CN116387432A - 一种led芯片及发光装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种LED芯片及发光装置，该LED芯片包括外延结构，外延结构具有出光面以及与出光面相对的背面，外延结构的出光面为具有凹陷式微图案的粗化表面，凹陷式微图案包括若干微坑结构，若干微坑结构在所述出光面呈规律性排布或者不规律排布，其中所述规律性排布包括方形排布或者蜂窝式排布，相邻微坑结构之间的间隔距离介于200nm～800nm。上述微坑结构为凹陷式微图案，使得LED芯片的出光面除了微图案以外的区域保持连续的平面结构，此时在采用吸嘴吸附转移LED芯片时，吸嘴能够与出光面的连续平面结构部分形成良好的吸附，形成真空环境，不会出现漏气等问题，实现较高的LED芯片转移成功率及转移效率。

Description

一种LED芯片及发光装置

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芯片及发光装置。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有效率高、寿命长、体积小、功耗低等优点，广泛应用于室内外白光照明、屏幕显示、背光源等领域。发光二极管器件的制造过程中，LED，尤其是Micro LED芯片的转移是业内关注的重要问题。LED芯片的转移成功与否直接影响着器件的出光效果及实用性。

例如，对于Micro LED芯片，在转移过程中，有按压、吸附、转移的步骤，由于Micro芯片的尺寸小，芯片厚度薄，在按压、吸附、转移的过程中容易被破坏，出现裂痕暗伤甚至断裂的可能，导致转移效率低下。

另外，为了提高出光效率，通常将出光面进行粗化。目前通常采用化学粗化或图形化的凸点式粗化。这些粗化方式形成的出光面具有比较典型的凸点式外观形貌。这将导致转移过程中按压、吸附芯片的时候会因为凸点周围形成贯通的空气通道，而需要较大的按压力量和真空吸附的力量，才能顺利地将芯片转移。这无疑会增加芯片受损的风险。而如果出光面不进行粗化，又会对芯片的出光效果产生非常不利的影响。

为解决现有技术中的上述出光效果与转移过程的矛盾，有必要提供一种即能解决粗化面亮度提升的问题，又能解决吸真空漏气的问题的技术。

发明内容

鉴于现有技术中LED芯片出光效果与转移过程的矛盾，本发明提供一种LED芯片及发光装置，以期提高LED芯片的出光效果同时提高转移效率及转移成功率。

本发明的一实施例，提供一种LED芯片，包括外延结构，所述外延结构具有出光面以及与所述出光面相对的背面，所述外延结构的所述出光面为具有凹陷式微图案的粗化表面，所述凹陷式微图案包括若干微坑结构，相邻所述微坑结构之间的间隔距离介于200nm～800nm。

可选地，所述微坑结构的开口尺寸大于底部尺寸。

可选地，所述微坑结构的开口尺寸介于1000nm～3000nm。

可选地，所述微坑结构的底部尺寸小于或等于600nm。

可选地，所述微坑结构的深度介于500nm～2000nm。

可选地，所述微坑结构的侧壁与所述出光面之间的夹角介于15°～90°。。

可选地，若干所述微坑结构具有相同或不同的开口截面形状。

可选地，所述微坑结构的开口截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

可选地，所述微图案还包括粗化结构，所述粗化结构至少形成在所述微坑结构的部分表面上。

可选地，所述粗化结构还形成在所述微坑结构之间的所述出光面上。

可选地，所述粗化结构的深度小于等于500nm。

可选地，具有所述粗化结构的表面的粗糙度小于0.05μm。

可选地，若干所述微坑结构在所述出光面呈规律性排布或者不规律排布，其中所述规律性排布包括方形排布或者蜂窝式排布。

可选地，所述外延结构的材料为AlGaInP四元体系，所述外延结构包括自上而下依次叠置的第一导电类型的半导体层、有源层及第二导电类型的半导体层，所述第一导电类型的半导体层远离所述有源层的一侧形成所述出光面，经干法刻蚀所述出光面获得所述凹陷式微图案。

根据本发明另一方面，提供一种发光装置，其包括电路基板以及设置在电路基板上方的发光元件，所述发光元件包括本发明所述的LED芯片。

如上所述，本申请的LED芯片及发光装置，具有以下有益效果：

本发明的LED芯片的外延结构的出光面形成为具有微图案的粗化表面，其中，微图案形成为微坑结构，微坑结构在出光面呈规律性排布或者不规律排布，其中所述规律性排布包括方形排布或者蜂窝式排布，相邻微坑结构之间的间隔距离介于200nm～800nm。上述微坑结构的凹陷式微图案，使得LED芯片的出光面除了微图案以外的区域保持连续的平面结构，此时在采用吸嘴吸附转移LED芯片时，吸嘴能够与出光面的连续平面结构部分形成良好的吸附，形成真空环境，不会出现漏气等问题，实现较高的LED芯片转移成功率及转移效率。

