CN115775859A - 改善光串扰的发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种改善光串扰的发光二极管及其制备方法，属于光电子制造技术领域。该发光二极管包括：基板、外延层和光改善层，所述外延层位于所述基板上，所述光改善层位于所述外延层的侧壁；所述光改善层包括：第一膜层和第二膜层，所述第一膜层位于所述外延层的侧壁，所述第二膜层位于所述第一膜层远离所述外延层的表面，所述第一膜层的折射率与所述外延层的折射率的差值不超过0.5，所述第二膜层用于吸收入射至所述第二膜层的光线。本公开实施例能有效减少外延层的侧面出光，改善发光二极管的光串扰问题。

Description

改善光串扰的发光二极管及其制备方法

技术领域

本公开涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种改善光串扰的发光二极管及其制备方法。

背景技术

微型发光二极管(Micro Light Emitting Diode，Micro LED)是指边长在10μm至100μm的超小发光二极管，微型发光二极管的体积小，可以更密集的设置排列而大幅度提高分辨率，并且具有自发光特性，具有高亮度、高对比度、高反应性及省电的特点。

相关技术中，发光二极管通常包括基板、外延层和两个电极，外延层层叠在基板上，其中，两个电极位于外延层的表面，且分别与外延层的p型层和n型层相连。

然而，外延层发出的光线容易从外延层的侧壁出射，从而与相邻的发光二极管之间形成光串扰，影响发光二极管的发光效果。

发明内容

本公开实施例提供了一种改善光串扰的发光二极管及其制备方法，能有效减少外延层的侧面出光，改善发光二极管的光串扰问题。所述技术方案如下：

一方面，本公开实施例提供了一种发光二极管，所述发光二极管包括：基板、外延层和光改善层，所述外延层位于所述基板上，所述光改善层位于所述外延层的侧壁；所述光改善层包括：第一膜层和第二膜层，所述第一膜层位于所述外延层的侧壁，所述第二膜层位于所述第一膜层远离所述外延层的表面，所述第一膜层的折射率与所述外延层的折射率的差值不超过0.5，所述第二膜层用于吸收入射至所述第二膜层的光线。

可选地，所述第一膜层包括硅胶层和内嵌在所述硅胶层内的GaP颗粒。

可选地，所述第一膜层的折射率为2.0至3.0。

可选地，所述第二膜层包括硅胶层和内嵌在所述硅胶层内的氮化硅颗粒。

可选地，所述第二膜层远离所述第一膜层的表面呈锯齿状。

可选地，所述光改善层还包括第三膜层，所述第三膜层位于所述第二膜层远离所述外延层的表面，所述第三膜层包括硅胶层和内嵌在所述硅胶层内的碳粒。

可选地，所述光改善层还包括反射层，所述反射层位于所述第三膜层远离所述外延层的表面。

可选地，所述外延层包括依次层叠于所述基板上的第一半导体层、多量子阱层和第二半导体层，所述多量子阱层的侧壁呈锯齿状。

另一方面，本公开实施例还提供了一种发光二极管的制备方法，所述制备方法包括：制备外延片，所述外延片包括依次层叠的基板和外延层；在所述外延层的侧壁形成光改善层，所述光改善层包括：第一膜层和第二膜层，所述第一膜层位于所述外延层的侧壁，所述第二膜层位于所述第一膜层远离所述外延层的表面，所述第一膜层的折射率高于所述外延层的折射率，所述第二膜层用于吸收入射至所述第二膜层的光线。

