CN116259694A - 一种led芯片及其制造方法及led显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LED芯片及其制造方法及LED显示装置，该LED芯片的外延结构形成有内陷的凹槽结构，该凹槽结构的侧壁与LED芯片的出光面的法线方向具有一夹角，使得该凹槽结构的侧壁为倾斜侧壁，当LED芯片发出的光散射至该倾斜侧壁时，倾斜侧壁对齐进行反射及聚集，使得LED发出的光尽可能地局限在法线方向，由此大大减小LED芯片的出光角，增加LED芯片法线方向的出光量以及LED芯片的出光效率。另外，上述结构与LED芯片电极侧的反射结构共同作用，进一步增加对LED发出的光的反射，能够进一步增加LED芯片法线方向的出光量以及LED芯片的出光效率。本发明的显示装置包括上述LED芯片，上述LED芯片能够提高显示装置的显示效果，同时有利于降低显示装置的功耗。

Description

一种LED芯片及其制造方法及LED显示装置
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种LED芯片及其制造方法。
背景技术
LED以发光效率高、使用寿命长、安全可靠和环保节能的特点受到广泛的重视。其中的micro LED芯片通常是无衬底的LED芯片。现有技术中，形成LED芯片的外延层之后，为了实现P/N电极与半导体层的电性连接，通常采用等离子体刻蚀的方式，刻蚀外延层形成台面或者孔洞，在台面或孔洞中制作金属叠层作为电极。
当电流由P电极流至N电极时，电流会引发发光层内电子耀迁而发光。然而，电流导致发光层发出的光没有方向性，即发出的光为发散光。为了提升发光层发出的光的利用率，通常在LED芯片电极侧制备反射层或者反射镜，将发散光反射至LED芯片的出光面，以其达到较好的光利用率。不过，即使设置上述反射层或反射镜，LED芯片的出光角度仍然在+/-70度左右，最佳的出光角仍然达不到出光面的法线角度(即0度角)。
因此，急需一种方案能够改善micro LED芯片的发出的光的出光角，增强LED芯片的发光利用率。
发明内容
鉴于现有技术中LED芯片，尤其是micro LED芯片存在的上述问题，本发明提供一种LED芯片及其制造方法，本发明中，LED芯片的外延层形成有内陷的凹槽结构，该凹槽结构的侧壁与LED芯片的出光面的法线方向具有一定的倾斜角，由此当LED芯片发出的光散射至该侧壁时，侧壁对该光进行反射，使其向上述法线方向聚拢，进一步优化LED芯片的出光角度，增加光利用率。
根据本发明的一个实施例，提供一种LED芯片，该LED芯片包括：
外延结构，所述外延结构包括第一半导体层、有源层以及与所述第一半导体层的导电类型相反的第二半导体层，所述外延结构形成有凹槽结构，所述凹槽结构自所述第一半导体层向所述第二半导体层的方向凹陷，并且所述凹槽结构的表面形成所述LED芯片的出光面。
可选地，所述凹槽结构的截面为倒梯形。
可选地，所述凹槽结构的侧壁与所述外延结构的出光面的法线方向之间的夹角介于15°～65°。
可选地，所述凹陷结构的深度与所述LED芯片的厚度比介于0.1～0.45。
可选地，所述LED芯片还包括电极结构，所述电极结构包括与所述第一半导体层电性连接的第一电极，以及与所述第二半导体层电性连接的第二电极。
可选地，还包括反射结构，所述反射结构形成在所述电极结构与所述外延结构之间的反射结构。该反射结构与外延结构的上述凹槽结构共同作用，进一步优化LED芯片的出光角度，增加光利用率。
根据本发明的另一实施例，提供一种LED芯片的制造方法，该方法包括以下步骤：
提供生长衬底，并刻蚀所述生长衬底上在所述生长衬底上形成凸起部；
在所述生长衬底上依次生长第一半导体层、有源层以及与所述第一半导体层的导电类型相反的第二半导体层，形成外延结构；
剥离所述生长衬底，得到具有与所述凸起部相对应的凹槽结构的LED芯片。
