CN105938862A - 一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述GaN基发光二极管芯片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的N型GaN层、发光层、P型GaN层，P型GaN层上设有延伸到N型GaN层的台阶，P型GaN层上依次设有电流阻挡层、透明导电层、P型电极，N型GaN层上设有N型电极，P型GaN层和N型GaN层上设有延伸到衬底的凹槽，凹槽设置在芯片的边缘，凹槽、N型GaN层、透明导电层、以及台阶的侧壁上依次设有光学增透膜和钝化层，GaN、光学增透膜、钝化层、空气的折射率大小依次变化。本发明可以有效缓冲GaN和钝化层之间较大的折射率差距，提高LED芯片的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)具有节能、环保、可靠性高、寿命长等优点，作为固态照明光源以其广阔的应用前景成为目前研究的热点。近年来，LED已在日常生活中得到广泛应用，例如照明、信号显示、背光源、车灯和大屏幕显示等领域，同时这些应用也对LED芯片的亮度、发光效率提出了越来越高的要求。
LED芯片是LED的核心组件，GaN基LED芯片一般包括衬底、以及依次层叠在衬底上的N型GaN层、发光层、P型GaN层，P型GaN层上设有从P型GaN层延伸到N型GaN层的台阶，P型GaN层上依次设有电流阻挡层、透明导电层、P型电极，N型GaN层上设有N型电极。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
GaN的折射率和空气的折射率相差很大，发光层发出的光只有一部分可以从芯片内部发射出去，大部分都被限制在GaN内，导致LED芯片的发光效率较低。
发明内容
为了解决现有技术LED芯片的发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片及其制备方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片，所述GaN基发光二极管芯片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的N型GaN层、发光层、P型GaN层，所述P型GaN层上设有从所述P型GaN层延伸到所述N型GaN层的台阶，所述P型GaN层上依次设有电流阻挡层、透明导电层、P型电极，所述N型GaN层上设有N型电极，所述P型GaN层和所述N型GaN层上设有延伸到所述衬底的凹槽，所述凹槽设置在所述芯片的边缘，所述凹槽、所述N型GaN层、所述透明导电层、以及所述台阶的侧壁上依次设有光学增透膜和钝化层，所述钝化层的折射率介于GaN的折射率和空气的折射率之间，所述光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和所述钝化层的折射率之间。
可选地，所述凹槽的宽度为10～30μm。
可选地，所述凹槽的深度为6～10μm。
可选地，所述钝化层的折射率为1.5～2.5。
优选地，所述钝化层的材料采用SiN、SiO2、SiON、Al2O3中的一种。
可选地，所述光学增透膜的折射率为1.5～2.5。
优选地，所述光学增透膜的材料采用SiN或SiON。
可选地，所述光学增透膜的厚度为所述发光层发出的光在所述光学增透膜中波长的四分之一的奇数倍。
可选地，所述钝化层的厚度为所述发光层发出的光在所述钝化层中波长的四分之一的奇数倍。
另一方面，本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底上依次生长N型GaN层、发光层、P型GaN层，形成外延层；
在所述P型GaN层上设置从所述P型GaN层延伸到所述N型GaN层的台阶；
在所述P型GaN层和所述N型GaN层上设置延伸到所述衬底的凹槽，所述凹槽设置在所述外延层的边缘；
在所述P型GaN层上形成电流阻挡层和透明导电层；
在所述透明导电层上设置P型电极，在所述N型GaN层上设置N型电极；
在所述凹槽、所述N型GaN层、所述透明导电层、以及所述台阶的侧壁上形成光学增透膜和钝化层，所述钝化层的折射率介于GaN的折射率和空气的折射率之间，所述光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和所述钝化层的折射率之间。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在凹槽、N型GaN层、透明导电层、以及台阶的侧壁上依次设有光学增透膜和钝化层，钝化层的折射率介于GaN的折射率和空气的折射率之间，光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和钝化层的折射率之间，可以有效缓冲GaN和空气之间较大的折射率差距，减少发光层产生的光在不同折射率材料界面全反射，提高LED芯片的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。
图1是本发明实施例一提供的一种GaN基发光二极管芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种GaN基发光二极管芯片的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片，参见图1，该GaN基发光二极管芯片包括衬底1、依次层叠在衬底1上的N型GaN层2、发光层3、P型GaN层4，P型GaN层4上设有从P型GaN层4延伸到N型GaN层2的台阶100，P型GaN层4和N型GaN层2上设有延伸到衬底1的凹槽200，P型GaN层4上依次设有电流阻挡层5、透明导电层6、P型电极7，N型GaN层2上设有N型电极8，凹槽200、N型GaN层2、透明导电层6、以及台阶100的侧壁上依次设有光学增透膜9和钝化层10。
