CN103456855B - 一种led表面粗化芯片以及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED表面粗化芯片以及制作方法，所述LED芯片包括衬底以及成形在所述衬底上的外延层，所述外延层依次包括n-GaN层、发光层和p-GaN层；所述p-GaN层上成形有透明导电层；以及分别成形在所述n-GaN层和所述透明导电层上的n型电极和p型电极，其中，所述p-GaN层表面设有多个粗化图形；所述透明导电层设有多个开孔图形，使得全部或部分粗化图形暴露在该开孔图形中；本发明即可有效减少或避免全反射现象，进而提高LED芯片的出光效率，又可同时避免产生透明导电层与p-GaN层之间的欧姆接触问题，进而确保LED芯片的电流注入效率，最终有效确保LED芯片的转换效率得到提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED芯片，具体涉及了一种LED表面粗化芯片以及制作方法。
背景技术
众所周知，LED芯片的转换效率=电流注入效率×内量子效率×出光效率；其中，内量子效率主要由LED芯片的外延生长技术和外延材料特性所决定，如采用GaN外延材料制成的LED芯片目前可达到99%，已基本接近其理论极限状况，引起内量子效率的提高已经没有较大空间；电流注入效率主要取决于LED芯片的电极设计和欧姆接触，目前良好的LED芯片的电流注入效率也可达到98%以上；而出光效率主要由LED芯片表面特性和结构决定，目前LED芯片的出光效率普遍在10-70%左右，因此出光效率的提高空间较大。为此，现有较多的公开技术，如衬底背镀DBR、侧壁腐蚀、表面粗化或倒装工艺来提高LED芯片的出光效率，其中，表面粗化被普遍认为是提高LED芯片出光效率的有效方法。
现有常规LED芯片的主要制作工艺为：衬底（一般采用蓝宝石材料）依次制作成形由n-GaN层、发光层以及p-GaN层组成的外延层，然后在p-GaN层成形透明导电层（一般采用ITO材料），最后分别在n-GaN层和p-GaN层依次制作成形n型电极和p型电极。由于GaN的折射率在2.5左右，而空气的折射率为1，两者之间的折射率相差较大，所以LED芯片与空间界面上存在较严重的全反射现象，导致LED芯片中发光层产生的光仅有少部分能出射，大多数光由于全反射现象而被限制在LED芯片内部，因此现有优化技术提出通过对LED芯片的p-GaN层进行表面粗化，因而可以避免如前所述的全反射现象，增加LED芯片的表面出光，进而提高LED芯片的转换效率。
然而现有公开的LED芯片表面粗化技术需改变外延层的制作成形工艺，以增加p-GaN层的厚度，进而满足对p-GaN层进行表面粗化中干法或湿法刻蚀的要求，普遍存在技术要求较高、制作过程不易控制等缺点，同时由于透明导电层与具有表面粗化结构的p-GaN层直接接触，会引起LED芯片中透明导电层与p-GaN层之间的欧姆接触问题，即导致二者之间的表面接触电阻增加，进而导致LED芯片的正向电压升高，最终导致LED芯片的电流注入效率降低，不利于最终制作得到的LED芯片的转换效率。
如公开号为CN101702419A的中国专利公开了一种GaN基LED芯片结构中p-GaN层或ITO层的表面粗化方法，该方法包括如下步骤：(1)在半导体衬底上依次生长低温GaN缓冲层、不掺杂GaN层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层的层叠式结构和蒸镀ITO电流扩展层；(2)制备单层镍纳米粒子作为掩模，在p-GaN层或ITO层表面制作粗化结构。本发明方法步骤简单，成本低，粗化效果好；通过本发明方法对GaN基LED的p-GaN层或ITO层进行表面粗化，可以抑制芯片内光子的全反射，提高器件的出光效率。该专利虽然对表面粗化工艺进行了一定程度地简化，但同样存在上述的透明导电层与p-GaN层之间的欧姆接触问题。