可选地，所述生长衬底上形成的所述凸起部的截面形状为梯形。
可选地，所述生长衬底上形成的所述凸起部的侧壁与所述衬底表面的法线方向的夹角介于15°～65°。
可选地，所述凸起部的高度与所述LED芯片的厚度的比值介于0.1～0.45。
可选地，所述LED芯片的制造方法还包括以下步骤：
刻蚀所述凸起结构两侧的所述生长衬底上方的所述外延结构，直至暴露所述生长衬底形成隔离槽，所述隔离槽将所述外延结构分隔为分立结构。
可选地，所述LED芯片的制造方法还包括以下步骤：
在除所述第一电极结构和所述第二电极结构之外的所述外延结构的表面及侧壁上形成反射结构。
根据本发明的另一实施例，提供一种LED显示装置，其包括：
电路基板；以及
位于所述电路基板上的发光器件，所述发光器件通过所述线路层焊接至所述基板，其中所述发光器件包括本发明所述的LED芯片。
如上所述，本发明的LED芯片及其制造方法，具有以下有益效果：
本发明提供的LED芯片的外延结构形成有内陷的凹槽结构，该凹槽结构的侧壁与LED芯片的出光面的法线方向具有一夹角，使得该凹槽结构的侧壁为倾斜侧壁，当LED芯片发出的光散射至该倾斜侧壁时，倾斜侧壁对齐进行反射及聚集，使得LED发出的光尽可能地局限在法线方向，由此大大减小LED芯片的出光角，增加LED芯片法线方向的出光量以及LED芯片的出光效率。另外，上述结构与LED芯片电极侧的反射结构共同作用，进一步增加对LED发出的光的反射，能够进一步增加LED芯片法线方向的出光量以及LED芯片的出光效率。包括上述LED芯片的显示装置也因此具有更好的显示效果，并且具有低功耗的优点。
本发明通过刻蚀生长衬底，在生长衬底上形成凸起部，然后在衬底上生长外延结构，然后通过激光剥离技术将生长衬底剥离，最终形成具有与凸起部互补的凹槽结构的LED芯片。该方法通过对生长衬底的处理得到上述结构，制程简单，节约成本。
附图说明
图1显示为现有技术中LED芯片的结构示意图。
图2显示为本发明一实施例提供的LED芯片的结构示意图。
图3显示为本发明另一实施例提供的LED芯片的制造方法的流程示意图。
图4显示为提供的衬底的结构示意图。
图5显示为在图4所示衬底上方形成外延结构的示意图。
图6显示为在图5所示的外延结构中形成隔离槽的示意图。
图7显示为在图6所示结构上方形成电极结构的示意图。
图8显示为在图7所示结构上方形成反射结构的示意图。
图9显示为本发明另一实施例提供的LED显示装置的结构示意图。
元件标号说明
01 外延层 103 第二半导体层
011 N型半导体层 104 第一电极
012 有源层 105 第二电极
013 P型半导体层 106 隔离槽
021 N电极 107 台面结构
022 P电极 110 凹槽结构
100 外延结构 200 生长衬底
101 第一半导体层 201 凸起部
102 有源层 300 反射结构
400 LED显示装置 402 电路基板
401 面罩 403 LED显示灯
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。
如图1所示，现有的无衬底micro LED芯片包括外延层01，该外延层01包括N型半导体层011、有源层012及P型半导体层013，以及分别与N型半导体层和P型半导体层电性连接的N电极021和P电极022。上述N电极和P电极通常通过形成在刻蚀外延层形成的台面上，或者形成在刻蚀外延层形成的孔洞中。当电流由P电极022流至N电极021时，电流会引发发光层内电子耀迁而发光。然而，电流导致发光层发出的光没有方向性，即发出的光为发散光。为了提升发光层发出的光的利用率，通常在LED芯片电极侧制备反射层或者反射镜，将发散光反射至LED芯片的出光面，以其达到较好的光利用率。不过，即使设置上述反射层或反射镜，LED芯片的出光角度仍然在+/-70度左右，最佳的出光角仍然达不到出光面的法线角度(即0度角)。
实施例一
