一种LED芯片的制作方法

一种led芯片
技术领域
[0001]
本专利涉及半导体器件技术领域，具体而言涉及一种led芯片。


背景技术：

[0002]
发光二极管(led)的固态照明光源因其功耗低、寿命长、体积小及可靠性高而受到人们的追捧。而然，gan基led有非常大的一个缺陷就是其发光效率较低。 gan基led的内量子效率已经达到90％，而普通led的外量子效率由于受到全反射的影响仅为5％。外量子效率为内量子效率与提取效率的乘积，发光效率主要受外量子效率限制。从led有源层发出的光子，需要透过器件内部才能到达空气中。gan材料的折射为2.4，空气的折射率为1.0，全反射角24.5，大于全反射角的光子将被反射回去(hao m,egawa t,ishikawa h.highly efficientganbased light emitting diodes with micro pits[j].appl.phys.lett., 2006,89:241907)。
[0003]
对于传统矩形腔结构led，其结构如附图1所示，大于全反射角的光子会在器件内部来回多次反射，在多次反射过程中，有一部分光子会到达器件的侧面，通过侧面出射，一部分光子则在多次反射过程始终无法出射而最终被吸收，理论上大约只有20％的光子能从器件出射(windisch r,dutta b,kuijk m,et al. 40％ efficient thin film surface textured light emitting diodes byoptimization of natural lithography[j].electron devices,2000,47: 1492-1498)。为了能使更多的光子逃逸出去，可以对器件表面进行粗化(fujii t, gao y,nakamur a s,et al.increase in the extraction efficiency of ganbased light emitting diodes via surface roughening[j].appl.phys. lett.,2004,84(6):855-857)。
[0004]
针对传统的gaas基等led器件，通过自然光刻和icp刻蚀方法(邓彪，刘宝林.侧面粗化提高gan基led出光效率研究[j].半导体光电，2011，32(3)： 352-354)，可以有效地对表面进行粗化。然而对于gan基led来说，由于p型层很薄，且刻蚀深度不易控制，刻蚀后对器件造成很大的损伤，实现商业化应用很困难(李芬.gan基led表面粗化结构制备技术研究[d]；西安电子科技大学；2011年)。因此，对器件的侧面进行粗化来达到提高出光效率不是一个较好的方法。


