CN111201617A - 一种发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于半导体技术领域，具体涉及一种发光二极管芯片及其制备方法，发光二极管芯片包括：衬底层，该衬底层的表面依次设置有N型半导体层、发光层、P型半导体层及电极，所述衬底层上开设有多个贯穿所述衬底层的预设图形，以通过所述预设图形在所述衬底层形成的通道反射出预设波长的光。本申请在衬底(sapphire)层上开多个预设图形，因所开的预设图形贯通所述sapphire层，从而降低了sapphire层的覆盖率，提高了发光二极管芯片的散热效率。同时，本申请利用光波导原理可以根据需要将具有一定波长的光导出，提高了演色性。使得人眼可以感受的光不容易有色偏的感受。
Description
技术领域
本申请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
发光二极管(Light-Emitting-Diode，LED)是一种能将电转化为光的半导体电子元件。以目前白光LED而言，通常采用的是将蓝光+YAG荧光粉(YAG是钇铝石榴石的简称，化学式为Y3Al5O12，是由Y2O3和Al2O3反应生成的一种复合氧化物，属立方晶系，具有石榴石结构)，以2.5nm为一单位，搭配针对此波长的荧光粉。举例来说455nm的混合白光与450nm的荧光粉比例不同，才能将白光控制在CIE(Commission International edeL'Eclairage，国际照明委员会)X＝0.33Y＝0.33的色坐标位置，此时所发出的白光半宽才相对较窄。
u-LED为利用三原色RGB激发成的白光，其有别于蓝光+YAG荧光粉模式所激发的白光，采用现有的发光二极管芯片结构由于衬底层(sapphire层)的覆盖率高，影响了芯片的散热，同时所发出的蓝光半宽(Full width at half maximum，FWHM)较宽，且因蓝光+YAG荧光粉缺少红色来源导致演色性较低和色温偏冷。
因而，现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种发光二极管芯片及其制备方法，旨在解决现有发光二极管芯片，散热效果不佳，演色性不佳的问题。
本申请的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种发光二极管芯片，包括：衬底层，所述衬底层的表面依次设置有N型半导体层、发光层、P型半导体层及电极，所述衬底层上开设有多个贯穿所述衬底层的预设图形，以通过所述预设图形在所述衬底层形成的通道反射出预设波长的光。
可选地，所述预设图形的内表面设置有反射层。
可选地，所述反射层的材质为金属，所述金属为铝、铜和金中的任一种。
可选地，所述预设图形的宽度为所述发光层所产生光的波长的整数倍，且所述预设图形的宽度小于所述发光二极管芯片的直径。
可选地，所述预设图形为圆形和/或多边形。
可选地，任意两个相邻的所述预设图形之间的距离小于所述发光二极管芯片的直径。
可选地，所述电极包括P电极及N电极，所述P电极设于所述P型半导体层的表面，所述N电极设于所述N型半导体层远离所述衬底层的表面。
可选地，所述发光层为多量子阱有源层。
第二方面，本申请提供一种发光二极管芯片的制备方法，包括步骤：
在衬底层表面依次制备N型半导体层、发光层、P型半导体层，以及在所述N型半导体层设置P电极，以及在所述N型半导体层设置N电极；
在所述衬底层上制备出贯穿所述衬底层的预设图形，以通过所述预设图形在所述衬底层形成的通道反射出预设波长的光。
可选地，还包括步骤：在所述预设图形的内表面上镀一金属反射层。
有益效果：本申请所提供的发光二极管芯片，通过在衬底(sapphire)层上开设多个预设图形，因所开的预设图形贯通所述sapphire层，从而降低了sapphire层的覆盖率，提高了发光二极管芯片的散热效率。同时，本申请利用光波导原理可以根据需要将具有一定波长的光导出，集中所需波长将不要的波长挡掉因而在显示屏上提高了演色性。使得人眼可以感受的光不容易有色偏的感受。
附图说明
图1为本申请提供的发光二极管芯片剖面结构示意图。
图2为光波导原理图。
图3为本申请所提供的在预设图形上设置反射层后的倒装发光二极管芯片剖面结构示意图。
图4为本申请所提供的经蚀刻处理后的倒装发光二极管芯片正视图。
具体实施方式
本申请提供一种发光二极管芯片及其制备方法，为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施方式对本申请作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
请参考图1，本申请所提供的发光二极管芯片10包括，衬底层100，衬底层100的表面依次设置有N型半导体层210、发光层220、P型半导体层230、P电极310及N电极320。衬底层100上开设有多个贯穿衬底层100的预设图形110，以通过预设图形110在衬底层100形成的通道反射出预设波长的光。
可选地，该N型半导体层210设置在衬底层100的表面，N型半导体层210包括第一侧面211及第二侧面212。在第一侧面211上形成有一台面240，该台面240的深度小于N型半导体层210的厚度。
