CN106601876A - 一种led芯片结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种LED芯片结构的制作方法，包括以下步骤：S1：提供一蓝宝石衬底；S2：采用激光从所述蓝宝石衬底背面照射并聚焦到所述蓝宝石衬底内部，在所述蓝宝石衬底内部形成气孔阵列；S3：在所述蓝宝石衬底表面依次生长缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱发光层及P型氮化镓层；S4：刻蚀所述P型氮化镓层及所述多量子阱发光层，形成凹陷区域，所述凹陷区域暴露出所述N型氮化镓层的部分表面；S5：在所述P型氮化镓层表面制作P电极，在所述凹陷区域表面制作N电极，得到LED芯片结构。本发明的LED芯片结构中，由于所述气孔阵列的存在，不仅可以提高LED的出光效率，并且可以降低GaN外延层的应力，提高LED的内量子效率。

Description

一种LED芯片结构及其制作方法
技术领域
本发明属于LED芯片领域，涉及一种LED芯片结构及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种半导体发光器件，利用半导体P-N结电致发光原理制成。LED具有能耗低，体积小、寿命长，稳定性好，响应快，发光波长稳定等好的光电性能，目前已经在照明、家电、显示屏、指示灯等领域有很好的应用。近年来，为了提高LED产品的照明品质和集成度，单位面积光效(lm/W/cm2)已成为衡量LED芯片的一个重要指标。
氮化镓(GaN)材料系列是一种理想的短波长发光器件材料，氮化镓及其合金的带隙覆盖了从红色到紫外的光谱范围。自从1991年日本研制出同质结氮化镓蓝色LED之后，InGaN/AlGaN双异质结超亮度蓝色LED、InGaN单量子阱GaN LED相继问世。氮化镓基LED比传统LED外形更小、功率更高。少量氮化镓基LED就能提供与传统LED相同的发光量。
GaN基发光二极管一般生长在不导电的蓝宝石衬底上，由于GaN材料的折射率较大使LED发出的大部分光在GaN材料内部来回反射消耗掉，只有4％左右的光可以发射出来。为了提高LED的出光效率，图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，PSS)被普遍采用，PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED大大提高，同时反向漏电流减小，LED的寿命也得到了延长。同时还发明了表面粗化，光子晶体结构，渐变介质层等方法来提高GaNLED的出光效率。然而，LED出光效率还有待进一步提高。
因此，如何提供一种新型LED芯片结构及其制作方法，以进一步提高LED的出光效率，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种LED芯片结构及其制作方法，用于解决现有技术中LED芯片出光效率不高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种LED芯片结构的制作方法，包括以下步骤：
S1：提供一蓝宝石衬底；
S2：采用激光从所述蓝宝石衬底背面照射并聚焦到所述蓝宝石衬底内部，在所述蓝宝石衬底内部形成气孔阵列；
S3：在所述蓝宝石衬底表面依次生长缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱发光层及P型氮化镓层；
S4：刻蚀所述P型氮化镓层及所述多量子阱发光层，形成凹陷区域，所述凹陷区域暴露出所述N型氮化镓层的部分表面；
S5：在所述P型氮化镓层表面制作P电极，在所述凹陷区域表面制作N电极，得到LED芯片结构。
可选地，所述蓝宝石衬底为平片衬底或图形化衬底。
可选地，所述激光波长为1064nm。
可选地，所述气孔阵列中，图形周期为0.5～10μm。
可选地，所述气孔的高度范围是0.5～5μm，宽度范围是0.1～3μm。
可选地，所述气孔阵列包括一层气孔。
可选地，所述气孔阵列与所述蓝宝石衬底上表面之间的距离范围是1～200μm。
可选地，所述气孔阵列包括至少两层气气孔。