因此，有必要寻求一种LED芯片的表面粗化结构或工艺，该结构或工艺即可有效减少或避免全反射现象，进而提高LED芯片的出光效率，又可同时避免产生透明导电层与p-GaN层之间的欧姆接触问题，进而确保LED芯片的电流注入效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种LED表面粗化芯片以及制作方法，即可有效减少或避免全反射现象，进而提高LED芯片的出光效率，又可同时避免产生透明导电层与p-GaN层之间的欧姆接触问题，进而确保LED芯片的电流注入效率，最终有效确保LED芯片的转换效率得到提高。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种LED表面粗化芯片，所述LED芯片包括衬底以及成形在所述衬底上的外延层，所述外延层依次包括n-GaN层、发光层和p-GaN层；所述p-GaN层上成形有透明导电层；以及分别成形在所述n-GaN层和所述透明导电层上的n型电极和p型电极，其中，所述p-GaN层表面设有多个粗化图形；所述透明导电层设有多个开孔图形，使得全部或部分粗化图形暴露在该开孔图形中。
优选地，所述开孔图形为圆形、椭圆形或多边形形状。
优选地，所述开孔图形的最大尺寸为2-15μm，所述开孔图形之间的间距为5-50μm。
优选地，所述开孔图形排列呈蜂窝型或井字型形状。
优选地，所述开孔图形的总面积占所述LED表面粗化芯片总出光面积的5-25%。
优选地，所述透明导电层的材料选自ITO、ZnO、CdO、Cd2SnO4中的任意一种。
优选地，所述衬底的材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝和尖晶石中的任意一种。
优选地，一种如上所述的LED表面粗化芯片的制作方法，其中，其操作步骤包括：
a）、在衬底上依次制作n-GaN层、发光层和p-GaN层，所述n-GaN层、发光层和p-GaN层组成外延层；
b）、对所述外延层进行刻蚀工艺处理，得到PN台阶，该PN台阶使得部分n-GaN层暴露出表面；
c）、对所述p-GaN层表面进行粗化工艺处理，得到其表面具有多个粗化图形的p-GaN层；
d）、在上述步骤c）得到的其表面具有多个粗化图形的p-GaN层上制作透明导电层；
e）、对所述透明导电层进行光刻工艺处理，得到具有多个开孔图形的透明导电层，使得全部或部分粗化图形暴露在该开孔图形中；
f）、分别在所述n-GaN层和所述具有多个开孔图形的透明导电层上制作n型电极和p型电极。
优选地，所述步骤c）具体包括：
c10）、在所述p-GaN层表面制作二氧化硅膜；
c20）、对所述二氧化硅膜进行光刻工艺处理，得到具有多个开孔图形的二氧化硅膜；
c30）、以上述步骤c20）得到的具有多个开孔图形的二氧化硅膜作为掩膜，对所述p-GaN层表面进行干法或湿法刻蚀，使得位于开孔图形处的p-GaN层表面分别形成多个粗化图形；
c40）、对所述具有多个开孔图形的二氧化硅膜再次进行光刻工艺处理，得到具有电流阻挡层图形的二氧化硅膜，该二氧化硅膜作为电流阻挡层，所述电流阻挡层介于所述p-GaN层与所述透明导电层之间。
优选地，所述步骤c30）为：以上述步骤c20）得到的具有多个开孔图形的二氧化硅膜作为掩膜，在温度为200-300℃下，采用酸溶液对所述p-GaN层表面进行湿法刻蚀，使得位于开孔图形处的p-GaN层表面分别形成多个粗化图形。
本发明通过在LED芯片的p-GaN层表面设置粗化图形，同时在透明导电层设置开孔图形，使得全部或部分粗化图形暴露在该开孔图形中，其中的粗化结构同时具备了对p-GaN层和透明导电层的表面粗化效果，可有效减少或避免全反射现象，进而提高LED芯片的出光效率，且结构简单，制作方便，其中的开孔图形由于不参与导电，因此可确保透明导电层的电流均匀性，有效避免产生透明导电层与p-GaN层之间的欧姆接触问题，进而确保LED表面粗化芯片的电流注入效率，最终有效确保LED表面粗化芯片的转换效率得到提高；进一步地，本发明提出的LED表面粗化芯片的制作方法不需要改变现有外延层的制作成形工艺，简单方便、制作成本低，利于进行规模生产化应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1是本发明具体实施方式下LED芯片的结构示意图；
附图2是本发明实施例1中LED芯片完成步骤c20）时的结构示意图；
附图3是本发明实施例1中LED芯片完成步骤c30）时的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种LED表面粗化芯片，LED芯片包括衬底以及成形在衬底上的外延层，外延层依次包括n-GaN层、发光层和p-GaN层；p-GaN层上成形有透明导电层；以及分别成形在n-GaN层和透明导电层上的n型电极和p型电极，其中，p-GaN层表面设有多个粗化图形；透明导电层设有多个开孔图形，使得全部或部分粗化图形暴露在该开孔图形中。