本申请的上述凹陷式微坑结构实现了LED芯片的出光面粗化，由此能够增加LED芯片的光萃取率，提高LED芯片的出光效率及出光效果。另外，本发明通过干法刻蚀出光面获得上述凹陷式图案结构，有利于控制图案结构的尺寸及分布情况，利于提高粗化表面的粗化效果。另外，还可以在上述微坑结构的表面或者微坑结构表面及微坑结构之间的出光面上形成尺寸更小的粗化结构，以进一步提高LED芯片的出光效果。

本发明的上述粗化表面可通过干法刻蚀得到，外延结构不限于GaN基外延层，也可以是GaAs基外延层。由此扩大了粗化表面的应用范围，能够提高不同外延层的发光效率。

本发明的发光装置包括本发明的LED芯片，因此，本发明的发光装置具有更好的出光效果及显示效果。

附图说明

图1和图2显示为现有技术中LED芯片的出光面结构示意图。

图3显示为实施例一提供的LED芯片的结构示意图。

图4显示为图3中出光面的局部放大示意图。

图5～图7显示为图3所示LED芯片的制备过程中各步骤对应的结构示意图。

图8显示为实施例一的一可选实施例提供的LED芯片的结构示意图。

图9显示为本发明实施例二提供的LED芯片的结构示意图。

图10显示为图8中出光面的局部放大示意图。

图11显示为本发明实施例三提供的LED芯片的结构示意图。

图12显示为图10中出光面的局部放大示意图。

图13显示为本发明实施例四提供的发光装置的结构示意图。

元件标号说明

01，LED芯片的出光面；011，凸起结构；100，LED芯片；101，外延结构；1011，第一导电类型的半导体层；1012，有源层；1013，第二导电类型的半导体层；102，电极结构；110，键合衬底；120，金属键合层；130，出光面；140，背面；150，微坑结构；151，微坑结构的侧壁；151，微坑结构的底表面；131，间隔区域；160，粗化结构；170，绝缘层；180，台面结构；200，生长衬底；300，光刻胶层；301，窗口图案；400，发光装置；401，电路基板；402，发光元件。

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所述，现有技术中，为了提高LED芯片的出光效率，对出光面01进行粗化，在出光面01上形成凸起结构011。在LED芯片、尤其是micro LED芯片转移时，通常采用吸嘴按压、吸附芯片的表面实现转移。然而，形成有上述凸起结构011的出光面01，在按压、吸附过程中，如图2中箭头A所示，相邻凸起结构011之间的空隙会形成贯通的气流通道，无法形成真空环境，因此无法实现吸附过程，进而无法完成转移，造成芯片转移失败，成功率降低。

或者，为了实现吸附过程会采用较大的按压力量以形成较大的真空吸附力量，这样加大的力量无疑会对厚度较薄、尺寸较小的芯片造成损伤，使得芯片出现裂痕甚至断裂等问题。

针对以上缺陷，本发明提供一种LED芯片及发光装置。现通过以下实施例进行详细说明。

实施例一

本实施例提供一种LED芯片，参见图3，本实施例的LED芯片100包括外延结构101，外延结构101具有出光面130以及与出光面130相对的背面140。该外延结构101的出光面130设计为粗化表面，其上形成有微图案，该微图案形成为凹陷式图案结构。

可选地，上述凹陷式微图案结构包括形成在出光面130上的若干微坑结构150，若干微坑结构150在出光面130上可以呈规律性排布，也可以是不规律排布，其中规律性排布可以是分行分列的方形排布或者最密堆积的蜂窝式排布。在出光面上分布的若干个微坑结构150可以具有不同的尺寸特征(口径、深度等)，也可以具有不同的横截面(开口截面)和/或纵截面形状。例如，可选地，该微坑结构150可以锥型凹陷、柱型凹陷等，其开口截面形状可以是圆形、椭圆形或者多边形(三角形、四边形、五边形、六边形等)。为了便于描述，本实施例以微坑结构150为开口尺寸大于底部尺寸的圆锥型凹陷为例。