可选地，N电极320设置在台面240上。
可选地，在N型半导体层210的第二侧面212上设置有发光层220。
可选地，该P型半导体层230设置在发光层220表面上，P电极310设置在P型半导体层230的表面上。
可选地，预设图形110用于贯穿衬底层100，并通过在衬底层100形成的通道将发光层220所发出的光反射出来。
需要说明的是，各层的生长方式，及蚀刻技术均为本领域常用技术，具体操作步骤在此不做赘述。
进一步，预设图形110的宽度为发光层220所产生光的波长的整数倍，且预设图形110所形成的通道的宽度小于发光二极管芯片的直径。
在本实施例中，发光层220所产生的光为利用三原色RGB激发成的白光，将预设图形110的宽度设置为发光层220所产生光的波长的整数倍，目的是为了保证光通过预设图形110后发生全反射。由于预设图形110的宽度可以根据实际的需要进行精确的设定，因此可以根据预设图形110的宽度将需要的光反射出来。
进一步，在衬底层100上开设多个贯穿衬底层的预设图形110，以使从所述发光二极管芯片10的发光层220产生光的波长为与所述预设图形110大小相关的白光，通过开设贯通衬底层100的预设图形110，降低衬底层100的覆盖率，从而降低发光二极管芯片10发热。同时由于经预设图形110所导出的光波长为所需波长，从而可以提高演色性。
本实施例中光波导原理为：
假设导波光是相干单色光，并假定光波导由无损耗，各向同性，非磁性的无源介质构成，光为电磁波的一种，在特定波长与特定空间下光将被局限在特定空间下达成全反射。结合图2，如图中(a)-(e)所示，光在平板波导中的传播可以看做是光线在基底层和覆盖层的分界面上发生全反射，在膜层中沿Z字形路径传播。光在波导中以锯齿形沿Z方向传播，光在x方向收到约束，而在y方向不受约束。
在平板波导中，n1>n2且n1>n3，当入射光的入射角θ1超过临界角θ0时，
入射光发生全反射，此时，在反射点产生一定的位相跃变，根据菲涅尔反射公式：
推导出反射点的位相跃变
为：
式中：β＝k0 n1sinθ1为光的传播常数，k0＝2π/λ为光在真空中的波数，λ是光波长。
要使光在波导中稳定的传播，要求：β
其中，k＝k0n1cosθ，
为全反射的相位差，T为波导的厚度，m为模序数，即从零开始的正整数，所以，只有入射角满足上式的光才能在光波导中稳定的传播，称其为平板波导的色散方程。
利用上述光波导原理，在本实施方式中，由发光层220所产生的光通过N型半导体层210，进入到预设图形110在衬底层100形成的通道中，预设图形110可对应平板波导，预设图形110的宽度对应与波导的厚度(T)，发光层220产生的光在通道中沿Z字形路径传播，此时，n2＝n3为衬底层100折射率，n1为空气折射率。由公式
其中，k＝k0n1cosθ，k0＝2π/λ，则可以推导出
其中，m＝0,1,2,3……，
为全反射的相位差。
在一些实施方式中，对sapphire层100进行显影曝光定义出预设图形110，其中预设图形110包括但不限于圆形、六边形、正方形、八边形等。作为举例，本实施方式中预设图形110为圆形。预设图形110可以是单独的圆形或者多边形，也可以是圆形与多边形的组合，作为举例可以是圆形与正方形按照预定的规律进行排列组合，也可以是正方形与六边形按照预定的规律进行排列组合。
将曝光定义出的圆形采用蚀刻法将圆形形成，蚀刻法可以是干蚀刻法也可以是湿蚀刻法。蚀刻得到的圆形孔的直径为需要导出的光波长的整数倍，且所述预设图形110的宽度小于所述发光二极管芯片10的直径。圆孔的深度为sapphire层100的厚度。而圆孔之间的距离(孔间距)可以为孔直径的M倍，如1倍、2倍……，但是最大的孔间距要小于所述所述发光二极管芯片10的直径。在衬底层100上开设圆形的预设图形110的正视图如图4所示。
可选地，预设波长可以是455nm至465nm，例如，预设波长可以是460纳米。
当然，在实际使用中，预设波长的具体大小可以根据发光层220所发出的光的波长来决定，在此，不作具体限定。
进一步，例如待导出的光的波长为400nm，则圆孔的直径为400nm或者是400nm的N倍，如1倍、2倍……，但是最大的孔直径要小于所述所述发光二极管芯片的直径。同理，待导出的光的波长为550nm则圆孔的直径为550nm或者550nm的N倍，如1倍、2倍，3倍，……，但是最大的孔直径要小于所述所述发光二极管芯片10的直径。通常sapphire层100的标准深度是600um，则圆孔的深度可以设为600um。也即无论衬底层100厚度为多厚均须蚀刻到N型半导体层210。
如图3所示，在一些实施方式中，sapphire层上的预设图形内侧壁上还设置有用于提升光反射效果的反射层120。例如可以在预设图形的内侧壁上电镀一层金属铝、金属铜或金等以形成该反射层120。反射层120的厚度应满足设置有反射层后预设图形的直径还应满足直径为需要导出的光波长的整数倍，且所述预设图形的宽度小于所述发光二极管芯片的直径。
在一些实施方式中，发光二极管芯片中的发光层可以是多量子阱有源层(MQW)，MQW层所产生的光波长为400-465nm。采用MQW层作为发光层，所产生的光具有亮度高的特点，同时将光波限定在400-465nm，使得发光二极光芯片所发出的光控制的半宽在较窄的范围内。
