一种高光效单面低面积比例出光的微型LED芯片制备方法

本发明涉及半导体发光器件领域，尤其是涉及一种高光效单面低面积比例出光的微型led芯片制备方法。

背景技术：

1、自2000年江红星团队首次展示了直径为12μm的ingan 微型 led以来，微型 led在高分辨率显示、可见光通信、生物医药和传感领域受到了越来越多的关注。与液晶显示器(lcd)和有机发光二极管(oled)相比，微型led具有尺寸小、分辨率高、效率高、亮度高、色饱和度高、工作寿命长、响应速度快等优点，是下一代显示技术最有希望的候选。

2、随着微型led尺寸减小，侧壁面积占比增大，此时的侧壁出光不可忽略，它在微型led显示中会带来较大的光串扰效应。例如rgb都为自发光的全彩显示中，若相邻像素产生光串扰，其中一者为关闭状态，该关闭的像素的黑色水平就会受到影响，进而影响了显示的对比度、黑色水平。

3、目前已有相关技术手段用于改善光串扰效应，有研究使用纳米图形衬底来调节光从gan到达蓝宝石的角度，使光偏向于垂直传播，同时减少内部全反射，增加光从蓝宝石到空气的逃逸路线，从而提高光提取效率并减少光串扰；另外，也有研究采用侧壁电极屏蔽从gan侧壁逃逸的光，防止光在gan横向传播产生的光串扰，然而大面积的电极阻挡，使得微型led的光效变得更低，若考虑减小电极阻挡面积，又可能导致器件欧姆接触性能变差。

4、因此，当微型led的结构为采用大面积的包覆电极时，为了获得更高的发光效率，进一步提高微型led显示的亮度和对比度，还需要继续探索新的技术路线。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高光效单面低面积比例出光的微型led芯片制备方法，该方法能大幅提升单面出光且出光面积比例小于80%的微型led芯片的光效。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、一种高光效单面低面积比例出光的微型led芯片制备方法，特征是：包括以下步骤：

4、s1、提供用于外延生长的衬底；

5、s2、在所述衬底上生长过渡层，进而获得晶体质量较好的第一半导体层、有源层、第二半导体层以形成led初始外延；

6、s3、在所述第二半导体层上继续形成第二电极层、键合金属层；

7、s4、将所述led初始外延与永久基板键合，并去除所述衬底；

8、s5、采用机械磨抛减薄、干法刻蚀中的任意一种或组合去除过渡层和部分第一半导体层；减薄后的剩余外延厚度在2~4倍发光波长之间；

9、s6、对所述第一半导体层的表面进行粗化，led芯片的发光波长越长，粗化颗粒需相应越大，从而保证良好的出光效果，因此，粗化颗粒的横向尺寸应大于发光波长；

10、s7、在所述粗化后的第一半导体层上形成钝化膜层、第一电极层，得到最终芯片。

11、优选地，步骤s3中的第二电极层为具有高反射率且可实现较好欧姆接触的材料，为ag金属单层或au金属单层，或者为niag、niau、aube或auzn合金中的任意一种或多种，第二电极层与led芯片的正面出光区域正对应。

12、优选地，步骤s5中的干法刻蚀包括感应耦合等离子体干法刻蚀、电子回旋共振等离子刻蚀、反应离子刻蚀，通过改变刻蚀条件可以实现不同刻蚀深度。

13、优选地，在步骤s5中，在剩余外延厚度为4倍发光波长时，对led芯片的光效有明显的提升，在2~4倍发光波长范围内，减薄越多，光效提升越多，但需保证剩余外延的表面与所述有源层的上表面的距离需大于500 nm。

14、优选地，在步骤s6中，剩余外延厚度以2倍发光波长作为下限以及保证剩余外延的表面与所述有源层的上表面的距离需大于500 nm，是由于步骤s6中的粗化具有一定的不均匀性，粗化颗粒较大时，粗化深度的最低点可能会伤及有源层。

