CN116314529A - 一种窄发光峰led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种窄发光峰LED芯片及其制备方法，所述LED芯片至少包括：P型电极层、P型半导体层、有源层、N型半导体层、N型电极、介质滤波层、粘结层。在LED芯片的N型半导体层的上面和N型半导体层、有源层、P型半导体层的外侧壁上生长介质滤波层，介质滤波层对LED芯片特定波长范围的光具有高透射率，对其余波长的光具有高反射率，从而使得LED发光峰变窄。在芯片侧壁制备反射镜，将侧壁出射的光反射回LED芯片，减少侧壁出光的光串扰效应，同时提高正面出光效率。本发明的窄发光峰LED芯片减小了发光半高宽，提高了发光方向性，减小了光串扰。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件领域，尤其是涉及一种窄发光峰LED芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管（LED）以节能、高效、寿命长等优势已逐渐成为照明和显示领域的主流技术，近年来随着微纳加工技术的不断发展，LED的尺寸进一步小型化，集成高密度像素发光单元的Micro-LED。Micro-LED具有功耗低、使用寿命长、响应度快、可视角度广的优势，在显示和可见光通讯中具有重要的应用潜力。
Micro-LED的发光峰半高宽会影响显示色阈、色纯度，目前，常规Micro-LED的发光半高宽达20 nm，为了提高Micro-LED显示的显示阈值和色纯度等，需要进一步降低Micro-LED的发光半高宽。AlxGayIn（1-x-y）N作为Micro-LED全彩显示的关键材料，然而高In组分会导致AlxGayIn（1-x-y）N的相分离，从而导致绿光和红光Micro-LED的发光峰比较宽，这限制了Micro-LED显示阈值。为了更好地发展Micro-LED全彩显示，减小发光半高宽，提高Micro-LED显示阈值应该得到关注和解决。通过外延生长技术调整可以减小Micro-LED的发光峰半高宽，比如掺杂稀有金属Eu，但是稀土掺杂制备工艺困难，且浪费稀土资源。
另外，由于多量子阱中的强极化场作用，导致Micro-LED的波长会随着电流密度增加往短波长移动，这是Micro-LED一直存在的的问题，会严重影响Micro-LED显示稳定性。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种窄发光峰LED芯片。
本发明的第二个目的在于提供一种窄发光峰LED芯片的制备方法，该制备方法能减小发光半高宽，提高正面出光方向性，以解决现有Micro-LED的发光峰宽和光串扰的问题。
本发明的第一个目的是这样实现的：
一种窄发光峰LED芯片，包括粘结层、P型电极层、P型半导体层、有源层、N型半导体层、N型电极；其特征在于：在N型半导体层的上面和N型半导体层、有源层、 P型半导体层的外侧壁上均设有介质滤波层，所述有源层的发光波长为λ0，介质滤波层在λ0±Δλ的波长范围具有高透射性，Δλ≤10nm ，2Δλ为介质滤波层高透射范围宽度；在（λ0-Δλ）-λ1> 20 nm和λ2-（λ0+Δλ）> 20 nm波长范围内具有高反射率，λ1和λ2分别是介质滤波层高反射率两边的边界波长。
优选地，所述有源层是由AlxGayIn（1-x-y）N半导体材料制备。
进一步优选地，所述有源层的发光波长λ0>600 nm。
优选地，所述的LED芯片结构为垂直结构。
在一种实施方案中，所述介质滤波层是两种折射率不同的介质材料交替设置，介质滤波层结构为H（LH）k（HL）kH或（HL）k（LH）k； L为低折射率材料SiO2, H为高折射率材料SiNx或TiO2；介质滤波层中的每层介质材料的厚度为d=λ0/（4n），n为该层介质材料的折射率；k＝4--20，k为介质滤波层的周期数。
在一种典型的实施方案，所述LED芯片的尺寸小于50μm，且在LED芯片的侧壁设有反射镜。
优选地，在P型半导体层上设有透明导电层，在透明导电层上设有开孔的布拉格反射镜层，在开孔的布拉格反射镜层上设有P型电极层，P型电极层通过开孔与透明导相连。
本发明的第二个目的是这样实现的：
一种窄发光峰LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
（1）在衬底上依次生长N型半导体层、有源层以及P型半导体层，有源层的发光波长为λ0；