可选地，所述制备外延片包括：在所述基板上形成所述外延层，所述外延层包括依次层叠的第一半导体层、多量子阱层和第二半导体层；刻蚀所述外延层以露出所述基板，刻蚀所述多量子阱层时，控制刻蚀上功率不小于300W，控制刻蚀下功率在功率区间内周期性先增大后减小，所述功率区间为200W至350W。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本公开实施例提供的发光二极管包括层叠在基板上的外延层，在外延层的侧壁具有光改善层，光改善层包括沿远离外延层的侧壁方向依次叠置的第一膜层和第二膜层。其中，第一膜层的折射率与外延层的折射率的差值在0.5以内，这样控制第一膜层的折射率与外延层的折射率接近，让光更容易从外延层入射至第一膜层，从而能够把外延层中侧向出射的光子更多地萃取至光改善层；待光子进入第一膜层后，再通过第二膜层吸收从第一膜层中入射而来的光线，从而避免光线从光改善层出射，即减少了外延层的侧向出光，改善发光二极管的光串扰问题。

附图说明

为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的一种发光二极管的结构示意图；

图2是图1提供的一种A处局部放大图；

图3是本公开实施例提供的另一种发光二极管的俯视图；

图4是本公开实施例提供的一种发光二极管的制备方法的流程图；

图5是本公开实施例提供的一种刻蚀时下功率的周期变化示意图。

图中各标记说明如下：

10、基板；

20、外延层；21、第一半导体层；22、多量子阱层；23、第二半导体层；24、凹槽；

30、光改善层；31、第一膜层；32、第二膜层；33、第三膜层；34、反射层；

41、第一电极；42、第二电极；

50、钝化层；51、通孔；

61、第一焊点块；62、第二焊点块；

70、保护层。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

图1是本公开实施例提供的一种发光二极管的结构示意图。如图1所示，发光二极管包括：基板10、外延层20和光改善层30，外延层20位于基板10上，光改善层30位于外延层20的侧壁。

图2是图1提供的一种A处局部放大图。如图2所示，光改善层30包括：第一膜层31和第二膜层32，第一膜层31位于外延层20的侧壁，第二膜层32位于第一膜层31远离外延层20的表面，第一膜层31的折射率与外延层20的折射率的差值不超过0.5，第二膜层32用于吸收入射至第二膜层32的光线。

本公开实施例提供的发光二极管包括层叠在基板10上的外延层20，在外延层20的侧壁具有光改善层30，光改善层30包括沿远离外延层20的侧壁方向依次叠置的第一膜层31和第二膜层32。其中，第一膜层31的折射率与外延层20的折射率的差值在0.5以内，这样控制第一膜层31的折射率与外延层20的折射率接近，让光更容易从外延层20入射至第一膜层31，从而能够把外延层20中侧向出射的光子更多地萃取至光改善层30；待光子进入第一膜层31后，再通过第二膜层32吸收从第一膜层31中入射而来的光线，从而避免光线从光改善层30出射，即减少了外延层20的侧向出光，改善发光二极管的光串扰问题。

可选地，基板10为蓝宝石基板10。蓝宝石基板10透光率比较高，即基板10为透明基板10。且蓝宝石材料比较坚硬，化学特性比较稳定，使发光二极管具有良好的发光效果和稳定性。

本公开实施例中，如图1所示，外延层20可以包括依次层叠于基板10上的第一半导体层21、多量子阱层22和第二半导体层23。其中，第一半导体层21和第二半导体层23中的一个为p型层，第一半导体层21和第二半导体层23中的另一个为n型层。

作为一种示例，第一半导体层21为p型层，第二半导体层23为n型层。

可选地，第一半导体层21为n型AlGaInP层。n型AlGaInP层的厚度可为0.5μm至3μm。

可选地，多量子阱层22包括交替生长的AlGaInP量子阱层和AlGaInP量子垒层，AlGaInP量子阱层和AlGaInP量子垒层中Al的含量不同。其中，多量子阱层22可以包括交替层叠的3至8个周期的AlGaInP量子阱层和AlGaInP量子垒层。

