CN108417678B - 发光二极管结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管结构及其制作方法，结构包括：衬底；发光外延结构，位于所述衬底上，包括依次层叠的N型半导体层、发光层以及P型半导体层，发光波长设为λ；其特征在于：所述外延层和/或衬底侧面分布有柱状波导结构，所述波导结构的宽度d于1/4λ的整数倍达到反射波导效果。本发明通过在外延层和/或衬底侧面分布有柱状波导结构，波导结构的宽度d于1/4λ的整数倍达到反射波导效果，能大大提升发光层发出的光线经外延层或衬底侧面的波导结构散射/反射后，再向外出射的几率，从而增强光萃取效率，提高发光二极管的亮度。
Description
技术领域
本发明属于半导体照明领域，特别是涉及一种发光二极管结构及其制作方法。
背景技术
发光二极管（英文为Light Emitting Diode，缩写为LED）由于具有寿命长、耗能低等优点，应用于各种领域，其中以氮化镓（GaN）为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度发光二极管、激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
目前倒装LED芯片设计，为了防止侧面发生漏电，通常都会做一道蚀刻到衬底的绝缘（Isolation）工艺，而这道工艺会牺牲芯片较大的发光区，从而影响了光的有效取出，导致芯片发光效率较为有限。
基于以上所述，提供一种可以有效提高LED芯片光萃取效率的发光二极管结构及其制作方法实属必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于：提供一种发光二极管结构及其制作方法，用于解决现有技术中发光二极管芯片外部光萃取较低而导致发光效率降低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种发光二极管结构，所述发光二极管结构，包括：衬底；发光外延结构，位于所述衬底上，包括依次层叠的N型半导体层、发光层以及P型半导体层，发光波长设为λ；其特征在于：所述外延层和/或衬底侧面分布有柱状波导结构，所述波导结构的宽度d于1/4λ的整数倍达到反射波导效果，记该整数倍为N，则N为大于等于5的自然数。
优选地，所述λ介于300~700μm。
优选地，所述发光外延结构及衬底的侧面长度≤100μm。
优选地，所述发光外延结构、衬底侧面与水平面呈倾斜角，倾斜角度介于20~70°。
优选地，所述发光外延结构具有去除了部分的P型半导体层、发光层及N型半导体层所形成的N电极制备区域。
本发明还提供一种发光二极管结构的制作方法，包括：包括工艺步骤：（1）提供一衬底，于所述衬底上形成发光外延结构，所述外延结构包括依次层叠的N型半导体层、发光层以及P型半导体层，发光波长设为λ；（2）于所述发光外延结构表面上形成复合阻挡层，所述复合阻挡层包括两种蚀刻速率不同的掩膜层；（3）通过光罩、蚀刻工艺，于所述复合阻挡层进行图案化工艺，形成外周边缘具有凹凸结构的掩膜层图案；（4）通过蚀刻工艺，于所述发光外延层和/或衬底侧面形成倾斜状，并于该倾斜侧面上形成柱状波导结构，所述波导结构的宽度d于1/4λ的整数倍达到反射波导效果，记该整数倍为N，则N为大于等于5的自然数。
优选地，所述λ介于300~700μm。
优选地，所述发光外延结构及衬底的侧面长度≤100μm。
优选地，所述发光外延结构、衬底侧面与水平面呈倾斜角，倾斜角度介于20~70°。
优选地，还包括一工艺步骤，于所述发光外延结构上形成具有去除了部分的P型半导体层、发光层及N型半导体层所形成的N电极制备区域，该工艺步骤位于步骤（4）之前或者之后。
优选地，还包括一工艺步骤，于所述N电极制备区域上形成N电极，于所述部分P型半导体层上形成P电极。
如上所述，本发明的发光二极管结构及其制作方法，具有以下有益效果：
本发明通过在外延层和/或衬底侧面分布有柱状波导结构，波导结构的宽度d于1/4λ的整数倍达到反射波导效果，能大大提升发光层发出的光线经外延层或衬底侧面的波导结构散射/反射后，再向外出射的几率，从而增强光萃取效率，提高发光二极管的亮度。本发明工艺简单，适用于工业生产。
附图说明
图1~图7显示为本发明实施例1的发光二极管结构的制作方法各步骤所呈现的结构示意图。
图8显示为本发明实施例2的发光二极管结构示意图。
元件标号说明。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
请参阅图1~图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1~图7所示，本实施例提供一种发光二极管结构的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
