CN203218308U

CN203218308U - 发光二极管芯片

Info

Publication number: CN203218308U
Application number: CN 201320114874
Authority: CN
Inventors: 卢怡安; 陈怡燕; 吴俊毅; 陶青山; 蔡文必
Original assignee: Tianjin Sanan Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Tianjin Sanan Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2023-03-14

Abstract

本实用新型公开了一种发光二极管芯片，包括：基板；镜面系统，位于所述基板之上，由金属反射层和透光层构成；发光外延层，位于所述镜面系统之上，其至少包含n型半导体层、发光层和p型半导体层；带状或块状空气间隙，形成于所述透光层。该结构可以有效提高器件的取光效率。

Description

发光二极管芯片

技术领域

本实用新型涉及一种发光二极管芯片，更具体地是一种具有镜面系统的发光二极管芯片结构。

背景技术

近几年，发光二极管（light emitting diode, 简称LED）得到了广泛的应用，在各种显示系统、照明系统、汽车尾灯等领域起着越来越重要的作用。以(Al_xGa1_1-x)_0.5InP材料作为发光层的LED具有较高的内量子效率。对于传统设计的LED来说，有很多因素限制它的外量子效率：内部的全反射、金属电极的阻挡、GaAs等半导体材料对光的吸收。这些LED生长在吸光衬底上，而最终有很大一部分光被衬底吸收。所以对于这种传统的LED结构而言，即使内部的光电转化效率很高，它的外量子效率也不会很高。当前有很多种方法来提高LED出光的提取效率，如加厚窗口层、表面粗化、透明衬底、倒金字塔结构等。

发明内容

本实用新型提供了一种发光二极管芯片，其可以有效提高器件的取光效率。

根据实用新型的第一个方面，一种发光二极管芯片，包括：基板；镜面系统，位于所述基板之上，由金属反射层和透光层构成；发光外延层，位于所述镜面系统之上，其至少包含n型半导体层、发光层和p型半导体层；带状或块状空气间隙，形成于所述透光层。

在一些实施例中，所述空气间隙呈带状围绕于所述芯片的周围，从而增加发光外延层边缘区域的光线到达金属反射层的入射角，提高取光效果。为取得较佳的取光效果，所述空气间隙的宽度可为5~15μm。

在一些实施例中，所述空气间隙位于所述芯片分布在内部区域，其面积与所述透光层面积的比例为0.15~0.5，较佳取值为0.2~0.45。

在一些实施例中，所述空气间隙同时分布在芯片的边缘区域和内部。

在一些实施例中，所述透光层为介质层，其具有一系列导电孔。

在一些实施例中，所述透光层为介质层为透明导电层。

在一些实施例中，所述发光二极管芯片还包括至少一电极结构，位于所述芯片的上表面之上，其在垂直方向上的投影不与所述空气间隙重叠或相交。

在一些实施例中，所述空气间隙具有倾斜的侧壁。

前述发光二极管芯片可通过下面方式获得，其具体包括步骤：在一基板上形成发光外延层，其至少包含n型半导体层、发光层和p型半导体层；在所述发光外延层之上依次形成透光层和金属反射层，其中所述透光层具有一系列导电孔，构成所述镜面系统；在所述透光层中形成带状或块状空气间隙，提高发光效果。

在一些实施例中，发光二极管芯片的制作方法，其包括下面步骤：1）提供一生长衬底，在其上形成发光外延层，其至少包含n型半导体层、发光层和p型半导体层；2）在所述发光外延层之上依次形成透光层和金属反射层，其中所述透光层具有一系列导电孔，构成所述镜面系统；3）提供一支撑基板，将所述发光外延层反转安装在所述基板上，并移除所述生长衬底；4）采用湿蚀刻方式，侧蚀所述透光层，在所述发光外延层的下边沿与所述金属反射层之间形成所述空气间隙，从而增加发光外延层边缘区域的光线到达金属反射层的入射角，提高取光效果。

在一些实施例中，发光二极管芯片的制作方法，其包括下面步骤：1）提供一生长衬底，在其上形成发光外延层，其至少包含n型半导体层、发光层和p型半导体层；2）在所述发光外延层之上依次形成透光层和金属反射层，其中所述透光层具有一系列导电孔，构成所述镜面系统；3）采用化学蚀刻方式，在所述透光层形成所述空气间隙，其位于所述芯片的内部；4）提供一支撑基板，将所述发光外延层反转安装在所述基板上，并移除所述生长衬底。其中在所述步骤3）中，可以利用蚀刻时间控制空气间隙的面积。