可选地，于所述步骤S3中，采用金属有机化合物化学气相沉积法或分子束外延法生长所述缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱发光层或P型氮化镓层。
本发明还提供一种LED芯片结构，包括：
蓝宝石衬底；所述蓝宝石衬底内部形成有气孔阵列；
依次形成于所述蓝宝石衬底表面的缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱发光层及P型氮化镓层；
贯穿所述P型氮化镓层及所述多量子阱发光层、并暴露出所述N型氮化镓层部分表面的凹陷区域；
形成于所述P型氮化镓层表面的P电极，形成于所述凹陷区域表面的N电极。
可选地，所述气孔阵列包括一层或多层气孔。
如上所述，本发明的LED芯片结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明利用激光技术在蓝宝石衬底内形成气孔阵列，利用气孔与蓝宝石的折射率不同使LED的出光效率得到大幅度提升，增加LED芯片外量子效率。而且该方法不限于平片或图形化蓝宝石衬底。同时由于蓝宝石衬底中气孔的存在可有效降低GaN外延层的应力，提高LED的内量子效率。综合以上两方面因素，可以大幅提高LED的发光效率。
附图说明
图1显示为本发明的LED芯片结构的制作方法的工艺流程图。
图2显示为本发明的LED芯片结构的制作方法中提供的蓝宝石衬底的剖面结构示意图。
图3显示为本发明的LED芯片结构的制作方法中在所述蓝宝石衬底内部形成气孔阵列的示意图。
图4-图6显示为几种不同气孔阵列的平面布局图。
图7显示为所述气孔阵列包括两层气孔的示意图。
图8显示为本发明的LED芯片结构的制作方法中在所述蓝宝石衬底表面依次生长缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱发光层及P型氮化镓层的示意图。
图9显示为本发明的LED芯片结构的制作方法中刻蚀所述P型氮化镓层及所述多量子阱发光层，形成凹陷区域的示意图。
图10显示为本发明的LED芯片结构的制作方法中在所述P型氮化镓层表面制作P电极，在所述凹陷区域表面制作N电极的示意图。
图11显示为无所述气孔阵列的LED芯片结构中的光路示意图。
图12显示为本发明带有所述气孔阵列的LED芯片结构中的光路示意图。
元件标号说明
S1～S5 步骤
a、b 图形周期
1 蓝宝石衬底
2 气孔阵列
3 缓冲层
4 N型氮化镓层
5 多量子阱发光层
6 P型氮化镓层
7 凹陷区域
8 P电极
9 N电极
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种LED芯片结构的制作方法，请参阅图1，显示为该方法的工艺流程图，包括以下步骤：
S1：提供一蓝宝石衬底；
S2：采用激光从所述蓝宝石衬底背面照射并聚焦到所述蓝宝石衬底内部，在所述蓝宝石衬底内部形成气孔阵列；
S3：在所述蓝宝石衬底表面依次生长缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱发光层及P型氮化镓层；
S4：刻蚀所述P型氮化镓层及所述多量子阱发光层，形成凹陷区域，所述凹陷区域暴露出所述N型氮化镓层的部分表面；
S5：在所述P型氮化镓层表面制作P电极，在所述凹陷区域表面制作N电极，得到LED芯片结构。
首先请参阅图2，执行步骤S1：提供一蓝宝石衬底1。
具体的，所述蓝宝石衬底1(Al2O3)可采用平片衬底或图形化衬底。此处，所述图形化衬底(Patterned Sapphire Substrate，PSS)是指表面具有图形的蓝宝石衬底。图形的形成方法通常如下：在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，得到图形。在图形化衬底上生长GaN材料，可以使GaN材料的纵向外延变为横向外延，一方面可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED的寿命；另一方面有源区发出的光，经GaN和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了出光几率，从而提高了光的提取效率。综合这两方面的原因，使PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED有所提高，同时反向漏电流减小，LED的寿命也得到了延长。PSS的图形种类也较多，目前使用比较普遍的一种形貌类似圆锥形的图形，图形周期约为3μm，高度约为1.5μm。当然，所述图形化衬底也可采用其它类型图形。