如图1所示，首先进行步骤（1），提供一衬底100，于所述衬底100上形成发光外延结构，所述发光外延结构包括依次层叠的N型半导体层201、发光层202以及P型半导体层203，发光波长设为λ，波长λ介于300~700μm，本实施例优选主波长为蓝光（445~470μm）和绿光波段（510~540μm）。
所述衬底100可以是包括平面型蓝宝石衬底、图形蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底等。在本实施例中，所述衬底选用为图形蓝宝石衬底。
作为示例，采用MOCVD工艺于所述衬底100上形成发光外延结构，所述发光外延结构可以包含N型半导体层201、发光层202以及P型半导体层203、电子阻挡层EBL等，其中，所述N型半导体层可以为N型GaN层，所述发光层可以为GaN基发光层，所述P型半导体层可以为P型GaN层。当然，也可以依据实际需求选择其它种类的外延结构，并不限于此处所列举的示例。
如图2所示，然后进行步骤（2），于所述发光外延结构表面上形成复合阻挡层，所述复合阻挡层包括两种蚀刻速率不同的掩膜层。本实施例的复合阻挡层优选第一掩膜层301和第二掩膜层302，其中第一掩膜层选用无机材料阻挡层，如二氧化硅层，第二掩膜层选用有机材料阻挡层，如PR光阻。第一掩膜层可以采用化学气相沉积工艺形成，第二掩膜层可以采用旋涂、烘烤工艺形成。
如图3和4所示，接着进行步骤（3），通过光罩、蚀刻工艺，于所述复合阻挡层进行图案化工艺，形成外周边缘具有凹凸结构的掩膜层图案303。蚀刻工艺可以采用湿法蚀刻、干法蚀刻或者二者工艺结合。本实施例优选先采用湿法蚀刻工艺，于复合阻挡层的形成外周边缘具有凹凸结构的掩膜层图案（如图3所示），再采用干法蚀刻工艺，如ICP，藉由第二掩膜层的蚀刻速率大于第一掩膜层的蚀刻速率，使得复合掩膜层的外形（横截面）呈上窄下宽，大致呈梯形状。
如图5所示，接着进行步骤（4），继续通过蚀刻工艺，于所述发光外延层和衬底侧面400形成倾斜状，即发光外延结构、衬底侧面与水平面呈倾斜角，优选倾斜角度介于20~70°，并于该倾斜侧面上形成柱状波导结构500，随后去除残余的复合阻挡层。
依据需要达到反射波导效果的公式D=λ/4*n，蓝光波长范围通常为445nm~470nm，绿光波长范围通常为510nm~540nm，而斜坡长度D的设计优选≤25μm，进而得到如下波导结构的柱状个数最大范围值n，如表1所示，柱子宽度d在以下1/4λ(μm)的整数倍都可达到反射波导效果。
表1 波导结构的柱状个数最大范围值n与波长λ的关系
如图6所示，然后进行步骤5），于所述发光外延结构上形成具有去除了部分的P型半导体层、发光层及N型半导体层所形成的N电极制备区域600。例如，可以采用ICP刻蚀或RIE刻蚀工艺于所述发光外延结构中刻蚀出台面结构，使得N型半导体层表面裸露出N电极制备区域600，以用于后续N电极的电连接。需要说明的是，该工艺步骤（5）可以位于步骤（4）之前或者之后，本实施例优选位于步骤（4）之后。接着再于所述N电极制备区域600上形成N电极601，于所述部分P型半导体层203上形成P电极602，形成电极的工艺可以采用蒸镀或者溅镀或者其他沉积方式。
如图7所示，最后进行步骤6），将上述结构通过键合工艺，键合至一散热基板800，该基板可以选用金属基板，如Cu基板，从而使得N电极601与N焊垫701接合，P电极602与P焊垫702接合。
如图7所示，本实施例还提供一种发光二极管结构，所述发光二极管结构包括：衬底100、包括N型半导体层201、发光层202以及P型半导体层203的发光外延结构、波导结构500、N电极601、P电极602、N焊垫701、P焊垫702以及散热基板800。
如图7所示，所述衬底100包括平面型蓝宝石衬底、图形蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底等。在本实施例中，所述衬底100选用为图形蓝宝石衬底。
如图7所示，所述外延结构位于所述衬底100上，包括依次层叠的N型半导体层102、发光层103以及P型半导体层104。发光波长设为λ，波长λ介于300~700μm，本实施例优选主波长为蓝光（445~470μm）和绿光波段（510~540μm）本实施例优选所述N型半导体层为N型GaN层，所述发光层为GaN基发光层103，所述P型半导体层为P型GaN层。当然，也可以依据实际需求选择其它种类的外延结构，并不限于此处所列举的示例。
如图7所示，所述发光外延层和衬底侧面400形成倾斜状，即发光外延结构、衬底侧面与水平面呈倾斜角，优选倾斜角度介于20~70°，发光外延结构及衬底的侧面长度≤100μm，优选≤50μm，更优选≤25μm，并于该倾斜侧面上形成柱状波导结构500。
依据需要达到反射波导效果的公式D=λ/4*n，蓝光波长范围通常为445nm~470nm，绿光波长范围通常为510nm~540nm，而斜坡长度D的设计优选≤25μm，进而得到如下波导结构的柱状个数最大范围值n，如表2所示，柱子宽度d在以下1/4λ(μm)的整数倍都可达到反射波导效果。