技术实现要素：

[0005]
本申请的发明目的在于提供一种有效提高led侧面出光的外延结构，该结构能够提高发光二极管芯片的出光率。
[0006]
为了解决该技术问题，本专利提供的技术方案包括：
[0007]
一种led芯片，其特征在于，包括衬底，外延层，设置在所述衬底上，包括 p型半导体材料层、n型半导体材料层、有源层；图案单元，设置在所述外延层中至少一层的侧边；所述图案单元包括在所述衬底侧边上形成的起伏图案，所述起伏图案的直径小于10微米，所述图案单元在所述侧边重复设置。
[0008]
优选地，所述图案单元布满一个层的侧边。
[0009]
优选地，所述外延层的所有层的侧边均布满所述图案单元。
[0010]
优选地，所述起伏图案包括，锯齿形、凸半球形、凹半球形或凹凸相接半球形。
[0011]
优选地，所述led芯片包括正装led芯片、倒装led芯片或垂直led芯片。
[0012]
优选地，所述图案单元的半径为2-10微米。
[0013]
优选地，所述外延层为gan体系的外延层。
[0014]
优选地，所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
[0015]
与现有技术相比，该方式只对芯片侧壁进行了调整，可以避免侧壁出光时的全反射，同时增加侧壁出光面积，从而有效提高芯片的出光效率，同时此改进可适用于各种有刻蚀工艺的芯片，以及全波段的芯片的使用。
附图说明
[0016]
图1、图2、图3、图4分别为正装、倒装、垂直、高压led芯片结构示意图；
[0017]
图5为半圆形侧边图案下的出光面光路；
[0018]
图6为平面侧边图案下的出光面光路；
[0019]
图7为各种侧边图案的形状结构示意图；
[0020]
图8为各种尺寸下重复单元的出光效率对比图。
具体实施方式
[0021]
本专利所描述的技术方案包括各种具体的实施例，以及在各种具体实施例上所进行的修改。在本具体实施方式中，对这些技术方案通过结合附图的方式进行示例性的阐述，以使得本专利的发明构思、技术特征、技术特征的效果等，通过对这些具体实施方式的描述变得更加明显。但是需要指出的是，本专利的保护范围显然不应当仅限于这些实施例所描述的内容，而是可以通过在本专利发明构思下的多种方式来实施。
[0022]
在本具体实施方式的描述中，需要注意以下一些阅读参考，以便于能够准确理解本具体实施方式中文字所表达的含义：
[0023]
首先，对于本专利的附图中，相同或者相对应的元件\要素等，将以相同的附图标记来表示。因此对于此前已经出现过的附图标记或者是元件\要素等的名称，在之后可能不会再重复解释。并且，在本具体实施方式中，可如果使用了术语“第一”、“第二”等词汇来修饰各种元件或要素，那么在非特指的情况下“第一”、“第二”并不代表着顺序，而是仅仅区分这些元件或要素彼此不同而已。此外，除非上下文清楚地另有指示，否则单数形式“一个”、“一”和“该 /所述”也不仅仅指代单数还指代复数形式。
[0024]
更进一步地，包含或包括，应当理解为开放式的描述，其并不排斥在已经描述的组件的基础上还存在其它的组件；而且，当层、区域或组件被称为“形成在”、“设置在”另一层、区域或组件“上”时，该层、区域或组件可以直接地或间接地形成在所述另一层、区域或组件上，与之相似的，当使用相连、连接等类似术语来表述两个元件之间的关系时，在没有特别限定的情况下，既可以是直接相连也可以是间接相连。术语“和/或”连接的两个要素之间可以是和的关系，也可以是或的关系。
[0025]
另外，为了说明本专利的技术方案，本专利的附图中所描述的要素的尺寸并不代
表实际要素的尺寸比例关系，在本专利中出于便于表达的考虑会被放大或者缩小。
[0026]
实施例1
[0027]
本具体实施方式提供了一种led芯片，所述芯片采用gan体系。其可以是正装的led芯片(图1)、倒装led芯片(图2)、垂直led芯片(图3)或高压led 芯片(图4)。这些芯片的各层组成基本类似，但是排布方式不同。
[0028]
以图2所述的倒装led芯片为例，其包括所述衬底层104可以采用各种衬底材料，例如包括但不限于硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底等。在本具体实施方式中以蓝宝石衬底为例子来展开相应的技术方案，以揭示本专利的具体发明构思。
[0029]
在衬底上依次形成有n型半导体层101、多层量子阱102、p型半导体层103 由此形成n-p-p双异质结构。在此构型中，所述n型半导体层101可以采用n 型gan，p型半导体层103可以采用p型gan。所述n型半导体层与n电极相连、所述p型半导体层103与p电极相连；这样当在n、p两极通电之后，所述led 芯片即可产生光线。
[0030]
在本实施例中为了提高led芯片的出光效率，在所述led芯片的n型半导体层101、多层量子阱102、p型半导体层103侧边，设置有锯齿形或波浪形的轮廓。
[0031]
由于led芯片的每层包括多个边，因此可以在多个边上设置曲面图案。一种典型的图案结构如图5分析可见，其包括半圆形的图案，多个半圆形相互之间邻接依靠。
[0032]