前述发光二极管芯片可应用于各种显示系统、照明系统、汽车尾灯等领域。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1为一种现有AlInGaP四元系发光二极管的结构示意图。

图2为实施例1之一种发光二极管芯片的结构剖视图。

图3~5为实施例1之一种发光二极管芯片的俯视图。

图6示意了实施例1之一种发光二极管芯片的光路径。

图7示意了图1所示发光二极管芯片的光路径。

图8~12为制备图2所示的发光二极管芯片的过程剖视图。

图13为实施例2之一种发光二极管芯片的结构剖视图。

图14~图16为实施例2中空气间隙的分布图。

图17为实施例2之芯片亮度提升比率曲线图。

图18~图23为制作图11所示的发光二极管芯片的过程剖视图。

具体实施方式

下面结合示意图对本实用新型的LED器件结构及其制备方法进行详细的描述，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

图1公开了一种具有全方位反射镜（Omni-Directional Reflector，简称ODR）的AlInGaP四元系发光二极管，其具体结构包括：导电基板（Si）100，键合层114，镜面系统110，p型披覆层121，发光层122，n型披覆层123及P电极131和N电极132。其中，全方位反射层包含一透光层（SiO_x）112和透光层下方的高反射层金属镜面层111。

在此LED结构中，由发光层向下发出的光部分经由透光层（SiO_x）全反射回去，部分光经由高反射金属镜面层全反射回去，增加出光效率。其中透光层的折射率为影响LED亮度的最大因素之一。

下面各实施例公开了一种发光二极管芯片，其在镜面系统的透光层中插入带状或块状空气间隙，可以有效降低透光层的折射率，从而提升器件的取光效率。

实施例1

本实施例以侧蚀方式在发光外延层与镜面系统之间制作一低折射率介质，使镜面系统形成较好的全方位反射镜面，且此介质分布围绕于芯粒周围，能够提升亮度，同时增加侧光取出。请参看图2，一种发光二极管芯片，包括：导电基板100，镜面系统110，发光外延层120及P、N电极131、132。

具体地，导电基板100可选用Si基板或其他金属基板。

镜面系统110由透光层112和高反射层金属镜面层111构成，其中透光层112分布有空气间隙113和一系列导电通孔，该导电通孔内填充导电材料。在本实施例中采用SiO_x作为透光层。请参考图3~5，空气带隙113呈带状围绕于芯粒周围，其宽度可取5~20μm，其中图3中宽度L取5μm，图4中宽度L取10μm，图5中宽度L取15μm。

[0035] 发光外延层120包括p型披覆层111、发光层112和n型披覆层113，其中发光层可为多量子阱结构，在一些变型的实施例中还可包括窗口层、欧姆接触层等。

在本实施例中，发光外延层发出的光线行径若经过侧蚀面，会因空气间隙113之低折射率(n =1)从而获得较好的ODR效果，且光线若由此接口射出则较容易直接出光不回到半导体内部，此时即有增加亮度之功效。图6和图7分别示意了本实施例和图1所示的发光二极管芯片部分光线的路径。

[0037] 下面取四组样品进行亮度测试，其空气间隙的宽度L分别0μm、5μm、10μm、15μm。

表1

从表1可看出，当空气间隙的宽度取10~15μm时，其可以较大幅度提升芯片的发光效率。

上述发光二极管芯片可以通过下面方法制备获得。

请参考图8，首先于生长衬底001上外延生长发光外延层120。先提供生长衬底，接着可利用例如外延生长方式直接于生长衬底的表面上生长n型披覆层123。在一些变型实施例中，可选择性地于生长衬底的表面上先形成N型接触层，再于N型接触层上外延生长n型披覆层，以提升元件的电性品质。在另一些变型实施例中，更可选择性地先于生长衬底的表面上沉积蚀刻终止层，再于蚀刻终止层上依序外延生长n型接触层与n型披覆层，以利后续生长衬底的移除工序的进行。接下来，利用外延生长方式于n型披覆层123上生长发光层122，其中发光层可为多重量子阱结构（Multiple Quantum Well，简称MQW）。最后在发光层上生长p型披覆层121，完成外延生长。