本发明实施例还公开了一种如上所述的LED表面粗化芯片的制作方法，其中，其操作步骤包括：
a）、在衬底上依次制作n-GaN层、发光层和p-GaN层，n-GaN层、发光层和p-GaN层组成外延层；
b）、对外延层进行刻蚀工艺处理，得到PN台阶，该PN台阶使得部分n-GaN层暴露出表面；
c）、对p-GaN层表面进行粗化工艺处理，得到其表面具有多个粗化图形的p-GaN层；
d）、在上述步骤c）得到的其表面具有多个粗化图形的p-GaN层上制作透明导电层；
e）、对透明导电层进行光刻工艺处理，得到具有多个开孔图形的透明导电层，使得全部或部分粗化图形暴露在该开孔图形中；
f）、分别在n-GaN层和具有多个开孔图形的透明导电层上制作n型电极和p型电极。
本发明实施例通过在LED芯片的p-GaN层表面设置粗化图形，同时在透明导电层设置开孔图形，使得全部或部分粗化图形暴露在该开孔图形中，其中的粗化结构同时具备了对p-GaN层和透明导电层的表面粗化效果，可有效减少或避免全反射现象，进而提高LED芯片的出光效率，且结构简单，制作方便，其中的开孔图形由于不参与导电，因此可确保透明导电层的电流均匀性，有效避免产生透明导电层与p-GaN层之间的欧姆接触问题，进而确保LED表面粗化芯片的电流注入效率，最终有效确保LED表面粗化芯片的转换效率得到提高；进一步地，本发明实施例提出的LED表面粗化芯片的制作方法不需要改变现有外延层的制作成形工艺，简单方便、制作成本低，利于进行规模生产化应用。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参见图1所示，一种LED表面粗化芯片100，LED芯片包括衬底（图未示出）以及成形在衬底上的外延层，外延层依次包括n-GaN层110、发光层（图未示出）和p-GaN层（图1未示出）；p-GaN层上成形有透明导电层120；以及分别成形在n-GaN层110和透明导电层120上的n型电极130和p型电极140。优选地，衬底的材料选自蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氮化镓、氮化铝和尖晶石中的任意一种，具体优选地，在本实施方式中，衬底的材料为蓝宝石；优选地，透明导电层120的材料选自ITO（Indiumtinoxide，氧化铟锡）、ZnO、CdO、Cd2SnO4中的任意一种；具体优选地，在本实施方式中，透明导电层120的材料为ITO。
其中，在本实施方式中，p-GaN层表面设有多个粗化图形（图1未示出），透明导电层120设有多个开孔图形121，使得全部粗化图形暴露在该开孔图形121中。优选地，开孔图形121为圆形、椭圆形或多边形形状，当然地，还可以是其他形状，本实施例不作具体限制；具体优选地，在本实施方式中，开孔图形121为圆形；优选地，在本实施方式中，粗化图形的底面尺寸为300-500nm，其高度为200-300nm；开孔图形121的最大尺寸为2-15μm，开孔图形121之间的间距为5-50μm；优选地，开孔图形121排列呈蜂窝型或井字型形状，当然地，还可以是其他形状，本实施例不作具体限制。
优选地，开孔图形121的总面积占LED表面粗化芯片100总出光面积的5-25%；具体优选地，在本实施方式中，开孔图形121的总面积占LED表面粗化芯片100总出光面积的10%。
优选地，一种如上所述的LED表面粗化芯片100的制作方法，其中，其操作步骤包括：
a）、在衬底上依次制作n-GaN层110、发光层和p-GaN层，n-GaN层110、发光层和p-GaN层组成外延层，具体地，在本实施方式中，采用MOCVD（Metal-organicChemicalVaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉积）沉积法制作外延层，当然地，也可以采用其他沉积法或现有公知技术的任意一种制作方法；
b）、对外延层进行刻蚀工艺处理，得到PN台阶，该PN台阶使得部分n-GaN层110暴露出表面，具体地，在本实施方式中，对外延层采用光刻工艺处理，得到PN台阶，当然地，也可以对外延层采用现有公知技术的任意一种刻蚀工艺处理；
c）、对p-GaN层150表面进行粗化工艺处理，得到其表面具有多个粗化图形151的p-GaN层150，具体包括：
