CN108346727A - 发光二极管芯片及其制作方法 - 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作方法,属于光电子技术领域。该发光二极管芯片包括衬底和设置在衬底上的外延层,外延层上设置有电极凹槽,电极凹槽内设置有N电极,外延层的出光面设置有P电极,出光面为外延层的远离衬底的表面,出光面的位于P电极之外的区域设置有TiO2纳米管阵列,通过在出光面的位于P电极之外的区域设置TiO2纳米管阵列,TiO2纳米管阵列可以增大出光面的粗糙程度,能够减少反射回LED芯片内部的光,从而提高LED的光提取效率。

Description

发光二极管芯片及其制作方法
技术领域
本发明涉及光电子技术领域,特别涉及一种发光二极管芯片及其制作方法。
背景技术
发光二极管(英文:Light Emitting Diode,简称:LED)作为光电子产业中极具影响力的新产品,具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点,广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。
现有的一种LED芯片包括衬底、设置在衬底上的外延层和设置在外延层上的P电极和N电极,该LED芯片的出光面为外延层的远离衬底的表面。
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:
由于LED芯片在发光时,有部分光线会在外延片和空气的界面处发生全反射而反射会芯片的内部,因此导致现有的LED光提取效率低。。
发明内容
为了解决现有的LED光提取效率低的问题,本发明实施例提供了一种发光二极管芯片及其制作方法。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和设置在所述衬底上的外延层,所述外延层上设置有电极凹槽,所述电极凹槽内设置有N电极,所述外延层的出光面设置有P电极,所述出光面为所述外延层的远离所述衬底的表面,所述出光面的位于所述P电极之外的区域设置有TiO2纳米管阵列。
可选地,在所述外延层的厚度方向上,TiO2纳米管的长度为800~1000nm。
可选地,所述外延层包括依次层叠在所述衬底上的AlN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、发光层、P型AlxGa1-xN层、P型GaN层和透明电流扩展层,所述TiO2纳米管阵列设置在所述透明电流扩展层上,0.1<x<0.5。
另一方面,本发明实施例还提供了一种发光二极管芯片的制作方法,所述制作方法包括:
提供一衬底;
在所述衬底上生长外延层,以得到外延片;
在所述外延层上制作电极凹槽;
在所述外延层的出光面上形成P电极,在所述电极凹槽内形成N电极,所述出光面为所述外延层的远离所述衬底的表面;
在所述出光面的位于所述P电极之外的区域形成TiO2纳米管阵列。
可选地,所述在所述出光面的位于所述P电极之外的区域形成TiO2纳米管阵列,包括:
在所述P电极、所述出光面、所述N电极上和所述电极凹槽内涂覆光刻胶;
去除所述出光面的位于所述P电极之外的区域中的光刻胶;
将所述外延片置于第一生长溶液中,以在所述外延层上形成TiO2纳米棒阵列;
将所述外延片置于第二生长溶液中,以使所述TiO2纳米棒阵列转变为TiO2纳米管阵列;
去除所述外延片上的光刻胶;
裂片,以得到多个发光二极管芯片。
可选地,所述第一生长溶液为钛酸四丁酯和盐酸的混合溶液,所述第二生长溶液为过氧化氢和氨水的混合溶液。
可选地,所述第一生长溶液的温度为100~200℃。
可选地,在所述将所述外延片置于第一生长溶液中,以在所述外延层上形成TiO2纳米棒阵列之后,所述制作方法还包括:
将所述第一生长溶液降温至室温,取出所述外延片,清洗并干燥处理。
可选地,所述外延片置于所述第二生长溶液中的时间为60~90min。
可选地,在所述去除所述出光面的位于所述P电极之外的区域中的光刻胶之前,所述制作方法还包括:
在所述衬底的远离所述外延层的表面上涂覆光刻胶。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:通过在出光面的位于P电极之外的区域设置TiO2纳米管阵列,TiO2纳米管阵列可以增大出光面的粗糙程度,能够减少反射回LED芯片内部的光,从而提高LED的光提取效率。
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是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的制作方法的流程图;
图3是本发明实施例提供的另一种发光二极管芯片的制作方法的流程图;
图4~图8是本发明实施例提供的发光二极管芯片制作过程中的结构示意图。
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。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图,如图1所示,该发光二极管芯片包括衬底10和设置在衬底10上的外延层20。
如图1所示,外延层20上设置有电极凹槽201,电极凹槽201内设置有N电极31,外延层20的出光面27a设置有P电极32,出光面27a为外延层20的远离衬底10的表面。出光面27a的位于P电极32之外的区域设置有TiO2纳米管阵列28。
通过在出光面的位于P电极之外的区域设置TiO2纳米管阵列,TiO2纳米管阵列可以增大出光面的粗糙程度,能够减少反射回LED芯片内部的光,从而提高LED的光提取效率。
TiO2纳米管阵列28包括多根TiO2纳米管281,在外延层20的厚度方向上,TiO2纳米管281的长度可以为800~1000nm。当TiO2纳米管281沿外延层20的厚度方向的长度为800~1000nm时发光二极管的光提取效率可以满足大部分的工作要求,若TiO2纳米管281的长度小于800nm,则出光面27a粗糙度较低,近似为平面,对光提取效率的提升作用不明显,若TiO2纳米管281的长度大于1000nm,又会造成材料的浪费,增加生产成本。
如图1所示,该外延层20可以包括依次层叠在衬底10上的AlN缓冲层21、未掺杂GaN层22、N型GaN层23、发光层24、P型AlxGa1-xN层25、P型GaN层26和透明电流扩展层27,TiO2纳米管阵列28设置在透明电流扩展层27上,0.1<x<0.5。
AlN缓冲层21的厚度可以为20nm~40nm,AlN缓冲层21的厚度不同,最终形成的外延层20的质量也会不同,若AlN缓冲层21的厚度过薄,则会导致AlN缓冲层21的表面较为疏松和粗糙,不能为后续结构的生长提供一个好的模板,随着AlN缓冲层21厚度的增加,AlN缓冲层21的表面逐渐变得较为致密和光滑,有利于后续结构的生长,但是若AlN缓冲层21的厚度过厚,则会导致AlN缓冲层21的表面过于致密,同样不利于后续结构的生长,无法减少外延层20中的晶格缺陷。
发光层24可以包括交替层叠的InGaN阱层241和GaN垒层242,InGaN阱层241和GaN垒层242交替层叠的周期数可以为5~20。
透明电流扩展层27可以采用ITO(Indium tin oxide,氧化铟锡)制成,ITO具有良好的导电性和透光性。
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的制作方法的流程图,该方法用于制作图1所示的发光二极管芯片,如图2所示,该制作方法包括:
S11:提供一衬底。
S12:在衬底上生长外延层,以得到外延片。
S13:在外延层上制作电极凹槽。
S14:在外延层的出光面上形成P电极,在电极凹槽内形成N电极。
其中,出光面为外延层的远离衬底的表面。
S15:在出光面的位于P电极之外的区域形成TiO2纳米管阵列。
通过在出光面的位于P电极之外的区域设置TiO2纳米管阵列,TiO2纳米管阵列可以增大出光面的粗糙程度,能够减少反射回LED芯片内部的光,从而提高LED的光提取效率。
图3是本发明实施例提供的另一种发光二极管芯片的制作方法的流程图,该方法用于制作图1所示的发光二极管芯片,下面结合附图4~8对图3提供的制作方法进行详细说明:
S21:提供一衬底。
实现时,该衬底可以是蓝宝石衬底、SiC衬底、GaN衬底或GaAs衬底,其中,蓝宝石衬底、SiC衬底、GaN衬底是蓝光LED常用的衬底,GaAs衬底是红黄光LED常用的衬底。
在步骤S21中,可以对衬底进行预处理,具体可以包括将衬底在有机溶剂中超声清洗10分钟,去除表面有机物,然后在去离子水中超声清洗15分钟后用氮气吹干,最后高温退火去除衬底表面的氧化薄膜。
S22:在衬底上生长外延层。
如图4所示,衬底10上形成有外延层20。
具体地,该外延层20可以包括依次层叠的AlN缓冲层21、未掺杂GaN层22、N型GaN层23、发光层24、P型AlxGa1-xN层25、P型GaN层26和透明电流扩展层27,0.1<x<0.5。各层均可以采用现有技术中的生长方式,此处不详述。
S23:在外延层上制作电极凹槽。
具体地,可以在外延层上涂覆一层光刻胶,通过光刻技术图形化后,采用ICP(Inductively Coupled Plasma,感应耦合等离子体刻蚀)对外延层进行刻蚀,露出部分的N型GaN层,以形成电极凹槽,然后清楚光刻胶。
S24:制作N电极和P电极。
如图5所示,在电极凹槽201中的N型GaN层23上形成有N电极31,在电极凹槽201外,外延层20的远离衬底的表面(如图5中的表面27a)上形成有P电极32。N电极31和P电极32的制作方法可以与现有技术中的相同,此处不详述。
S25:在P电极、出光面、N电极上和电极凹槽内涂覆光刻胶。
光刻胶在经过曝光显影后可以作为图形掩膜,便于控制外延片上生长TiO2纳米棒阵列的区域。
S26:去除出光面的位于P电极之外的区域中的光刻胶。
如图6所示,通过对光刻胶40进行曝光、显影,在P电极32、N电极31上和电极凹槽201内形成光刻胶,出光面27a上位于P电极32之外的区域的光刻胶(如图6中的虚线框)被去除。光刻胶可以避免在需要设置TiO2纳米管的区域之外的区域形成TiO2纳米管。
S27:将外延片置于第一生长溶液中,以在外延层上形成TiO2纳米棒阵列。
如图7所示,在光刻胶40上、出光面27a上位于P电极32之外的区域以及衬底10上均形成有TiO2纳米棒281a。
具体可以将外延片浸没在盛放有第一生长溶液的水热反应釜中,浸没时间可以为1~10小时,以使外延片上生长出足够长度的TiO2纳米棒阵列,在水热反应釜中生长TiO2纳米棒阵列,可以使外延片均匀受热。
实现时,第一生长溶液可以为钛酸四丁酯和盐酸的混合溶液,其中钛酸四丁酯的浓度可以为0.02~0.2mol/L,第一生长溶液的pH值可以为6~8。
可选地,第一生长溶液的温度可以为100~200℃,该温度可以保证较快的生长速度,同时可以避免温度过高导致外延层的结构受到影响。
S28:将外延片置于第二生长溶液中,以使TiO2纳米棒阵列转变为TiO2纳米管阵列。
如图8所示,TiO2纳米棒281a转变为了TiO2纳米管281。
实现时,第二生长溶液可以为过氧化氢和氨水的混合溶液,第二生长溶液可以采用浓度为30%的过氧化氢水溶液和浓度为25%~28%的氨水以体积比10:1~50:1的比例混合制成,例如一种第二生长溶液可以采用浓度为30%的过氧化氢水溶液和浓度为26%的氨水以体积比20:1的比例混合制成。
具体可将外延片浸没在盛放有第二生长溶液的水热反应釜中。外延片置于第二生长溶液中的时间为60~90min。浸没在第二生长溶液中的时间过短则难以保证全部的TiO2纳米棒转变为TiO2纳米管,通过延长反应的时间可以使TiO2纳米管有较为合适的壁厚,使TiO2纳米管阵列具有较大的总的表面积,有利于增大光提取效率。但是浸没时间过长会导致TiO2纳米管的管壁厚度过薄或是TiO2纳米管断裂甚至完全消失。第二生长溶液的温度可以保持为室温(20~30℃),避免第二生长溶液中的过氧化氢溶液和氨水的分解。
S29:去除外延片上的光刻胶。
如图8所示,在经过步骤S28后,在光刻胶上也形成有TiO2纳米管,通过去除光刻胶可以使外延层上只有出光面的位于P电极之外的区域设置有TiO2纳米管。
位于衬底的远离外延层的一面上形成的TiO2纳米管可以通过打磨的方式去除。