（2）在P型半导体层上生长P型电极层；
（3）在生长P型电极层上生长粘结层；
（4）将基板与粘结层键合；
（5）去除步骤（4）所得结构的衬底；
（6）将步骤(5)所得结构的N型半导体层、有源层、 P型半导体层的侧边刻蚀；
（7）在步骤（6）所得结构的N型半导体层的上面和N型半导体层、有源层、 P型半导体层、P电极层的外侧壁上设有介质滤波层，介质滤波层在λ0 ±Δλ（Δλ≤10nm）的波长范围具有高透射性（2Δλ即介质滤波层高透射范围宽度），在（λ0-Δλ）-λ1> 20 nm和λ2-（λ0+Δλ）> 20 nm波长范围内具有高反射率，λ1和λ2是介质滤波层高反率的边界波长；
（8）在步骤（7）所得结构的介质滤波层的上面开孔;
（9）在步骤（8）所得结构的孔内制备与N-GaN层接触的N型电极。
优选的，所述步骤（2）中，在P型半导体层上制备透明导电层，在透明导电层上设有开孔的布拉格反射镜层，在开孔的布拉格反射镜层上制备P型电极层，P型电极层通过开孔与透明导电层相连。
优选的，在步骤（9）所得结构的介质滤波层的侧壁和顶上边缘向内的区域制备反射镜。
本发明的有益效果：
A、窄发光峰。通过在LED芯片的N型半导体层的上面和N型半导体层、有源层、 P型半导体层的外侧壁制备介质滤波层，介质滤波层在λ0 ±Δλ（Δλ≤10nm）的波长范围具有高透射性（2Δλ即介质滤波层高透射范围宽度），在（λ0-Δλ）-λ1> 20 nm和λ2-（λ0+Δλ）> 20nm波长范围内具有高反射率（λ1和λ2分别是介质滤波层高反射率两边的边界波长）的特点，起到对LED芯片发射光的滤波作用，使Micro-LED的发光光谱变窄，光谱纯度更高，从而提高Micro-LED显示的阈值；
B、稳定性好。LED芯片的发光来自于量子阱内载流子复合发光，量子阱带隙的大小受到工作温度和电流密度大小的影响，出射光的波长和峰宽会发生变化，而在Micro-LED的N型半导体层的上面和N型半导体层、有源层、 P型半导体层的外侧壁制备介质滤波层，出射光的波长和半峰宽取决于介质滤波层的滤波带宽，提高了Micro-LED的发光稳定性；
C、方向性好。在Micro-LED芯片的侧壁制备反射镜可以减少侧壁出光，同时把侧壁出光反射回LED芯片内部并从正面发出，提高正面方向性，从而减少相邻Micro-LED芯片之间的光串扰效应，提高Micro-LED显示的对比度和清晰度。
附图说明
图1为本发明提供的制备方法中步骤（1）对应的结构示意图；
图2为本发明提供的制备方法中步骤（2）对应的结构示意图；
图3为本发明提供的制备方法中步骤（3）对应的结构示意图；
图4为本发明提供的制备方法中步骤（4）对应的结构示意图；
图5为本发明提供的制备方法中步骤（5）对应的结构示意图；
图6为本发明提供的制备方法中步骤（6）对应的结构示意图；
图7为本发明提供的制备方法中步骤（7）对应的结构示意图；
图8为本发明提供的制备方法中步骤（8）对应的结构示意图；
图9为本发明提供的制备方法中步骤（9）对应的结构示意图；
图10为实施例1中介质滤波层的示意图；
图11为实施例1制备的介质滤波层的反射光谱图；
图12为实施例1制备的窄发光峰LED芯片的电致发光光谱的实验结果；
图13为实施例2介质滤波层的反射光谱模拟图；
图14为实施例3制备的窄发光峰LED芯片的结构示意图；
图15为实施例4制备的窄发光峰LED芯片的结构示意图；
附图标记说明：1、衬底；2、N型半导体层；3、有源层；4、P型半导体层；5、P电极层；6、粘结层；7、基板；8、介质滤波层；9、N型电极；10、反射镜；11、透明导电层；12、布拉格反射镜层。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
一窄发光峰LED芯片，如图9所示，包括N型半导体层2、有源层3、P型半导体层4、P型电极层5、粘结层6、基板7、介质滤波层8、N型电极9。
实施例1中，一窄发光峰LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
（1）如图1所示，在Si衬底1上通过MOCVD外延生长得到如图1所示的LED外延结构；
（2）如图2所示，利用电子束蒸发设备在P型半导体层4上蒸镀P型电极层5；
（3）如图3所示，利用电子束蒸发设备在P型电极层5上蒸镀粘结层6；
（4）如图4所示，通过键合工艺，将基板7与粘结层6上键合；
（5）如图5所示，用湿法腐蚀工艺去除Si衬底1；