在本实施例中，钝化层10的折射率介于GaN的折射率和空气的折射率之间，光学增透膜9的折射率介于GaN的折射率和钝化层10的折射率之间。
具体地，衬底1为蓝宝石衬底，发光层3为交替层叠的InGaN层和GaN层，电流阻挡层5为SiO2层，透明导电层6为氧化铟锡(Indium Tin Oxide，简称ITO)，P型电极7和N型电极8为金属层。
可选地，凹槽200的宽度可以为10～30μm，以有效缓冲GaN和空气之间较大的折射率差距。
可选地，凹槽200的深度可以为6～10μm，以使凹槽延伸到衬底。
可选地，钝化层10的折射率可以为1.5～2.5。由于GaN的折射率为2.5，空气的折射率为1，选用折射率为1.5～2.5的钝化层，可以满足钝化层的折射率介于GaN的折射率和空气的折射率之间。
优选地，钝化层10的材料可以采用SiN、SiO2、SiON、Al2O3中的一种。SiN的折射率为1.8～2.2，SiO2的折射率为1.5～1.6，SiON的折射率为1.5～1.9，Al2O3的折射率为1.6～1.7，均可以实现折射率为1.5～2.5的钝化层。
可选地，光学增透膜9的折射率可以为1.5～2.5，以满足光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和钝化层10的折射率之间。
优选地，光学增透膜9的材料可以采用SiN或SiON。SiN的折射率为1.8～2.2，SiON的折射率为1.5～1.9，均可以实现折射率为1.5～2.5的光学增透膜。
可选地，光学增透膜9的厚度可以为发光层3发出的光在光学增透膜9中波长的四分之一的奇数倍。实验证明，当光学增透膜9的厚度为发光层3发出的光在光学增透膜中波长的四分之一的奇数倍时，发射光相干相消，折射光最强，因此将光学增透膜的厚度设计为发光层发出的光在光学增透膜中波长的四分之一的奇数倍，可以使发光层发出的光最大程度地从增透膜透射出去，将LED芯片的发光效率提升到最高。
可选地，钝化层10的厚度可以为发光层3发出的光在钝化层10中波长的四分之一的奇数倍，以使发光层发出的光最大程度地从增透膜透射出去，将LED芯片的发光效率提升到最高。
在实际应用中，电流阻挡层5设置在P型电极的下方，电流阻挡层5可以改变电流流向，避免电流集中在P型电极7的下方。
本发明实施例通过在凹槽、N型GaN层、透明导电层、以及台阶的侧壁上依次设有光学增透膜和钝化层，钝化层的折射率介于GaN的折射率和空气的折射率之间，光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和钝化层的折射率之间，可以有效缓冲GaN和空气之间较大的折射率差距，减少发光层产生的光在不同折射率材料界面全反射，提高LED芯片的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种GaN基发光二极管芯片的制备方法，适用于制备实施例一提供的GaN基发光二极管芯片，参见图2，该制备方法包括：
步骤201：在衬底上依次生长N型GaN层、发光层、P型GaN层，形成外延层。
具体地，该步骤201可以包括：
利用金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)设备在衬底上依次生长N型GaN层、发光层、P型GaN层。
可选地，在该步骤201之后，该制备方法还可以包括：
用王水和511溶液将N型GaN层、发光层、P型GaN层形成的外延片表面清洗干净。
其中，511溶液为容量比为5:1:1的H2SO4、H2O2、H2O的混合液。
步骤202：在P型GaN层上设置从P型GaN层延伸到N型GaN层的台阶。
具体地，该步骤202可以包括：
在P型GaN层上涂覆光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，采用感应耦合等离子体刻蚀(Inductive Coupled Plasma，简称ICP)技术刻蚀P型GaN层、发光层、N型GaN层，形成从P型GaN层延伸到N型GaN层的台阶；
去除光刻胶。
步骤203：在P型GaN层和N型GaN层上设置延伸到衬底的凹槽。
在本实施例中，凹槽设置在外延层的边缘。
具体地，该步骤203可以包括：
在P型GaN层和N型GaN层上涂覆光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，采用ICP技术刻蚀P型GaN层和N型GaN层，形成延伸到衬底的凹槽；
去除光刻胶。
步骤204：在P型GaN层上形成电流阻挡层和透明导电层。
具体地，在P型GaN层上形成电流阻挡层，可以包括：
采用等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，简称PECVD)技术在P型GaN层、N型GaN层、以及台阶的侧壁上沉积电流阻挡层；
在电流阻挡层上涂覆光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，刻蚀电流阻挡层，形成设定图形的电流阻挡层；
去除光刻胶。
可选地，在P型GaN层上形成透明导电层，可以包括：
采用电子束蒸镀或磁控溅射技术在电流阻挡层、P型GaN层、N型GaN层、以及台阶的侧壁上沉积透明导电层；
在透明导电层上涂覆光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，刻蚀透明导电层，形成设定图形的透明导电层；
去除光刻胶。
步骤205：在透明导电层上设置P型电极，在N型GaN层上设置N型电极。