如图4所示，在可选实施例中，出光面130上分布的相邻的微坑结构150之间的间隔距离W3介于200nm～800nm，优选地，介于300nm～500nm，例如，可以是200nm、300nm、400nm、500nm、700nm、800nm等。可选地，微坑结构150的开口尺寸W1介于1000nm～3000nm，优选地，介于1500nm～2500nm，进一步优选地，介于1800nm～2000nm，例如，可以是1000、1500nm、1800nm、2000nm、2500nm、2800nm或3000nm。可以理解的是，当上述微坑结构150的开口截面形状为圆形时，所述的开口尺寸即为开口处的直径；当微坑结构150的开口截面形状为椭圆形时，所述的开口尺寸即为开口处截面椭圆的长轴或短轴的长度；微坑结构150的开口截面形状为多边形时，所述的开口尺寸即为开口处的最大宽度。

可选地，微坑结构150的底部尺寸W2小于或等于600nm，可选地为0、50nm、100nm、200nm、400nm、600nm；最优选地微坑结构150的底部尺寸为0，即微坑结构150为锥型微坑。可以理解的是，当微坑结构150的底部尺寸大于0时，当上述微坑结构150的开口截面形状为圆形时，所述的底部尺寸即为底部截面圆的直径；当微坑结构150的开口截面形状为椭圆形时，所述的底部尺寸即为底部截面椭圆的长轴或短轴的长度；微坑结构150的开口截面形状为多边形时，所述的底部尺寸即为底部的最大宽度。

同样参照图4，微坑结构150的深度H介于500nm～2000nm，优选地，介于700nm～1500nm，更加优选地，介于800nm～1000nm。例如，微坑结构150的深度可以是500nm、700nm、800nm、000nm、1200nm、1500nm、2000nm等。微坑结构的深度可以根据出光面130所在的半导体层的厚度以及实际LED芯片的厚度来确定。

可选实施例中，微坑结构150的侧壁形成为倾斜侧壁，例如图4所示，微坑结构150的侧壁与出光面130所在平面之间的夹角(锐角)为α，15°≤α＜90°。优选地，30°≤α≤70°，更加优选地，40°≤α≤60°。例如，上述夹角α可以取15°、30°、40°、50°、60°、70°或80°等。夹角α的具体取值同样可以根据出光面130所在的半导体层的厚度以及实际LED芯片的厚度来确定，同时还可以根据LED芯片的出光要求进行设定。

如上所述，在芯片转移过程中，微坑结构150的开口尺寸、底部尺寸、深度以及相邻的微坑结构150的间隔距离能够保证吸嘴至少能够完全覆盖一个微坑结构150，以在按压过程中，吸嘴与微坑结构150之间的间隔区域131形成真空环境，顺利完成芯片的转移，提高转移成功率。微坑结构150的设计使得出光面130呈现为粗糙表面，减少对光的全反射，因此增加LED芯片的出光效率。微坑结构150在出光面上呈蜂窝式排布有利于增加保证相邻微坑结构150之间的间隔区域131的面积，有利于吸嘴按压过程中形成真空环境，提高转移成功率。

在可选实施例中，上述LED芯片100可以是倒装LED芯片或垂直LED芯片；上述LED芯片可以是GaN基芯片或者GaAs基LED芯片。以GaAs基倒装LED芯片为例，如图3所示，LED芯片100的外延结构101自上而下包括第一导电类型的半导体层1011、有源层1012及第二导电类型的半导体层1013。其中第一导电类型的半导体层1011为N型AlInP层或者为P型AlInP层，有源层1012为具有5～15个周期的多重量子阱层，第二导电类型的半导体层1013为P型的AlInP层或者N型AlInP层。其中，第一导电类型的半导体层1011远离有源层1012的一侧为出光面130，该出光面130形成为具有凹陷式图案结构的粗化表面，第二导电类型的半导体层1013远离有源层的一侧为背面140一侧。在背面140一侧形成有绝缘层170，以保护外延结构。另外，背面140一侧还形成有LED芯片100的电极结构102，该电极结构102包括贯穿绝缘层170与第一导电类型的半导体层1011电连接的第一电极1021，以及贯穿绝缘层与第二导电类型的半导体层1013电连接的第二电极1022。

同样地，本实施例以GaAs基倒装LED芯片为例，说明上述凹陷式图案结构的形成过程。

如图5所示，首先提供一GaAs衬底作为生长衬底200，由于GaAs衬底与AlGalnP有很好的晶格匹配，能够降低外延结构的生长位错。在生长衬底200上生长外延结构101，具体地，依次生长第一导电类型的半导体层1011、多重量子阱层(即有源层1012)，第二导电类型的半导体层1013，本实施例中，以上述第一导电类型的半导体层1011为N型AlInP层，第二导电类型的半导体层1013为P型AlInP层为例，反之也是可以的。可以理解的是，在生长N型AlInP层之前还可以首先在GaAs衬底上生长GaAs层作为缓冲层。

