物半导体层用于向有源层注入电子，p型Ⅲ族氮化物半导体层用于向有源层注入空穴。
可选地，衬底可以为蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。
可选地，n型Ⅲ族氮化物半导体层可以为掺杂有n型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，有源层可以包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，量子阱层和量子垒层交替层叠，N为正整数。
可选地，p型Ⅲ族氮化物半导体层可以为掺杂有p型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
具体地，该步骤201可以包括：
采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)技术在衬底上依次生长n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层。
步骤202：在p型Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽。
具体地，该步骤202可以包括：
采用光刻技术和等离子体刻蚀技术在p型Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽。
步骤203：在p型Ⅲ族氮化物半导体层上依次形成透明导电层、出光增强层、绝缘保护层。
在本实施例中，出光增强层的折射率沿发光二极管芯片的层叠方向逐渐变化，且出光增强层各个位置的折射率均在透明导电层的折射率和绝缘保护层的折射率之间。
可选地，透明导电层可以为ITO、GZO、AZO、石墨烯中的任一种，具有高透光率和高导电性，有利于提高发光二极管的发光亮度。
可选地，透明导电层的折射率可以大于绝缘保护层的折射率，出光增强层6的折射率沿发光二极管芯片的层叠方向逐渐减小。
优选地，出光增强层各个位置的折射率，可以与出光增强层各个位置和透明导电层的距离呈线性关系：
n(x)＝k*x+b；
其中，x为出光增强层某处位置和透明导电层的距离，n(x)为出光增强层x处的折射率，k和b均为定值。
具体地，出光增强层可以为(TiO2)x(SiO2)1-x，0＜x＜1，x沿发光二极管芯片的层叠方向线性减小。
具体地，出光增强层可以为(ZnO)x(SiO2)1-x，0＜x＜1，x沿发光二极管芯片的层叠方向线性减小。
可选地，绝缘保护层可以为二氧化硅。
具体地，该步骤203可以包括：
采用蒸镀技术在p型Ⅲ族氮化物半导体层上依次形成透明导电层、出光增强层、绝缘保护层。
步骤204：在透明导电层上设置第二电极，在n型Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极。
具体地，第一电极与n型Ⅲ族氮化物半导体层电连接，第二电极与透明导电层电连接。
可选地，第一电极的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种，第二电极的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种。
具体地，该步骤204可以包括：
采用溅射技术在透明导电层上设置第二电极，在n型Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极。
本发明实施例通过在透明导电层和绝缘保护层之间设置出光增强层，出光增强层各个位置的折射率均在透明导电层的折射率和绝缘保护层的折射率之间，且出光增强层的折射率沿发光二极管芯片的层叠方向逐渐变化，实现不同介质间折射率的过渡，避免折射率突变，增大不同介质交界处全反射的临界角，减少反射光的数量，提高LED芯片的外量子效率。
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 (2)
1.一种发光二极管芯片，所述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Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层、透明导电层，所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至所述n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在所述n型Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置在所述透明导电层上，其特征在于，所述发光二极管芯片还包括依次层叠在所述透明导电层上的出光增强层和绝缘保护层，所述出光增强层的折射率沿所述发光二极管芯片的层叠方向逐渐变化，且所述出光增强层各个位置的折射率均在所述透明导电层的折射率和所述绝缘保护层的折射率之间；所述绝缘保护层为二氧化硅，所述透明导电层为掺镓的氧化锌或者掺铝的氧化锌，所述透明导电层的折射率大于所述绝缘保护层的折射率；所述出光增强层为(TiO2)x(SiO2)1-x或者(ZnO)x(SiO2)1-x，0＜x＜1，x沿所述发光二极管芯片的层叠方向线性减小，所述出光增强层的折射率沿所述发光二极管芯片的层叠方向逐渐减小。
2.一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
在衬底上依次生长n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层；
在所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至所述n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽；
在所述p型Ⅲ族氮化物半导体层上依次形成透明导电层、出光增强层、绝缘保护层；
在所述透明导电层上设置第二电极，在所述n型Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极；
其中，所述出光增强层的折射率沿所述发光二极管芯片的层叠方向逐渐变化，且所述出光增强层各个位置的折射率均在所述透明导电层的折射率和所述绝缘保护层的折射率之间；所述绝缘保护层为二氧化硅，所述透明导电层为掺镓的氧化锌或者掺铝的氧化锌，所述透明导电层的折射率大于所述绝缘保护层的折射率；所述出光增强层为(TiO2)x(SiO2)1-x或者(ZnO)x(SiO2)1-x，0＜x＜1，x沿所述发光二极管芯片的层叠方向线性减小，所述出光增强层的折射率沿所述发光二极管芯片的层叠方向逐渐减小。
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