请参考图9，在p型披覆层121上制作镜面系统110。具体为：在p型披覆层121上沉积一层SiO_x作为透光层112且开出一系列导电通孔；在透光层112上制作高反射层金属镜面层111，其填充前述导电通孔，从而与p型披覆层121形成欧姆接触。作为一个变更实施例，可在透光层112与p型披覆层121之间形成透明导电层，其直接填充的导电通孔，从而与高反射层金属镜面层111形成欧姆接触。在本实施例中，可采用Au作为高反射层金属镜面层。

请参考图10，提供一导电基板100，将所述发光外延层120反转安置在该导电基板100上，并移除生长衬底001。其中，可选用Si、金属基板或其他半导体材料为作导电基板，采用金属键合工艺将发光外延层120与导电基板进行接合。

请参考图11，将进行发光外延层进行台面干蚀刻，蚀刻深度为到达透光层112。

请参考图12，采用湿法蚀刻，侧蚀透光层112，侧蚀宽度为L（取5~20μm），从而在芯片的周围形成带状空气带隙113。最后，制作P、N电极131、132。

实施例2

本实施例在透光层内部加入带状或块状空气结构，从而降低折射率，使镜面系统形成较好的全方位反射镜面，达到增加亮度的效果。请参看图13，一种发光二极管芯片，包括：导电基板100，镜面系统110，发光外延层120及P、N电极131、132。关于基板100、发光外延层120及电极131、132的材料同实施例1的选择即可。

镜面系统110由SiO₂层112和高反射层金属镜面层111构成，其中SiO₂层112中分布有空气间隙113和一系列导电通孔，该导电通孔内填充导电材料。请参考图14~16，空气带隙113呈带状或块状于芯粒内部，在图14和图15中空气带隙113主要以带状分布，在图16中空气带隙113主要以块状分布。较佳地，空气间隙113与N电极132在垂直方向上的投影不重叠或交叉。

图13所示的LED结构为垂直结构，此仅为本发明的一种优选实施方式，前述图14、图15及图16均同样可适用于水平结构LED。特别地，图16用于垂直版LED时，块状分布可搭配对位周期性分布之导电孔，避开出光面电极，同时具备垂直版结构中之电流阻挡作用，又有高反射率ODR镜面效果；用于水平版LED时，则不须避开出光面之电极设计，块状可周期性或随机分布于LED内部。

在本实施例中，空气间隙面积越大越有利于芯片的亮度提升。图17显示了空气间隙113面积占比（即空气间隙面积/SiO₂层面积）对芯片亮度提升的影响，当占比为零时即为图1所示结构（SiO₂层112中无空气间隙结构）。从图中可看出，当空气间隙面积占比大于或等于0.2时，约可以增加4%的亮度。为了兼顾亮度和器件结构的物理特性，空气间隙面积占比可取0.15~0.5，更佳取值为0.2~0.45。

作为本实施例的一个变型，可将空气间隙113的侧壁制作为具有一定的倾斜角，更有利于取光。

上述发光二极管芯片可以通过下面方法制备获得。

首先进行外延生长并在发外延层上制作镜面系统，其可参考实施例1的方法进行，获得如图18所示的器件结构。

请参考图19，在高反射层金属镜面层111上开孔露出SiO₂层112，其一般在N电极位置对应的区域以外。

请参考图20，使用氢氟酸系列溶液，将图19开孔处露出的介电层蚀刻去除，形成空气间隙113。请参考21~22，利用蚀刻时间控制空气层的面积，其中21图为未加长蚀刻时间，图22为加长蚀刻时间增大空气间隙。

请参考图23，采用键合层114将发光外延层与导电基板100键合，并移除生长衬底，制作P、N电极131、132。

Claims

1.一种发光二极管芯片，包括：

基板；

镜面系统，位于所述基板之上，由金属反射层和透光层构成；

发光外延层，位于所述镜面系统之上，其至少包含n型半导体层、发光层和p型半导体层；

其特征在于：在所述透光层中形成带状或块状空气间隙，提高取光效果。

2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述空气间隙呈带状围绕于所述芯片的周围，从而增加发光外延层边缘区域的光线到达金属反射层的入射角，提高取光效果。

3.根据权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述空气间隙的宽度为5~20μm。

4.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述空气间隙分布于位于所述芯片的内部区域。

5.根据权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述空气间隙面积与所述透光层面积的比例为0.15~0.5。

6.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述空气间隙同时分布在芯片的边缘区域和内部。

7.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述透光层为介质层，其具有一系列导电孔。

8.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述空气间隙具有倾斜的侧壁。

9.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：还包括至少一电极结构，位于所述芯片的上表面之上，其在垂直方向上的投影不与所述空气间隙重叠或相交。