c10）、在p-GaN层150表面制作二氧化硅膜160，具体地，在本实施方式中，采用PECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，等离子体增强化学气相沉积）沉积法制作二氧化硅膜160，当然地，也可以采用其他沉积法或现有公知技术的任意一种制作方法；
c20）、请参见图2所示，对二氧化硅膜160进行光刻工艺处理，得到具有多个开孔图形121的二氧化硅膜160；
c30）、请参见图3所示，以上述步骤c20）得到的具有多个开孔图形121的二氧化硅膜160作为掩膜，在温度为200-300℃下，采用酸溶液对p-GaN层150表面进行湿法刻蚀，使得位于开孔图形121处的p-GaN层150表面分别形成多个粗化图形151，具体优选地，在本实施方式中，湿法刻蚀的温度为230℃，酸溶液为磷酸-硫酸的混合酸溶液；
c40）、对具有多个开孔图形121的二氧化硅膜160再次进行光刻工艺处理，得到具有电流阻挡层图形的二氧化硅膜，该二氧化硅膜作为电流阻挡层，电流阻挡层介于p-GaN层150与透明导电层120之间。
d）、在上述步骤c）得到的其表面具有多个粗化图形151的p-GaN层150上制作透明导电层120，具体优选地，在本实施方式中，采用蒸镀工艺制作透明导电层120，当然地，也可以采用现有公知技术的任意一种制作方法；
e）、对透明导电层120进行光刻工艺处理，得到具有多个开孔图形121的透明导电层120，使得全部粗化图形151暴露在该开孔图形121中；
f）、分别在n-GaN层110和具有多个开孔图形121的透明导电层120上制作n型电极130和p型电极140，具体地，在本实施方式中，采用预先对n-GaN层110和具有多个开孔图形121的透明导电层120进行光刻工艺处理分别制作n型电极和p型电极的图形，然后通过沉积、蒸镀或溅射等工艺制作相应图形的n型电极130和p型电极140，当然地，也可以采用现有公知技术的任意一种制作方法制作n型电极和p型电极。
需要说明的是，由于二氧化硅膜160的开孔图形和透明导电层120的开孔图形是相同的，因此，在本发明实施例中，两者采用同一附图标记，即为开孔图形121。
本专利全文所涉及的光刻工艺处理的基本操作步骤主要包括：涂布光刻胶后经曝光、显影、烘烤后得到具有图形化的光刻胶层，然后通过湿法或干法刻蚀将光刻胶层的图形转移到被光刻工艺处理的目标基板上，使得该目标基板得到相应图形，即完成光刻工艺处理，具体可以采用现有任意一种公知光刻工艺，且具体工艺参数可以根据实际需要进行选择，相信这些均属于本领域技术人员的常规选择，在本文中均不再具体展开赘述。
此外，对于本发明实施例涉及的各类的沉积法或蒸镀法为常规现有技术，其具体制作工艺以及参数选择同样均属于本领域技术人员的公知常识或常规选择，因此，在本文中均同样不再具体展开赘述。
经过相关实验检测，本发明实施例提供的LED表面粗化芯片100中的粗化图形结构由于减少了芯片表面的全反射现象，在单位面积下，可以提高20%-30%的芯片表面出光，又由于开孔图形121的总面积（即为开孔图形的面积之和）占LED表面粗化芯片100总出光面积的10%，则LED表面粗化芯片100的出光效率提高了2-3%，当然地，在其他实施方式中，还可以通过改变开孔图形的形状和面积，进一步提高LED表面粗化芯片的出光效率；同时由于开孔图形121不参与导电，因此对p-GaN层150表面进行湿法刻蚀制作得到粗化图形151不会影响透明导电层120的电流均匀性，从而避免产生透明导电层120与p-GaN层150之间的欧姆接触问题，进而确保LED表面粗化芯片100的电流注入效率，最终有效确保LED表面粗化芯片100的转换效率得到提高。
同时，本发明实施例提供的LED表面粗化芯片100相对于常规的LED芯片仅需要增加一次对二氧化硅膜160进行光刻工艺处理，得到具有开孔图形121的二氧化硅膜160，同时在温度为230℃下，采用磷酸-硫酸的混合酸溶液对p-GaN层150表面进行湿法刻蚀，即可在p-GaN层150表面形成粗化图形151，同时该二氧化硅膜160经过光刻工艺处理还同时可作为电流阻挡层，不需要改变现有外延层的制作成形工艺，简单方便、制作成本低，利于进行规模生产化应用。
实施例2：
为了进一步简化本发明的制作工艺，根据实际需要，本发明还提供了实施例2。本实施例2其余与实施例1相同，区别仅在于步骤c），具体包括：