从理论上分析，设置上述曲面图案后，其对于出光光路的影响可以参考图6、和图5的对比可见。在图6中，是现有技术中的平面侧边的led芯片层的光路出射情况，从图中可见，对于平面的侧边，由于光线在介质之间的邻接面时会发生反射或全反射现象，因此如图6中入射光会发生全反射从而无法从芯片中射出，如此就会影响芯片的出光效率。
[0033]
当芯片的周边形成均匀排布的曲面图案时，如图5所示，均匀排布的曲面为半圆形，光线在多个角度都形成了垂直于芯片和空气的接触面射出，从而能够几乎完全通过邻接面，这样从理论上讲能够大大提高出光效率。
[0034]
与现有技术中的粗化不同，在本具体实施方式中，形成于芯片侧面的均匀排布的曲面图案，其图案是均匀排布的，这样可以采用工业化的蚀刻等方式来实现，因此对于gan体系下的各层而言，通过蚀刻的方式形成图案不至于损坏相应的各层，并且在有规律的情况下，光线的光路设计更加有规律，避免光线之间的相互干涉或者非规律化的图案形成的相互之间的干扰，从而有利于提高出光效率。
[0035]
在本具体实施方式中，所述均匀排布的曲面图案包括多个均匀设置的图案单元，所述图案单元可以有如图7所示的各种形状。例如图7中的图案单元为外凸的半圆，图案单元为内凹的半圆结构，凹凸相接的半圆结构，以及三角形结构。从理论上而言在半圆形结构由于光线从多个角度入射都是垂直邻接面的形状，因此，具有更高的出光效率。但是有制造和精度等复杂原因，在实际的实验中(在 390nm的光的条件下)，不同形状的单元图案出光效率如下表所示：
[0036]
结构出光效率(％)平面结构26.7锯齿结构34.1凸半圆结构35.96凹凸半圆结构36.69
凹半圆结构36.11
[0037]
表1四种结构的出光效率
[0038]
由此可见凹凸相接的半圆形重复图案的出光效率显著最高。高于凸半圆结构约一个百分点，在相应的应用中，其属于最优的实施方式。因此这种结构具有预料不到的突出的技术效果。
[0039]
所述均匀排布的曲面图案中的图案单元的尺寸对于出光效率也会产生影响，但是在本专利中，图案单元的尺寸均限定为微米级别，这不同于纳米压印的图案，因为本专利是需要避免光路的反射，尽量投射，微米级别的图案才满足上述要求。
[0040]
在微米级别下，图案单元的尺寸越小出光效率越高，例如图8所示，在图8 中医半圆形的图案单元为例，图案单元的尺寸与出光效率成比例关系，即当图案单元的半径为2微米时出光效率最高，而图案单元的半径尺寸为4-10微米时出光效率依次降低。对于2微米以下的单元半径尺寸，由于加工具有极大的困难，因此没有响应的实验数据展示。从上述实验数据而言，最优的图案单元的半径为 2微米。
[0041]
本具体实施方式的重复单元图案可以适用在各种形式的led芯片上，虽然上述实施例仅仅举出了倒装led芯片的例子，但是在垂直led芯片、高压led芯片、正装led芯片上也可以使用，只是由于加工的限制，在正装led芯片上使用时通常只能在层量子阱102、p型半导体层103的侧边形成上述图案。
[0042]
从本实施例的实验数据可见，通过侧壁微结构工艺技术，能提高芯片的出光效率10％以上。
[0043]
实施例2
[0044]
实施例1描述了本专利的一种led芯片，在本实施例2中将对该芯片的制造方法进行描述。
[0045]
在本实施例中，步骤一、在衬底上形成led芯片的gan外延层。
[0046]
在衬底上依次形成有n型半导体层101、多层量子阱102、p型半导体层103 由此形成n-p-p双异质结构。在此构型中，所述n型半导体层101可以采用n 型gan，p型半导体层103可以采用p型gan。所述n型半导体层与n电极相连、所述p型半导体层103与p电极相连；这样当在n、p两极通电之后，所述led 芯片即可产生光线。
[0047]
步骤二、在icp刻蚀工艺中，对icp刻蚀前的光刻版图进行调整，将版图的边缘由平滑直线调整为波浪线或者锯齿线，这样刻蚀后的侧壁会形成波浪面或者锯齿面，这样的侧壁可以避免侧壁出光时的全反射，同时增加侧壁出光面积，从而有效提高芯片的出光效率。
[0048]
通过上述步骤可以采用简单的方案制造出具有重复图案的外延层侧边，从而在不增加成本的情况下显著提高led的出光效率，而且不会对gan层造成类似于粗化等操作的破坏。
[0049]
以上显示和描述了本专利的基本原理和主要特征及本专利的优点，对于本领域技术人员而言，显然本专利限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本专利的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本专利。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本专利的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本专利内。
[0050]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一
个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。