然后，如图6所示，自第二导电类型的半导体层1013一侧刻蚀部分外延结构101，直至暴露第一导电类型的半导体层1011，形成台面结构180。在台面结构180的表面及侧壁以及第二导电类型的半导体层上方形成绝缘层170。然后，分别在第一导电类型的半导体层1011和第二导电类型的半导体层1013上方形成第一电极1021和第二电极1022。第一电极1021和第二电极1022经贯穿刻蚀绝缘层170的通孔分别与第一导电类型的半导体层1011和第二导电类型的半导体层1013电连接。之后，将图6所示的结构倒置，使得生长衬底200向上，然后剥离该生成衬底，即剥离GaAs衬底，例如，可以通过腐蚀的方法将GaAs衬底腐蚀剥离掉。裸露的N型AlInP层即作为出光面130。可以理解的是，为了实现LED芯片100自出光面130一侧出光，上述绝缘层170可以是具有反射功能的绝缘反射层，或者在绝缘层170与第二导电类型的半导体层1013之间形成反射层。

然后，如图7所示，在裸露的N型AlInP层上方形成光刻胶层300，并经曝光显影等制程在光刻胶层300中形成窗口图案301，该窗口图案301与后续形成的凹陷式图案结构的图形相适应。

在光刻胶层300的遮挡下，采用干法刻蚀经窗口图案301刻蚀N型AlInP层，以形成凹陷式图案结构，例如，本实施例所述的微坑结构150。

GaAs衬底由于其自身的结构特点，无法像蓝宝石衬底一样，首先形成结构稳定且形貌可控的图案化结构，再通过衬底转移的方式形成粗化图案，因此无法通过衬底转移方式在外延结构中形成粗化图案，然而本实施例的上述方法克服了这一难题，通过干法刻蚀的方法在出光面一侧的外延结构中形成粗化图案，并且形成凹陷式的图案结构。本实施例的上述方法同样适用于其他LED芯片的制备。上述凹陷式的图案结构不仅能够提高GaAs基LED芯片的出光效率，同时还能够保证在芯片转移过程中，吸嘴能够比较容易地与LED芯片形成真空环境，顺利完成LED芯片转移，提高转移的效率及成功率。

在一可选实施例中，如图8所示，上述LED芯片100还可以是垂直结构，其出光面130上方形成电极结构102，该电极结构102与第一导电类型的半导体层1011电连接。此时，在形成电极结构102的区域，出光面130不形成上述凹陷式粗化图案。在背面140一侧包括键合衬底110，键合衬底100与外延结构101之间还具有金属键合层120。可以理解的是，为了实现LED芯片自出光面130出光，在外延层和金属键合层120之间还可以形成金属反射镜。可选地，上述键合衬底100可以是具有高热导率的Si衬底、SiC衬底或金属衬底等。键合衬底100远离外延结构101的一侧形成电连接第二导电类型的半导体层1013的另一电极结构(未具体示出)。

实施例二

本实施例同样提供一种LED芯片，如图9所示，本实施例的LED芯片100包括外延结构101，外延结构101具有出光面130以及与出光面130相对的背面140。该外延结构101的出光面130设计为粗化表面，其上形成有微图案，该微图案形成为凹陷式图案结构。与实施例一中图3所示LED芯片的相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图9和图10所示，本实施例中LED芯片100的出光面130不仅形成有上述凹陷式图案结构，同时还形成有尺寸小于凹陷式微结构尺寸的粗化结构160。本实施例中该粗化结构160形成在凹陷式图案结构的表面上，例如微坑结构150的侧壁151和/或底表面153上。本实施例示出了粗化结构160形成在微坑结构150的侧壁151以及底表面153上。粗化结构160的深度小于等于500nm，例如，可选地介于50nm～500nm，进一步地，介于100nm～400nm，更进一步地，介于200nm～300nm。例如，粗化结构160的深度可以是500nm、450nm、400nm、300nm、250nm、200nm、100nm、80nm、50nm等。形成上述粗化结构160后，微坑结构150表面的粗糙度小于0.1μm，优选地小于0.05μm。粗化结构160的形成有利于进一步提高LED芯片的光取出率，提高LED芯片的出光效果。