光刻胶可以通过去胶液去除。
在去除光刻胶,对衬底进行打磨后即可得到多个相连的如图1所示的LED芯片。
优选地,在步骤S25中,还可以在衬底的远离外延层的表面上涂覆光刻胶,这样在生长TiO2纳米管阵列不会直接形成在衬底上,在去除光刻胶时也可以将衬底上的TiO2纳米管阵列去除,从而不需要对衬底进行打磨。
S30:裂片,以得到多个发光二极管芯片。
通过裂片,即可得到多个独立的发光二极管芯片。裂片的方法可以采用现有技术中的裂片方法,此处不详述。
可选地,在步骤S27之后,该制作方法还可以包括:
将第一生长溶液降温至室温,取出外延片,清洗并干燥处理。
具体可以通过去离子水对外延片进行冲洗,并通过氮气吹干,这样可以避免粘附在外延片上的杂质粒子混入第二生长溶液中,造成第二生长溶液的污染,有利于提高制作的LED芯片的质量。
此外,在步骤S28之后,也可以对外延片进行清洗并干燥,通过去离子水对外延片冲洗并通过氮气干燥后可以去除粘附在外延片上的第二生长溶液中的粒子。
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)

1.一种发光二极管芯片,所述发光二极管芯片包括衬底和设置在所述衬底上的外延层,所述外延层上设置有电极凹槽,所述电极凹槽内设置有N电极,所述外延层的出光面设置有P电极,所述出光面为所述外延层的远离所述衬底的表面,其特征在于,所述出光面的位于所述P电极之外的区域设置有TiO2纳米管阵列。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片,其特征在于,在所述外延层的厚度方向上,TiO2纳米管的长度为800~1000nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管芯片,其特征在于,所述外延层包括依次层叠在所述衬底上的AlN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、发光层、P型AlxGa1-xN层、P型GaN层和透明电流扩展层,所述TiO2纳米管阵列设置在所述透明电流扩展层上,0.1<x<0.5。
4.一种发光二极管芯片的制作方法,其特征在于,所述制作方法包括:
提供一衬底;
在所述衬底上生长外延层,以得到外延片;
在所述外延层上制作电极凹槽;
在所述外延层的出光面上形成P电极,在所述电极凹槽内形成N电极,所述出光面为所述外延层的远离所述衬底的表面;
在所述出光面的位于所述P电极之外的区域形成TiO2纳米管阵列。
5.根据权利要求4所述的制作方法,其特征在于,所述在所述出光面的位于所述P电极之外的区域形成TiO2纳米管阵列,包括:
在所述P电极、所述出光面、所述N电极上和所述电极凹槽内涂覆光刻胶;
去除所述出光面的位于所述P电极之外的区域中的光刻胶;
将所述外延片置于第一生长溶液中,以在所述外延层上形成TiO2纳米棒阵列;
将所述外延片置于第二生长溶液中,以使所述TiO2纳米棒阵列转变为TiO2纳米管阵列;
去除所述外延片上的光刻胶;
裂片,以得到多个发光二极管芯片。
6.根据权利要求5所述的制作方法,其特征在于,所述第一生长溶液为钛酸四丁酯和盐酸的混合溶液,所述第二生长溶液为过氧化氢和氨水的混合溶液。
7.根据权利要求5所述的制作方法,其特征在于,所述第一生长溶液的温度为100~200℃。
8.根据权利要求5~7任一项所述的制作方法,其特征在于,在所述将所述外延片置于第一生长溶液中,以在所述外延层上形成TiO2纳米棒阵列之后,所述制作方法还包括:
将所述第一生长溶液降温至室温,取出所述外延片,清洗并干燥处理。
9.根据权利要求5~7任一项所述的制作方法,其特征在于,所述外延片置于所述第二生长溶液中的时间为60~90min。
10.根据权利要求5~7任一项所述的制作方法,其特征在于,在所述去除所述出光面的位于所述P电极之外的区域中的光刻胶之前,所述制作方法还包括:
在所述衬底的远离所述外延层的表面上涂覆光刻胶。
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