（6）如图6所示，刻蚀N型半导体层、有源层、 P型半导体层的侧边；
（7）如图7所示，使用气相沉积（PECVD）沉积介质滤波层8，所述介质滤波层8的结构如图10所示，其中SiO2 厚度是108 nm，SiNX厚度是78 nm，介质滤波层8的反射光谱如图11所示，介质滤波层8在580--630nm和640--705nm波长范围内的反射率大于90%，介质滤波层8在630--640nm具有高透射率；
（8）如图8所示，使用湿法腐蚀或干法刻蚀在介质滤波层8的上面开设用于放置 N型电极9的孔；
（9）如图9所示，在介质滤波层8上面开设的孔内制备N型电极9。
本实施例1所制得的发光峰LED芯片与参比LED相比，发光峰更窄，如图12所示。
实施例2
一窄发光峰LED芯片，如图9所示，包括N型半导体层2、有源层3、P型半导体层4、P型电极层5、粘结层6、基板7、介质滤波层8、N型电极9。
实施例2中，一窄发光峰LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
（1）如图1所示，在Si衬底1上通过MOCVD外延生长得到如图1所示的LED外延结构；
（2）如图2所示，利用电子束蒸发设备在P型半导体层4上蒸镀P型电极层5；
（3）如图3所示，利用电子束蒸发设备在P型电极层5上蒸镀粘结层6；
（4）如图4所示，通过键合工艺，将基板7与粘结层6上键合；
（5）如图5所示，用湿法腐蚀工艺去除Si衬底1；
（6）如图6所示，刻蚀N型半导体层、有源层、 P型半导体层的侧边；
（7）如图7所示，沉积介质滤波层8，其中SiO2 厚度是107 nm，TiO2厚度是66 nm，介质滤波层8的反射光谱如图13所示，介质滤波层8在550--658nm和666--815nm波长范围内的反射率大于90%，介质滤波层8在658--666nm具有高透射率。本步骤后得到的结构如图6所示；
（8）如图8所示，使用湿法腐蚀或干法刻蚀在介质滤波层8的上面开设用于放置 N型电极9的孔；
（9）如图9所示，在介质滤波层8上面开设的孔内制备N型电极9。
实施例3
一窄发光峰LED芯片，如图14所示，包括N型半导体层2、有源层3、P型半导体层4、P型电极层5、粘结层6、基板7、介质滤波层8、N型电极9、透明导电层11、布拉格反射镜层12。
实施例3中，一窄发光峰LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
（1）如图1所示，在Si衬底1上通过MOCVD外延生长得到LED外延结构；
（2）在P型半导体层4上制备透明导电层11，在透明导电层11上设有开孔的布拉格反射镜层12，在开孔的布拉格反射镜层上制备P型电极层5，P型电极层5通过开孔与透明导电层11相连；
（3）利用电子束蒸发设备在P型电极层5蒸镀粘结层6；
（4）通过键合工艺，将基板7与粘结层6上键合；
（5）用湿法腐蚀工艺去除Si衬底1；
（6）刻蚀N型半导体层、有源层、 P型半导体层的侧边；
（7）使用气相沉积（PECVD）沉积介质滤波层8，所述介质滤波层8的结构如图10所示，其中SiO2 厚度是108 nm，SiNX厚度是78 nm，介质滤波层8的反射光谱如图11所示，介质滤波层8在580--630nm和640--705nm波长范围内的反射率大于90%，介质滤波层8在630--640nm具有高透射率；
（8）使用湿法腐蚀或干法刻蚀在介质滤波层8的上面开设用于放置 N型电极9的孔；
（9）如图14所示，在介质滤波层8上面开设的孔内制备N型电极9。
实施例4
一窄发光峰LED芯片，如图8所示，包括N型半导体层2、有源层3、P型半导体层4、P型电极层5、粘结层6、基板7、介质滤波层8、N型电极9、反射镜10。
实施例4中，一窄发光峰LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
（1）如图1所示，在Si衬底1上通过MOCVD外延生长得,LED外延结构；
（2）如图2所示，利用电子束蒸发设备在P型半导体层4上蒸镀P型电极层5；
（3）如图3所示，利用电子束蒸发设备在P型电极层5上蒸镀粘结层6；
（4）如图4所示，通过键合工艺，将基板7与粘结层6上键合；
（5）如图5所示，用湿法腐蚀工艺去除Si衬底1；
（6）如图6所示，刻蚀N型半导体层、有源层、 P型半导体层的侧边；