针对现有技术中的上述缺陷，本实施例提供一种LED芯片，该LED芯片优选为尺寸小于75μm的micro LED芯片。如图2所示，该LED芯片包括外延结构100，该外延结构100包括第一半导体层101、有源层102及第二半导体层103。上述第一半导体层可以是N型半导体层，第二半导体层为P型半导体层，可以理解的是，上述第二半导体层的上方还可以形成有透明导电层等结构。当然，第一半导体层为P型半导体层，第二半导体层为N型半导体层也是可以的。在可选实施例中，上述第一半导体层101可以是n型GaN层，有源层102为量子阱层，第二半导体层为p型GaN层。或者上述第一半导体层101可以是n型GaN层，例如Si掺杂的GaN层；有源层102可以是InGaN/GaN多量子阱，第二半导体层为p型GaN层，例如Mg掺杂的GaN层。
同样参照图2，本实施例的LED芯片的外延结构100形成有凹槽结构110，该凹槽结构110自第一半导体层101向第二半导体层103的方向凹陷。该凹槽结构110的表面形成LED芯片的出光面，相应地，在于出光面相对的一侧，外延结构100形成为与凹槽结构110相对应的凸台，即外延结构100的第一半导体层101、有源层102及第二半导体层103整体上自第一半导体层101向第二半导体层103的方向凹陷。优选地，上述凹陷结构110的深度与所述LED芯片的厚度比介于0.1～0.45。以micro LED芯片为例，外延结构的厚度大约为3μm～5μm，此时，凹陷结构110的高度大约0.3μm～2μm。凹陷结构110与LED芯片厚度的比值可以保证在形成上述外延结构时，能够有效形成凹陷结构110，同时不会出现因凹陷结构110深度过浅导致无法满足聚光需要，或者因凹陷结构110过深导致形成外延结构时出现成膜不均匀或者在边角处出现膜层断裂的风险。如图2所示，该凹槽结构110的截面(即沿LED芯片的厚度方向的截面)形成为倒梯形。该倒梯形结构的凹槽结构的侧壁与LED芯片的出光面的法线方向之间的夹角a介于15°～65°。该角度设置能够在保证侧壁对LED芯片发出的光进行有效反射的同时，保证形成外延结构时的成膜均匀性。由于具有该凹槽结构110，当LED芯片发出的光散射至凹槽结构110的侧壁时，会被侧壁反射，多次反射后发出的光集中在法线方向出射，由此能够起到聚光的作用，增加LED芯片法线方向的出光量，增加出光效率。
该LED芯片还包括电极结构，同样参照图2，该电极结构包括与第一半导体层101电性连接的第一电极104，与第二半导体层103电性连接的第二电极105。其中第一电极104形成在所述凹槽结构110的两侧，例如通过干法刻蚀，在凹槽结构两侧的外延结构中形成暴露第一半导体层的台面或者孔洞，然后在台面或者孔洞内沉积金属材料，例如Au、Ag、Al、Cu、Zn等，形成第一电极。在本实施例中，如图2所示，在凹槽结构110的两侧形成暴露第一半导体层的台面结构107，第一电极104形成在该台面结构107上方。第二电极形成在凹槽结构110对应的凸起的外延结构上，例如可以通过干法刻蚀，在外延结构中形成暴露第二半导体层的孔洞，然后在孔洞中沉积金属材料，例如Au、Ag、Al、Cu等，形成第二电极结构。虽然未图示，在所述第二电极与所述第二半导体层之间，还形成有透明导电层以及电流阻挡层等结构。
另外，为了将芯片有源层出射的光集中反射至出光面，并提高出光效率，在电极结构一侧的外延结构表面还形成有反射结构300。该反射结构300可以是交替堆叠TiO2/SiO2形成的DBR反射层。也可以是全反射镜ODR结构，该ODR结构可以包括形成在外延结构上方的DBR反射层、Al反射层及绝缘层等。
本实施例中，LED芯片的上述凹槽结构的侧壁为倾斜侧壁，当LED芯片发出的光散射至该倾斜侧壁时，倾斜侧壁对齐进行反射及聚集，使得LED发出的光尽可能地局限在法线方向，由此大大减小LED芯片的出光角，增加LED芯片法线方向的出光量以及LED芯片的出光效率。另外，上述结构与LED芯片电极侧的反射结构共同作用，进一步增加对LED发出的光的反射，能够进一步增加LED芯片法线方向的出光量以及LED芯片的出光效率。