作为示例，本公开实施例中，多量子阱层22包括交替层叠的5个周期的AlGaInP量子阱层和AlGaInP量子垒层。

可选地，多量子阱层22的厚度可以为150nm至200nm。

可选地，第二半导体层23为掺铟的p型AlInP层。p型AlInP层的厚度可为0.5μm至3μm。

示例性地，如图1所示，多量子阱层22的侧壁呈锯齿状。通过对多量子阱层22的侧壁进行粗化，使得多量子阱层22的侧壁比较粗糙，让多量子阱层22的侧壁呈锯齿状，从而光子容易通过多量子阱层22的侧壁进入改善层，减少紊乱方向光子的产生，进一步减少了串扰问题。

可选地，如图1所示，发光二极管还包括第一电极41、第二电极42和钝化层50，第二半导体层23的表面具有露出第一半导体层21的凹槽24，第一电极41位于凹槽24内，第二电极42位于第二半导体层23远离基板10的表面，钝化层50至少位于第二半导体层23的表面、凹槽24的底面、第一电极41的表面和第二电极42的表面上。

其中，第一电极41为p型电极，第二电极42为n型电极。

示例性地，如图1所示，钝化层50可以是分布式布拉格反射镜(DistributedBraggReflection，简称DBR层)，DBR层包括多个周期性交替层叠的SiO₂层和TiO₂层。且DBR层的周期数可以在20至50之间。例如，DBR层的周期数为32。

其中，DBR层中SiO₂层的厚度可以是800埃至1200埃，TiO₂层的厚度可以是500埃至900埃。

DBR层除了具有钝化作用外，还用于将从多量子阱层22射向DBR层的光反射至基板10，提高出光效果。

可选地，如图1所示，发光二极管还包括：第一焊点块61和第二焊点块62，第一焊点块61和第二焊点块62位于钝化层50上，第一焊点块61通过一个通孔51与第一电极41连接，第二焊点块62通过另一个通孔51与第二电极42连接。

图3是本公开实施例提供的另一种发光二极管的俯视图。如图3所示，第一焊点块61和第二焊点块62均为矩形块，增大面积，便于导电。且在钝化层50的表面上，第一焊点块61和第二焊点块62间隔分布。

可选地，如图1所示，在钝化层50的表面和改善层还设有保护层70，且保护层70从钝化层50的表面和改善层的表面延伸至基板10，且保护层70具有露出第一焊点块61和第二焊点块62的通孔51，以便于通电连接。

示例性地，本公开实施例中，保护层70可以是氧化硅层，氧化硅层的厚度为2000埃。

可选地，第一膜层31包括硅胶层和内嵌在硅胶层内的GaP颗粒。

通过在硅胶层内掺入GaP颗粒，能提升硅胶层整体的折射率，让第一膜层31的折射率能够接近与外延层20的折射率，让第一膜层31和外延层20的折射率差值较小。让光更容易从外延层入射至第一膜层，提升光的入射率，从而把外延层20中侧向出射的光子更多地萃取至光改善层30，让光子更多地进入改善层，能减少紊乱方向光子的产生，减少串扰问题。

示例性地，第一膜层31的折射率为2.0至3.0。例如，硅胶层中掺入GaP颗粒后，第一硅胶层的折射率可以是2.5。

可选地，第二膜层32包括硅胶层和内嵌在硅胶层内的氮化硅颗粒。

通过在硅胶层内加入可吸收光子的氮化硅颗粒，使得第二膜层32具备吸光的作用。让第二膜层32能吸收从第一膜层31中入射而来的光线，从而避免光线从光改善层30出射，减少了外延层20的侧向出光。

示例性地，如图2所示，第二膜层32远离第一膜层31的表面呈锯齿状。

其中，可以对第二膜层32粗化处理，让第二膜层32的表面呈锯齿状，通过锯齿来增加萃取率，让更多的光线入射至第二膜层32并被吸收。

可选地，如图2所示，光改善层30还包括第三膜层33，第三膜层33位于第二膜层32远离外延层20的表面，第三膜层33包括硅胶层和内嵌在硅胶层内的碳粒。

通过在第二膜层32远离外延层20的表面设置第三膜层33，并在第三膜层33内嵌入黑色的碳粒，让第三膜层33呈黑色，从而利用黑色的胶层吸收从第二膜层32中出射的光线，避免光线进一步向外出射。