上述粗化结构160可以与微坑结构150在一次干法刻蚀中形成，通过调整干法刻蚀的相关参数(刻蚀气体的流量、刻蚀时间等)一次形成微坑结构150及粗化结构160。也可以首先采用干法刻蚀形成微坑结构150，然后采用湿法刻蚀在微坑结构150的侧壁151以及底表面153上形成上述粗化结构160。

实施例三

本实施例同样提供一种LED芯片，如图11和图12所示，本实施例的LED芯片100包括外延结构101，外延结构101具有出光面130以及与出光面130相对的背面140。该外延结构101的出光面130设计为粗化表面，其上形成有微图案，该微图案形成为凹陷式图案结构。与实施例一中图3及实施例二图9所示LED芯片的相同之处不再赘述，不同之处在于：

如图11和图12所示，本实施例中LED芯片100的出光面130不仅形成有上述凹陷式图案结构，同时还形成有尺寸小于凹陷式微结构尺寸的粗化结构160。本实施例中该粗化结构160形成在凹陷式图案结构，例如微坑结构150的侧壁151、底表面153以及凹陷式微结构150之间的间隔区域131的出光面130上。上述粗化结构160的深度同样小于等于500nm，可选地介于50nm～500nm，进一步地，介于100nm～400nm，更进一步地，介于200nm～300nm。例如，粗化结构160的深度可以是500nm、450nm、400nm、300nm、250nm、200nm、100nm、80nm、50nm等。形成上述粗化结构160后，微坑结构150表面的粗糙度小于0.1μm，优选地小于0.05μm。粗化结构160的形成有利于进一步提高LED芯片的光取出率，提高LED芯片的出光效果，同时如上控制上述粗化结构的尺寸，可以保证在芯片转移时，吸嘴能够形成良好的真空环境，不影响芯片的转移，保证芯片转移的成功率，同时保证芯片在转移过程中不会因收到过大的压力而破损或断裂。

实施例四

本实施例提供一种发光装置，如图13所示，该发光装置400包括电路基板401以及设置在电路基板401上方的发光元件402，该发光元件402可以是本发明实施例一和/或实施例二和/或实施例三提供的LED芯片。实施例一、实施例二及实施例三的LED芯片的出光面具有上述的凹陷式微结构，因此该发光装置400同样具有良好的出光效果。

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 (15)

1.一种LED芯片，包括外延结构，所述外延结构具有出光面以及与所述出光面相对的背面，其特征在于，所述外延结构的所述出光面为具有凹陷式微图案的粗化表面，所述凹陷式微图案包括若干微坑结构，相邻所述微坑结构之间的间隔距离介于200nm～800

nm。

2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述微坑结构的开口尺寸大于底部尺寸。

3.根据权利要求1或2所述的LED芯片，其特征在于，所述微坑结构的开口尺寸介于1000nm～3000nm。

4.根据权利要求1或2所述的LED芯片，其特征在于，所述微坑结构的底部尺寸小于或等于600nm。

5.根据权利要求1或2所述的LED芯片，其特征在于，所述微坑结构的深度介于500nm～2000nm。

6.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述微坑结构的侧壁与所述出光面之间的夹角介于15°～90°。

7.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，若干所述微坑结构具有相同或不同的开口截面形状。

8.根据权利要求7所述的LED芯片，其特征在于，所述微坑结构的开口截面形状为圆形、椭圆形或多边形。

9.根据权利要求2所述的LED芯片，其特征在于，所述微图案还包括粗化结构，所述粗化结构至少形成在所述微坑结构的部分表面上。

10.根据权利要求9所述的LED芯片，其特征在于，所述粗化结构还形成在所述微坑结构之间的间隔区域的所述出光面上。

11.根据权利要求9所述的LED芯片，其特征在于，所述粗化结构的深度小于等于500nm。

12.根据权利要求10所述的LED芯片，其特征在于，具有所述粗化结构的表面的粗糙度小于0.05μm。

13.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，若干所述微坑结构在所述出光面呈规律性排布或者不规律排布，其中所述规律性排布包括方形排布或者蜂窝式排布。

14.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述外延结构的材料为AlGaInP四元体系，所述外延结构包括自上而下依次叠置的第一导电类型的半导体层、有源层及第二导电类型的半导体层，所述第一导电类型的半导体层远离所述有源层的一侧形成所述出光面，经干法刻蚀所述出光面获得所述凹陷式微图案。

15.一种发光装置，其特征在于，包括电路基板以及设置在电路基板上方的发光元件，所述发光元件包括权利要求1～14中任意一项所述的LED芯片。

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