实施例二
本实施例提供一种LED芯片的制造方法，如图3所示，该方法包括如下步骤：
S101：提供生长衬底，并刻蚀所述生长衬底以在所述生长衬底上形成凸起部；
如图4所示，首先，提供一适合生长发光外延结构的生长衬底200，例如蓝宝石衬底。然后对生长衬底200进行刻蚀，在生长衬底200上形成多个凸起部201。多个凸起部201在生长衬底200上间隔排列，并且凸起部201的截面为梯形。凸起部201的侧壁与生长衬底200的表面的法线方向具有一夹角β，该夹角β的介于15°～65°。凸起部201的高度与后续在生长衬底200上生长的外延结构的厚度比值介于0.1～0.45。以micro LED芯片为例，后续形成的外延结构的厚度大约为3μm～5μm，此时，凸起部201的高度设置为大约0.3μm～2μm。凸起部的上述倾斜角度以及高度能够保证后续的LED芯片的外延结构均匀地形成在生长衬底上，不会出现因凸起部过高倾斜角过大或过小导致的膜层不均匀或者膜层断裂的风险。
S102：在所述生长衬底上依次生长第一半导体层、有源层以及与所述第一半导体层的导电类型相反的第二半导体层，形成外延结构；
如图5所示，在生长衬底200上依次沉积第一半导体层101、有源层102以及第二半导体层103，以形成发光的外延结构100。在本实施例的一可选实施例中，上述第一半导体层为n型GaN层，例如Si掺杂的GaN层；有源层为InGaN/GaN多量子阱层，第二半导体层为p型GaN层，例如Mg掺杂的GaN层。可选地，在生长第一半导体层之前，还可以在生长衬底上形成一缓冲层，例如低温GaN缓冲层。
之后，如图6所示，形成上述外延结构之后，刻蚀位于生长衬底200的凸起部201两侧的外延结构，直至暴露生长衬底200，以形成隔离槽106，该隔离槽106将外延结构分隔为若干分立结构。然后，如图7所示，在每一个分立结构中分别形成第一电极104和第二电极105。在可选实施例中，首先，刻蚀每一个分立结构位于凸起结构两侧的外延结构，形成暴露第一半导体层101的台面结构107，在台面结构107上方沉积金属材料，例如Au、Ag、Al、Cu、Zn等，形成第一电极104；刻蚀位于凸起部201上方的外延结构，在第二半导体层中形成孔洞，在孔洞中沉积金属材料，例如Au、Ag、Al、Cu、Zn等，形成第二电极105。形成上述第一电极和第二电极之后，如图8所示，形成上述电极之后，外延结构除上述第一电极和第二电极之外的表面上形成反射结构300，该反射结构同时也形成在外延结构的侧壁上。可以在外延结构的表面及侧壁上交替堆叠TiO2/SiO2形成DBR反射层。也可以在外延结构上方依次DBR反射层、Al反射层及绝缘层等，形成全反射镜ODR结构。
S103：剥离所述生长衬底，得到具有与所述凸起部互补的凹槽结构的LED芯片。
形成图8所示的结构之后，将所述生长衬底200剥离，得到具有与生长衬底200的凸起部201互补的凹槽结构110的LED芯片。
以GaN外延结构为例，首先将步骤S103形成的结构转移至Si衬底上，然后采用激光剥离技术剥离生长衬底，例如采用波长为280nm左右的紫外光照射至生长衬底与外延结构的界面处，GaN吸收紫外光之后解离成Ga与氮气，使得生长衬底与外延结构分离。在凸起部与外延结构的界面处，可以通过增加激光辐照量、改变激光光路等方法，使得凸起部边角处的外延结构与生长衬底完全分离。外延结构与生长衬底分离后，还可以采用盐酸溶液去除GaN层残留的Ga，得到良好的外延层表面。
如上所述，本实施例通过刻蚀生长衬底，在生长衬底上形成凸起部，然后在衬底上生长外延结构，然后通过激光剥离技术将生长衬底剥离，最终形成具有与凸起部互补的凹槽结构的LED芯片。该方法通过对生长衬底的处理得到上述结构，制程简单，节约成本。
实施例三