表2 波导结构的柱状个数最大范围值n与波长λ的关系
作为示例，以波长λ(nm)=470nm为例，如柱子宽度d在1/4λ(μm)的1倍，则柱状个数最大范围值n为213；如柱子宽度d在1/4λ(μm)的2倍，则柱状个数最大范围值n为107个；如柱子宽度d在1/4λ(μm)的5倍，则柱状个数最大范围值n为43个。
如图7所示，发光外延结构形成波导结构后，再制作P、N电极结构以实现电连接。LED结构可以是垂直式或倒装式结构，本实施例优选倒装是结构，通过共晶焊键合至一散热基板800，该基板可以选用金属基板，如Cu基板，从而使得N电极601与N焊垫701接合，P电极602与P焊垫702接合。
本实施例通过在外延层和衬底侧面分布有柱状波导结构，波导结构的宽度d于1/4λ的整数倍达到反射波导效果，能大大提升发光层发出的光线经外延层或衬底侧面的波导结构散射/反射后，再向外出射的几率，从而增强光萃取效率，提高发光二极管的亮度。本发明工艺简单，适用于工业生产。
实施例2
如图8所示，本实施例提供一种发光二极管结构，其基本结构如实施例1，其中，与实施例1的不同之处在于，本实施例仅在衬底侧面分布有柱状波导结构，而于外延层侧面不设置柱状波导结构。如此，则外延层的侧面可以是垂直的，也可以是倾斜的。同理地，可以是仅在外延层侧面分布有柱状波导结构，而于衬底侧面不设置柱状波导结构，具体可以根据工艺、结构需要制备。
如上所述，本发明的发光二极管结构及其制作方法，具有以下有益效果：
本发明通过在外延层和/或衬底侧面分布有柱状波导结构，波导结构的宽度d于1/4λ的整数倍达到反射波导效果，能大大提升发光层发出的光线经外延层或衬底侧面的波导结构散射/反射后，再向外出射的几率，从而增强光萃取效率，提高发光二极管的亮度。本发明工艺简单，适用于工业生产。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种倒装发光二极管结构，包括：
衬底；
衬底具有相对的第一表面和第二表面，发光外延结构位于衬底的第二表面，
发光外延结构，包括自衬底的第二表面依次层叠的N型半导体层、发光层以及P型半导体层，发光波长设为λ；发光外延结构与衬底侧面形成倾斜状，并且发光和衬底的侧面相对于衬底的第二表面的倾斜夹角20~70°，
其特征在于：所述发光外延结构与衬底侧面分布有柱状波导结构，所述柱状波导结构的宽度d于1/4λ的整数倍达到反射波导效果，记该整数倍为N，则N为大于等于5的自然数。
2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述λ介于300~700μm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述发光外延结构及衬底的侧面长度≤100μm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述发光外延结构、衬底侧面与水平面呈倾斜角，倾斜角度介于20~70°。
5.根据权利要求1所述的发光二极管结构，其特征在于：所述发光外延结构具有去除了部分的P型半导体层、发光层及N型半导体层所形成的N电极制备区域。
6.一种倒装发光二极管结构的制作方法，包括工艺步骤：
（1）提供一衬底，衬底具有相对的第一表面和第二表面，于所述衬底的第一表面上形成发光外延结构，所述发光外延结构包括自衬底的第一表面依次层叠的N型半导体层、发光层以及P型半导体层，发光波长设为λ；
（2）于所述发光外延结构表面上形成复合阻挡层，所述复合阻挡层包括两种蚀刻速率不同的掩膜层；
（3）通过光罩、蚀刻工艺，于所述复合阻挡层进行图案化工艺，形成外周边缘具有凹凸结构的掩膜层图案；
（4）通过蚀刻工艺，于所述发光外延结构与衬底侧面形成倾斜状，并且发光外延结构和衬底的侧面相对于衬底的第二表面的倾斜夹角为20~70°，并且发光外延结构与衬底的倾斜侧面上形成柱状波导结构，所述波导结构的宽度d于1/4λ的整数倍达到反射波导效果，记该整数倍为N，则N为大于等于5的自然数。
7.根据权利要求6所述的发光二极管结构的制作方法，其特征在于：所述λ介于300~700μm。
8.根据权利要求6所述的发光二极管结构的制作方法，其特征在于：所述发光外延结构及衬底的侧面长度≤100μm。
9.根据权利要求6所述的发光二极管结构的制作方法，其特征在于：所述发光外延结构、衬底侧面与水平面呈倾斜角，倾斜角度介于20~70°。
10.根据权利要求6所述的发光二极管结构的制作方法，其特征在于：还包括一工艺步骤，于所述发光外延结构上形成具有去除了部分的P型半导体层、发光层及N型半导体层所形成的N电极制备区域，该工艺步骤位于步骤（4）之前或者之后。
11.根据权利要求10所述的发光二极管结构的制作方法，其特征在于：还包括一工艺步骤，于所述N电极制备区域上形成N电极，于部分P型半导体层上形成P电极。
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