可选地，如图2所示，光改善层30还包括反射层34，反射层34位于第三膜层33远离外延层20的表面。

示例性地，反射层34可以是金属层，例如，反射层34是Cr层。通过金属层能够保证把残余光子吸收掉，避免光线从外延层20的侧向出射，减少外延层20的侧向出光，改善发光二极管的光串扰问题。

图4是本公开实施例提供的一种发光二极管的制备方法的流程图。该方法用于制备图1所示的发光二极管。如图4所示，该制备方法包括：

S11：制备外延片。

其中，外延片包括外延片包括依次层叠的基板和外延层。

示例性地，外延层可以包括依次层叠于基板上的第一半导体层、多量子阱层和第二半导体层。其中，第一半导体层和第二半导体层中的一个为p型层，第一半导体层和第二半导体层中的另一个为n型层。

作为一种示例，第一半导体层为p型层，第二半导体层为n型层。

步骤S11中制作外延片可以包括以下几步：

第一步，提供一GaAs片。

第二步，在GaAs片上生长依次层叠的第二半导体层、多量子阱层和第一半导体层。

示例性地，第二半导体层可以是n型AlGaInP层。n型AlGaInP层的厚度可为0.5μm至3μm。

示例性地，第一半导体层为掺铟的p型AlInP层。p型AlInP层的厚度可为0.5μm至3μm。

可选地，多量子阱层包括交替生长的AlGaInP量子阱层和AlGaInP量子垒层，AlGaInP量子阱层和AlGaInP量子垒层中Al的含量不同。其中，多量子阱层可以包括交替层叠的3至8个周期的AlGaInP量子阱层和AlGaInP量子垒层。

作为示例，本公开实施例中，多量子阱层包括交替层叠的5个周期的AlGaInP量子阱层和AlGaInP量子垒层。

可选地，多量子阱层的厚度可以为150nm至200nm。

第二步中，在生长第二半导体层前还可以先生长腐蚀截止层，且在生长多量子阱层之前可以生长AlInP载流子限制层。

在生长第一半导体层之后还可以生长GaP窗口层，其中，GaP窗口层的厚度为10000埃至20000埃。

示例性地，GaP窗口层的厚度为11000埃。

第三步，在第一半导体层和蓝宝石基板之间形成键合层，将外延层键合到蓝宝石基板上，并去除GaAs片，以得到外延片。

由于蓝宝石基板透光率比较高，且蓝宝石材料比较坚硬，化学特性比较稳定，因此采用蓝宝石基板能使发光二极管具有良好的发光效果和稳定性。

具体可以包括：在第二半导体层的表面涂布氧化硅液体，将蓝宝石基板置于第二半导体层的表面。并对外延片加热，加热固化氧化硅液体以在第二半导体层和蓝宝石基板之间形成键合层。

可选选地，外延片的加热温度为250℃至350℃。示例性地，加热温度可以是300℃。

步骤S11中，在基板上形成外延层后，制备方法还可以包括以下几步：

第一步，刻蚀第二半导体层的表面，形成露出第一半导体层的凹槽。

第二步，刻蚀外延层以露出基板。

图5是本公开实施例提供的一种刻蚀时下功率的周期变化示意图。如图5所示，在刻蚀多量子阱层时，控制刻蚀上功率不小于300W，控制刻蚀下功率在功率区间内周期性先增大后减小，功率区间为200W至350W。

如图1所示，刻蚀时控制刻蚀上功率在300W以上，并控制下功率在200W和350W之间变化，从而让凹槽的侧壁上对应多量子阱层的区域和外延层的侧壁上对应多量子阱层的区域呈锯齿状。