（7）如图7所示，使用气相沉积（PECVD）沉积介质滤波层8，所述介质滤波层8的结构如图10所示，其中SiO2 厚度是108 nm，SiNX厚度是78 nm，介质滤波层8的反射光谱如图11所示，介质滤波层8在580--630nm和640--705nm波长范围内的反射率大于90%，介质滤波层8在630--640nm具有高透射率；
（8）如图8所示，使用湿法腐蚀或干法刻蚀在介质滤波层8的上面开设用于放置 N型电极9的孔；
（9）如图9所示，在介质滤波层8上面开设的孔内制备N型电极9；
（10）如图15所示，利用电子束蒸发设备在介质滤波层的侧壁和顶上边缘向内的区域制备反射镜10。
上面举的实施方案里面，只是一些典型的实施方案，其中关于器件的尺寸、关于各种层的厚度、调节的带宽、反射镜的种类，他们之间是可以任意组合的。在这个基础上，略微调整某些层的成分，但是不会显著改变这些层的物理化学性质，而也有可能获得同样的效果，那么这些实施方案也是本专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种窄发光峰LED芯片，包括P型电极层、P型半导体层、有源层、N型半导体层、N型电极；其特征在于：在LED芯片的N型半导体层的上面和N型半导体层、有源层、 P型半导体层的外侧壁上均设有介质滤波层，所述有源层的发光波长为λ0，介质滤波层在λ0±Δλ的波长范围具有高透射性，Δλ≤10nm ，2Δλ为介质滤波层高透射范围宽度；在（λ0-Δλ）-λ1> 20 nm和λ2-（λ0+Δλ）> 20 nm波长范围内具有高反射率，λ1和λ2分别是介质滤波层高反射率两边的边界波长。
2.根据权利要求1所述的窄发光峰LED芯片，其特征在于：所述有源层是由AlxGayIn(1-x-y)N半导体材料制备。
3.根据权利要求1所述的窄发光峰LED芯片，其特征在于：所述有源层的发光波长λ0 >600 nm。
4.根据权利要求1所述的窄发光峰LED芯片，其特征在于：所述LED芯片结构为垂直结构。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的窄发光峰LED芯片，其特征在于：所述介质滤波层是两种折射率不同的介质材料交替设置，介质滤波层结构为H（LH）k（HL）kH或（HL）k（LH）k； L为低折射率材料SiO2, H为高折射率材料SiNx或TiO2；介质滤波层中的每层介质材料的厚度为d=λ0/（4n），n为该层介质材料的折射率；k＝4--20，k为介质滤波层的周期数。
6.根据权利要求5所述的窄发光峰LED芯片，其特征在于：所述LED芯片的尺寸小于50μm，且在LED芯片的侧壁设有反射镜。
7.根据权利要求6所述的窄发光峰LED芯片，其特征在于：在P型半导体层上设有透明导电层，在透明导电层上设有开孔的布拉格反射镜层，在开孔的布拉格反射镜层上设有P型电极层，P型电极层通过开孔与透明导相连。
8.一种窄发光峰LED芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在衬底上依次生长N型半导体层、有源层以及P型半导体层，有源层的发光波长为λ0；
（2）在P型半导体层上生长P型电极层；
（3）在生长P型电极层上生长粘结层；
（4）将基板与粘结层键合；
（5）去除步骤（4）中所得结构的衬底；
（6）步骤(5)所得结构的N型半导体层、有源层、 P型半导体层的侧边刻蚀；
（7）在步骤（6）所得结构的N型半导体层的上面和N型半导体层、有源层、 P型半导体层的外侧壁上制备介质滤波层，介质滤波层在λ0 ±Δλ（Δλ≤10nm）的波长范围具有高透射性（2Δλ即介质滤波层高透射范围宽度），在（λ0-Δλ）-λ1> 20 nm和λ2-（λ0+Δλ）> 20 nm波长范围内具有高反射率，λ1和λ2是介质滤波层高反率的边界波长；
（8）在步骤（7）所得结构的介质滤波层的上面开孔;
（9）在步骤（8）所得结构的孔内制备与N-GaN层接触的N型电极。
9.根据权利要求8所述的窄发光峰LED芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，在P型半导体层上制备透明导电层，在透明导电层上制备开孔的布拉格反射镜层，在开孔的布拉格反射镜层制备P型电极层，P型电极层通过开孔与透明导电层相连。
10.根据权利要求8所述的窄发光峰LED芯片的制备方法，其特征在于：在步骤（9）所得结构的介质滤波层的侧壁和顶上边缘向内的区域制备反射镜。
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