本实施例提供一种显示装置，如图9所示，本实施例的显示装置400包括面罩401、电路基板402以及多个LED显示灯403。LED显示灯403设置在电路基板402上。图9示出了LED显示灯在电路基板402上呈矩形阵列式排布，此处仅仅是示例性的并非限定性的，LED显示灯403可以以各种适合或者需要的形成排布在电路基板402上。上述LED显示灯403由本发明实施例一至所述的LED芯片。LED芯片经分选和混bin，通过焊盘连接至电路基板402。电路基板402可以是TFT基板也可以是PCB电路板。
本实施例的显示装置还包括底壳(未详细示出)，电路基板夹持在面罩和底壳之间，面罩和底壳相互固定形成容纳电路基板及LED显示灯的腔体。
上述显示装置包括本发明的LED芯片，上述LED芯片能够提高显示装置的显示效果，同时有利于降低显示装置的功耗。
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 (13)

1.一种LED芯片，其特征在于，包括：
外延结构，所述外延结构包括第一半导体层、有源层以及与所述第一半导体层的导电类型相反的第二半导体层，所述外延结构形成有凹槽结构，所述凹槽结构自所述第一半导体层向所述第二半导体层的方向凹陷，并且所述凹槽结构的表面形成所述LED芯片的出光面。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述凹槽结构的截面为倒梯形。
3.根据权利要求1或2所述的LED芯片，其特征在于，所述凹槽结构的侧壁与所述外延结构的出光面的法线方向之间的夹角介于15°～65°。
4.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述凹陷结构的深度与所述LED芯片的厚度比介于0.1～0.45。
5.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片还包括电极结构，所述电极结构包括与所述第一半导体层电性连接的第一电极，以及与所述第二半导体层电性连接的第二电极。
6.根据权利要求5所述的LED芯片，其特征在于，还包括反射结构，所述反射结构形成在所述电极结构与所述外延结构之间的反射结构。
7.一种LED芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供生长衬底，并刻蚀所述生长衬底以在所述生长衬底上形成凸起部；
在所述生长衬底上依次生长第一半导体层、有源层以及与所述第一半导体层的导电类型相反的第二半导体层，形成外延结构；
剥离所述生长衬底，得到具有与所述凸起部互补的凹槽结构的LED芯片。
8.根据权利要求7所述的LED芯片的制造方法，其特征在于，所述生长衬底上形成的所述凸起部的截面形状为梯形。
9.根据权利要求7或8所述的LED芯片的制造方法，其特征在于，所述生长衬底上形成的所述凸起部的侧壁与所述衬底表面的法线方向的夹角介于15°～65°。
10.根据权利要求7所述的LED芯片的制造方法，其特征在于，所述凸起部的高度与所述LED芯片的厚度的比值介于0.1～0.45。
11.根据权利要求7所述的LED芯片的制造方法，其特征在于，还包括以下步骤：
刻蚀所述凸起结构两侧的所述生长衬底上方的所述外延结构，直至暴露所述生长衬底形成隔离槽，所述隔离槽将所述外延结构分隔为分立结构。
12.根据权利要求7所述的LED芯片的制造方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在除所述第一电极结构和所述第二电极结构之外的所述外延结构的表面及侧壁上形成反射结构。
13.一种LED显示装置，其特征在于，包括：
电路基板；以及
位于所述电路基板上的发光器件，所述发光器件通过所述线路层焊接至所述基板，其中所述发光器件包括权利要求1～6中任意一项所述的LED芯片。
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