S12：在外延层的侧壁形成光改善层。

其中，光改善层包括：第一膜层和第二膜层，第一膜层位于外延层的侧壁，第二膜层位于第一膜层远离外延层的表面，第一膜层的折射率高于外延层的折射率，第二膜层用于吸收入射至第二膜层的光线。

可选地，第一膜层包括硅胶层和内嵌在硅胶层内的GaP颗粒。通过在硅胶层内掺入GaP颗粒，能提升硅胶层整体的折射率，把外延层中侧向出射的光子更多地萃取至光改善层，减少紊乱方向光子的产生，减少串扰问题。示例性地，第一膜层的折射率为2.0至3.0。例如，硅胶层中掺入GaP颗粒后，第一硅胶层的折射率可以是2.5。

可选地，第二膜层包括硅胶层和内嵌在硅胶层内的氮化硅颗粒。通过在硅胶层内加入可吸收光子的氮化硅颗粒，使得第二膜层具备吸光的作用。让第二膜层能吸收从第一膜层中入射而来的光线，减少了外延层的侧向出光。

示例性地，如图2所示，第二膜层远离第一膜层的表面呈锯齿状。其中，可以对第二膜层粗化处理，让第二膜层的表面呈锯齿状，通过锯齿来增加萃取率，让更多的光线入射至第二膜层并被吸收。

可选地，如图2所示，光改善层还包括第三膜层，第三膜层位于第二膜层远离外延层的表面，第三膜层包括硅胶层和内嵌在硅胶层内的碳粒。通过在第二膜层远离外延层的表面设置第三膜层，并在第三膜层内嵌入黑色的碳粒，让第三膜层呈黑色，从而利用黑色的胶层吸收从第二膜层中出射的光线，避免光线进一步向外出射。

可选地，如图2所示，光改善层还包括反射层，反射层位于第三膜层远离外延层的表面。示例性地，反射层可以是金属层，例如，反射层是Cr层。通过金属层能够保证把残余光子吸收掉，避免光线从外延层的侧向出射，减少外延层的侧向出光，改善发光二极管的光串扰问题。

本公开实施例中，制备第一膜层时，先在外延层的侧壁形成液态的硅胶，然后将GaP颗粒掺入液态的硅胶中，固化硅胶得到第一膜层。

制备第二膜层时，在液态的硅胶中掺入氮化硅颗粒，采用涂布的方式在第一膜层的表面形成液态的硅胶层，固化得到第二膜层，再对第二膜层图形化处理，得到锯齿状的第二膜层。

制备第三膜层时，在液态的硅胶中掺入碳粒，采用涂布的方式在第二膜层上形成液态的硅胶层，固化得到第三膜层。

最后，在第三膜层的侧壁通过45度蒸镀的方式形成Cr层。

步骤S12之后还包括以下几步：

第一步，在外延片上制作第一电极和第二电极。

其中，第一电极位于凹槽内，第二电极位于第二半导体层远离基板的一侧。

其中，形成第一电极和第二电极可以包括：采用负胶剥离的方式分别加工第一电极和第二电极。

其中，第一电极以金铍为主体成分，第二电极以金锗为基层材料蒸镀，金锗合金蒸发时也需要保证蒸发的功率，避免蒸发时间超过秒钟，以防止合金成分的偏离，并进行退火。

第二步，制作完成两个电极后，在外延片上形成钝化层。钝化层至少位于第二半导体层、第一电极、凹槽和第二电极上。

第三步，在钝化层上制作分别露出第一电极和第二电极的两个通孔。

第四步，形成通孔后，在钝化层的表面制作第一焊点块和第二焊点块，第一焊点块通过一个通孔与第一电极连接，第二焊点块通过另一个通孔与第二电极连接。

在钝化层的表面采用光刻的方式形成第一焊点块，使得第一焊点块通过一个通孔与第一电极连接；然后，在钝化层的表面采用光刻的方式形成第二焊点块，使得第二焊点块通过另一个通孔与第二电极连接。