MQW层所产生的光经由内部MQW层依次经过N-GaN层和sapphire层到达外部空间。
需要说明的是，当MQW发光波长范围为455nm-465nm时，本申请提供的发光二极管芯片将会正面出光的波长局限在460nm附近(应理解，由于光在特定空间才能达成全反射，而想将需要的波长取出，对于455nm的波长或是465nm的波长的通道来说，这两者都不是全反射条件，因此在一定路径下会因折射从其他角度出光或是因折射无出去路径变成热能，即会出现损失，以使得正面出光的波长局限在460nm附近)。
另外，还可以将本申请提供的发光二极管芯片，同现有的荧光粉+封装胶结构的发光二极管进行结合，得到相类似的效果。
本申请还提供了一种发光二极管芯片的制备方法，包括：
S100、在衬底层表面依次制备N型半导体层、发光层、P型半导体层，以及在所述N型半导体层设置P电极，以及在所述N型半导体层设置N电极；
步骤S100中各层的制备工艺以及各层所用材料均为现有成熟技术，在此不在赘述。
S200、在所述衬底层上制备出贯穿所述衬底层的预设图形，以通过所述预设图形在所述衬底层形成的通道反射出预设波长的光。
作为一种实施方式，S200是在sapphire层上先用黄光配合光罩显影曝光定义所需要的预设图形，然后用蚀刻法将需要的预设图形刻出，预设图形的直径以及任一两个预设图形之间的距离，可根据需要导出的光的波长进行设定。
在一个实施例中，在蚀刻后得到的预设图形上设置反射层时，可对预设图形再进行一次黄光，在其上蒸镀或是溅镀上一层金属，以提高反射效果。其中，黄光的具体操作步骤为现有技术，此处不做赘述。
可选地，本申请提供的发光二极管芯片的厚度可以为从5微米到10微米、从10微米到50微米、从50微米到100微米、从100微米到200微米的厚度。
可选地，本申请提供的发光二极管芯片具有从2um到5um、从5um到10um、从10um到20um或从20um到50um的宽度。
可选地，本申请提供的发光二极管芯片具有从2um到5um、从5um到10um、从10um到20um或从20um到50um的长度。
综上所述，本申请所提供的一种发光二极管芯片，通过在衬底(sapphire)层上开多个预设图形，因所开的预设图形贯通所述sapphire层，从而降低了sapphire层的覆盖率，提升了发光发光二极管芯片的散热功能。同时，本申请利用光波导原理从发光层所发出的光波长中导出所需波长，提高了演色性。
应当理解的是，本申请的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本本申请所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种发光二极管芯片，包括：衬底层，所述衬底层的表面依次设置有N型半导体层、发光层、P型半导体层及电极，其特征在于，所述衬底层上开设有多个贯穿所述衬底层的预设图形，以通过所述预设图形在所述衬底层形成的通道反射出预设波长的光。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述预设图形的内表面设置有反射层。
3.根据权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述反射层的材质为金属，所述金属为铝、铜和金中的任一种。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述预设图形的宽度为所述发光层所产生光的波长的整数倍，且所述预设图形的宽度小于所述发光二极管芯片的直径。
5.根据权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述预设图形为圆形和/或多边形。
6.根据权利要求5所述的发光二极管芯片，其特征在于，任意两个相邻的所述预设图形之间的距离小于所述发光二极管芯片的直径。
7.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述电极包括P电极及N电极，所述P电极设于所述P型半导体层的表面，所述N电极设于所述N型半导体层远离所述衬底层的表面。
8.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述发光层为多量子阱有源层。
9.一种发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，方法包括步骤：
在衬底层表面依次制备N型半导体层、发光层、P型半导体层，以及在所述N型半导体层设置P电极，以及在所述N型半导体层设置N电极；
在所述衬底层上制备出贯穿所述衬底层的预设图形，以通过所述预设图形在所述衬底层形成的通道反射出预设波长的光。
10.根据权利要求9所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，还包括步骤：在所述预设图形的内表面上镀一金属反射层。
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