具体地，该步骤205可以包括：
采用电子束蒸镀或磁控溅射技术在透明导电层和N型GaN层上形成金属层；
采用剥离技术形成P型电极和N型电极。
步骤206：在凹槽、N型GaN层、透明导电层、以及台阶的侧壁上形成光学增透膜和钝化层。
在本实施例中，钝化层的折射率介于GaN的折射率和空气的折射率之间，光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和钝化层的折射率之间。
具体地，该步骤206可以包括：
采用PECVD、常压化学气相淀积(Atmospheric Pressure Chemical VaporDeposition，简称APCVD)、或者原子层沉积(Atomic Layer Deposition，简称ALD)技术在凹槽、N型GaN层、透明导电层、以及台阶的侧壁上沉积光学增透膜和钝化层；
在钝化层上涂覆光刻胶；
对光刻胶进行曝光和显影，形成设定图形的光刻胶；
在光刻胶的保护下，刻蚀钝化层和光学增透膜，形成设定图形的光学增透膜和钝化层；
去除光刻胶。
具体地，衬底为蓝宝石衬底，发光层为交替层叠的InGaN层和GaN层，电流阻挡层为SiO2层，透明导电层为ITO，P型电极和N型电极为金属层。
可选地，凹槽的宽度可以为10～30μm。
可选地，凹槽的深度可以为6～10μm。
可选地，钝化层的折射率可以为1.5～2.5。
优选地，钝化层的材料可以采用SiN、SiO2、SiON、Al2O3中的一种。
可选地，光学增透膜的折射率可以为1.5～2.5。
优选地，光学增透膜的材料可以采用SiN或SiON。
可选地，光学增透膜的厚度可以为发光层发出的光在光学增透膜中波长的四分之一的奇数倍。
可选地，钝化层的厚度可以为发光层发出的光在钝化层中波长的四分之一的奇数倍。
本发明实施例通过在凹槽、N型GaN层、透明导电层、以及台阶的侧壁上依次设有光学增透膜和钝化层，钝化层的折射率介于GaN的折射率和空气的折射率之间，光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和钝化层的折射率之间，可以有效缓冲GaN和空气之间较大的折射率差距，减少发光层产生的光在不同折射率材料界面全反射，提高LED芯片的发光效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基发光二极管芯片，所述GaN基发光二极管芯片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的N型GaN层、发光层、P型GaN层，所述P型GaN层上设有从所述P型GaN层延伸到所述N型GaN层的台阶，所述P型GaN层上依次设有电流阻挡层、透明导电层、P型电极，所述N型GaN层上设有N型电极，其特征在于，所述P型GaN层和所述N型GaN层上设有延伸到所述衬底的凹槽，所述凹槽设置在所述芯片的边缘，所述凹槽、所述N型GaN层、所述透明导电层、以及所述台阶的侧壁上依次设有光学增透膜和钝化层，所述钝化层的折射率介于GaN的折射率和空气的折射率之间，所述光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和所述钝化层的折射率之间。
2.根据权利要求1所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述凹槽的宽度为10～30μm。
3.根据权利要求1或2所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述凹槽的深度为6～10μm。
4.根据权利要求1或2所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述钝化层的折射率为1.5～2.5。
5.根据权利要求4所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述钝化层的材料采用SiN、SiO2、SiON、Al2O3中的一种。
6.根据权利要求1或2所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述光学增透膜的折射率为1.5～2.5。
7.根据权利要求6所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述光学增透膜的材料采用SiN或SiON。
8.根据权利要求1或2所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述光学增透膜的厚度为所述发光层发出的光在所述光学增透膜中波长的四分之一的奇数倍。
9.根据权利要求1或2所述的GaN基发光二极管芯片，其特征在于，所述钝化层的厚度为所述发光层发出的光在所述钝化层中波长的四分之一的奇数倍。
10.一种GaN基发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上依次生长N型GaN层、发光层、P型GaN层，形成外延层；
在所述P型GaN层上设置从所述P型GaN层延伸到所述N型GaN层的台阶；
在所述P型GaN层和所述N型GaN层上设置延伸到所述衬底的凹槽，所述凹槽设置在所述外延层的边缘；
在所述P型GaN层上形成电流阻挡层和透明导电层；
在所述透明导电层上设置P型电极，在所述N型GaN层上设置N型电极；
在所述凹槽、所述N型GaN层、所述透明导电层、以及所述台阶的侧壁上形成光学增透膜和钝化层，所述钝化层的折射率介于GaN的折射率和空气的折射率之间，所述光学增透膜的折射率介于GaN的折射率和所述钝化层的折射率之间。
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