15、优选地，步骤s7中的钝化膜层的材料为二氧化硅、氧化铝、氮化硅中的任意一种或多种，厚度为1nm~1000nm。

16、优选地，在步骤s7中，所述第一电极层包覆在led芯片的侧壁及顶部的边缘向内具有设计宽度的区域，在第一电极层的下方设有钝化膜层作为第一电极层与剩余外延的绝缘介质层，且在第一半导体层顶部的钝化膜层的宽度小于第一电极层的设计宽度，使得第一电极层与第一半导体层接触；所述最终led芯片的光效提升倍数y与所述去除部分的侧壁面积占led初始外延的侧壁面积的比例x满足以下公式：y=ax+b，a为所述步骤s5获得的光效增益系数， b为工艺误差的修正系数，在不破坏正常led发光结构的情况下，刻蚀去除的部分越多，芯片的光效越高。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

18、1、包覆在led芯片的侧壁以及正面出光区域的第一电极层，使led芯片的出光受到一定阻挡，实现了单面出光的效果；

19、2、对于这样单面出光且出光面积比例小于80%的led芯片，在制备方法上，在衬底上先生长过渡层，进而获得晶体质量较好的第一半导体层、有源层、第二半导体层，这样能提升材料质量和器件的内量子效率；

20、3、去除过渡层及部分第一半导体层获得的效果，一是在外延被减薄后，led芯片的纵向尺寸减小，横向尺寸不变，增大了led芯片正向的出光角，而又由于led芯片的侧壁存在挡光的第一电极层，在侧壁出光占比减小的情况下，led芯片的正向出光性得到了提升，二是减少了这些部分对发射光的吸收；

21、4、结合粗化表面，能大幅度提升led芯片的光提取效率。

技术特征：

1.一种高光效单面低面积比例出光的微型led芯片制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高光效单面低面积比例出光的微型led芯片制备方法，其特征在于：步骤s3中的第二电极层为具有高反射率且可实现较好欧姆接触的材料，为ag金属单层或au金属单层，或者为niag、niau、aube或auzn合金中的任意一种或多种，第二电极层与led芯片的正面出光区域正对应。

3.根据权利要求1所述的高光效单面低面积比例出光的微型led芯片制备方法，其特征在于：步骤s5中的干法刻蚀包括感应耦合等离子体干法刻蚀、电子回旋共振等离子刻蚀、反应离子刻蚀。

4.根据权利要求1所述的高光效单面低面积比例出光的微型led芯片制备方法，其特征在于：在步骤s5中，剩余外延的表面与所述有源层的上表面的距离需大于500 nm。

5.根据权利要求1所述的高光效单面低面积比例出光的微型led芯片制备方法，其特征在于：步骤s7中的钝化膜层的材料为二氧化硅、氧化铝、氮化硅中的任意一种或多种，厚度为1nm~1000nm。

6.根据权利要求1所述的高光效单面低面积比例出光的微型led芯片制备方法，其特征在于：在步骤s7中，所述第一电极层包覆在led芯片的侧壁及顶部的边缘向内具有设计宽度的区域，在第一电极层的下方设有钝化膜层作为第一电极层与剩余外延的绝缘介质层，且在第一半导体层顶部的钝化膜层的宽度小于第一电极层的设计宽度，使得第一电极层与第一半导体层接触。

7.根据权利要求1所述的高光效单面低面积比例出光的微型led芯片制备方法，其特征在于：在步骤s7中，所述最终led芯片的光效提升倍数y与所述去除部分的侧壁面积占led初始外延的侧壁面积的比例x满足以下公式：y=ax+b，a为所述步骤s5获得的光效增益系数， b为工艺误差的修正系数。

技术总结
本发明公开了一种高光效单面低面积比例出光的微型LED芯片制备方法，对于单面出光且出光面积比例小于80%的微型LED芯片，在制备方法上，在衬底上先生长过渡层，进而获得晶体质量较好的第一半导体层、有源层、第二半导体层，这样能提升材料质量和器件的内量子效率；另外，在LED初始外延与永久基板完成键合并去除衬底后，去除过渡层、部分第一半导体层获得的效果，一是在外延被减薄后，LED芯片的纵向尺寸减小，横向尺寸不变，增大了LED芯片正向的出光角，而又由于LED芯片的侧壁存在挡光的第一电极层，在侧壁出光占比减小的情况下，LED芯片的正向出光性得到了提升，二是减少了这些部分对发射光的吸收；最终，结合粗化表面，能大幅度提升LED芯片的光提取效率。

技术研发人员：吴小明,陈湘婷,王立,莫春兰,刘志华,胡民伟,林前英,王伟
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13