本公开实施例中，第一焊点块和第二焊点块均可以包括依次层叠的Ti层、第一Ni层、Au层、第二Ni层和Sn合金层。

示例性地，Ti层的厚度可以是500埃至1500埃，例如，Ti层的厚度可以是1000埃。

示例性地，第一Ni层的厚度可以是500埃至1500埃，例如，第一Ni层的厚度可以是1000埃。

示例性地，Au层的厚度可以是8000埃至12000埃，例如，Au层的厚度可以是10000埃。

示例性地，第二Ni层的厚度可以是2000埃至4000埃，例如，第二Ni层的厚度可以是3000埃。

示例性地，Sn合金层的厚度可以是80000埃至100000埃，例如，Sn合金层的厚度可以是90000埃。

本公开实施例中，制作完第一焊点块和第二焊点块后，制备方法还可以包括：在钝化层的表面制作保护层，且保护层从钝化层的表面延伸至基板。

示例性地，本公开实施例中，保护层可以是氧化硅层，氧化硅层的厚度为2000埃。

需要说明的是，在钝化层的表面生长保护层后，可以采用光刻技术在保护层表面刻蚀出露出焊点块的通孔，以便于通电连接。

最后，可以对蓝宝石进行隐形切割划裂，隐形切割划裂可以较好的减少亮度的损失。然后，测试得到发光二极管。

以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括：基板(10)、外延层(20)和光改善层(30)，所述外延层(20)位于所述基板(10)上，所述光改善层(30)位于所述外延层(20)的侧壁；

所述光改善层(30)包括：第一膜层(31)和第二膜层(32)，所述第一膜层(31)位于所述外延层(20)的侧壁，所述第二膜层(32)位于所述第一膜层(31)远离所述外延层(20)的表面，所述第一膜层(31)的折射率与所述外延层(20)的折射率的差值不超过0.5，所述第二膜层(32)用于吸收入射至所述第二膜层(32)的光线。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一膜层(31)包括硅胶层和内嵌在所述硅胶层内的GaP颗粒。

3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述第一膜层(31)的折射率为2.0至3.0。

4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第二膜层(32)包括硅胶层和内嵌在所述硅胶层内的氮化硅颗粒。

5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述第二膜层(32)远离所述第一膜层(31)的表面呈锯齿状。

6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述光改善层(30)还包括第三膜层(33)，所述第三膜层(33)位于所述第二膜层(32)远离所述外延层(20)的表面，所述第三膜层(33)包括硅胶层和内嵌在所述硅胶层内的碳粒。

7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述光改善层(30)还包括反射层(34)，所述反射层(34)位于所述第三膜层(33)远离所述外延层(20)的表面。

8.根据权利要求1至7任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述外延层(20)包括依次层叠于所述基板(10)上的第一半导体层(21)、多量子阱层(22)和第二半导体层(23)，所述多量子阱层(22)的侧壁呈锯齿状。

9.一种发光二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

制备外延片，所述外延片包括依次层叠的基板和外延层；

在所述外延层的侧壁形成光改善层，所述光改善层包括：第一膜层和第二膜层，所述第一膜层位于所述外延层的侧壁，所述第二膜层位于所述第一膜层远离所述外延层的表面，所述第一膜层的折射率高于所述外延层的折射率，所述第二膜层用于吸收入射至所述第二膜层的光线。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述制备外延片包括：

在所述基板上形成所述外延层，所述外延层包括依次层叠的第一半导体层、多量子阱层和第二半导体层；

刻蚀所述外延层以露出所述基板，刻蚀所述多量子阱层时，控制刻蚀上功率不小于300W，控制刻蚀下功率在功率区间内周期性先增大后减小，所述功率区间为200W至350W。

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