c）、对p-GaN层表面进行粗化工艺处理，得到其表面具有多个粗化图形的p-GaN层，具体包括：在温度为200-300℃下，采用酸溶液对p-GaN层表面进行湿法刻蚀，使得p-GaN层表面形成多个粗化图形，具体优选地，在本实施方式中，湿法刻蚀的温度为230℃，酸溶液为磷酸-硫酸的混合酸溶液。
本实施例2的其余操作步骤可参见上述实施例1，本实施例2在经步骤e）后，使得部分粗化图形暴露在该开孔图形中。
同样请参见图1所示，本实施例2提供一种LED表面粗化芯片100，LED芯片包括衬底（图未示出）以及成形在衬底上的外延层，外延层依次包括n-GaN层110、发光层（图未示出）和p-GaN层（图1未示出）；p-GaN层上成形有透明导电层120；以及分别成形在n-GaN层110和透明导电层120上的n型电极130和p型电极140。其中，在本实施方式中，p-GaN层表面设有多个粗化图形（图1未示出），透明导电层120设有多个开孔图形121，使得部分粗化图形暴露在该开孔图形121中，其余均同实施例1。
本实施例2相对于实施例1，避免了在步骤c）中采用预先制作二氧化硅膜作为掩膜以及光刻工艺处理等工艺，可以简化制作工艺，且粗化图形刻均匀地设置在p-GaN层上，因此出光效率一般更优于实施例1，但由于本实施例2提供的LED表面粗化芯片100仅为部分粗化图形暴露在该开孔图形121中，即仍然有一部分粗化图形与透明导电层120直接接触，因而仍然存在一些透明导电层120与p-GaN层150之间的欧姆接触问题，因此本实施例2的电流注入效率劣于实施例1，因此，本领域技术人员可以根据实际需求来选择实施不同的实施例。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明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发明。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，本发明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发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个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，各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。
Claims (2)
1.一种LED表面粗化芯片的制作方法，其特征在于，其操作步骤包括：
a）、在衬底上依次制作n-GaN层、发光层和p-GaN层，所述n-GaN层、发光层和p-GaN层组成外延层；
b）、对所述外延层进行刻蚀工艺处理，得到PN台阶，该PN台阶使得部分n-GaN层暴露出表面；
c）、对所述p-GaN层表面进行粗化工艺处理，得到其表面具有多个粗化图形的p-GaN层；
d）、在上述步骤c）得到的其表面具有多个粗化图形的p-GaN层上制作透明导电层；
e）、对所述透明导电层进行光刻工艺处理，得到具有多个开孔图形的透明导电层，使得全部或部分粗化图形暴露在该开孔图形中；
f）、分别在所述n-GaN层和所述具有多个开孔图形的透明导电层上制作n型电极和p型电极；
所述步骤c）具体包括：
c10）、在所述p-GaN层表面制作二氧化硅膜；
c20）、对所述二氧化硅膜进行光刻工艺处理，得到具有多个开孔图形的二氧化硅膜；
c30）、以上述步骤c20）得到的具有多个开孔图形的二氧化硅膜作为掩膜，对所述p-GaN层表面进行干法或湿法刻蚀，使得位于开孔图形处的p-GaN层表面分别形成多个粗化图形；
c40）、对所述具有多个开孔图形的二氧化硅膜再次进行光刻工艺处理，得到具有电流阻挡层图形的二氧化硅膜，该二氧化硅膜作为电流阻挡层，所述电流阻挡层介于所述p-GaN层与所述透明导电层之间。
2.如权利要求1所述的LED表面粗化芯片的制作方法，其特征在于，所述步骤c30）为：以上述步骤c20）得到的具有多个开孔图形的二氧化硅膜作为掩膜，在温度为200-300℃下，采用酸溶液对所述p-GaN层表面进行湿法刻蚀，使得位于开孔图形处的p-GaN层表面分别形成多个粗化图形。
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