然后请参阅图3至图7，执行步骤S2：采用激光从所述蓝宝石衬底背面照射并聚焦到所述蓝宝石衬底1内部，在所述蓝宝石衬底1内部形成气孔阵列2。
蓝宝石衬底的熔点很高，达到2045℃，本发明中，利用激光的特性在所述蓝宝石衬底1中形成所述气孔阵列2。
作为示例，采用两束激光交汇照射，在激光交汇点处得到所述气孔。由于两束激光在交点上发生干涉和抵消，其能量由光能转换为内能，放出大量热量，将该点融化形成微小的空洞。
作为示例，采用的激光波长可为1064nm、355nm或248nm。
需要指出的是，采用激光形成所述气孔阵列时，除了激光交汇点处，激光光路上蓝宝石衬底并不会被破坏，因为激光在穿过透明的蓝宝石衬底时仍维持光能形式，不会产生多余热量，只有在干涉点处才会转化为内能并融化物质。
如图3所示，显示为所述气孔阵列2包括一层气孔的示意图。图4显示为所述气孔阵列的一种平面布局图，其中图中黑色箭头示出了气孔阵列中原胞的两个方向上的图形周期a、b。
作为示例，所述气孔的高度范围是0.5～5μm，宽度范围是0.1～3μm。所述气孔阵列与所述蓝宝石衬底上表面之间的距离范围是1～200μm。
作为示例，所述气孔阵列2中，图形周期为0.5～10μm。需要指出的是，此处图形周期可以为不同方向上的图形周期，例如，对于图3所示的布局，所述图形周期既可以是a，也可以是b。
图5及图6还示出了所述气孔阵列的另外两种平面布局。然而，所述气孔阵列还可呈其它排列方式，此处不应过分限制本发明的保护范围。
此外，在其它实施例中，所述气孔阵列2还可包括至少两层气孔。如图7所示，显示为所述气孔阵列2包括两层气孔的情形。
所述蓝宝石衬底1中存在的气孔与蓝宝石的折射率不同，可以增加光的反射或折射，提高出光效率。同时，蓝宝石衬底中气孔的存在可有效降低GaN外延层的应力，提高LED的内量子效率。
接着请参阅图8，执行步骤S3：在所述蓝宝石衬底1表面依次生长缓冲层3、N型氮化镓层4、多量子阱发光层5及P型氮化镓层6。
作为示例，所述缓冲层3的材料为GaN，其可为单层GaN层，也可由低温GaN层及高温GaN层叠加而成。所述多量子阱层5可由浅量子阱层及多量子阱发光层组成。当然，所述缓冲层3、N型氮化镓层4、多量子阱发光层5及P型氮化镓层6还可具有更细化的功能层结构，所述此处不应过分限制本发明的保护范围。
作为示例，可采用金属有机化合物化学气相沉积法或分子束外延法生长所述缓冲层3、N型氮化镓层4、多量子阱发光层5或P型氮化镓层6。其中金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。通常MOCVD***中的晶体生长都是在常压或低压(10-100Torr)下通H2的冷壁石英(不锈钢)反应室中进行，衬底温度为500-1200℃，用射频感应加热石墨基座(衬底基片在石墨基座上方)，H2通过温度可控的液体源鼓泡携带金属有机物到生长区。分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中(也在腔体内)。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的(可薄至单原子层水平)单晶体和几种物质交替的超晶格结构。该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但***复杂，生长速度较慢。
再请参阅图9，执行步骤S4：刻蚀所述P型氮化镓层6及所述多量子阱发光层5，形成凹陷区域7，所述凹陷区域7暴露出所述N型氮化镓层4的部分表面。
最后请参阅图10，执行步骤S5：在所述P型氮化镓层6表面制作P电极8，在所述凹陷区域表面制作N电极9，得到LED芯片结构。
图11及图12分别显示为无所述气孔阵列的LED芯片结构中的光路示意图及本发明带有所述气孔阵列的LED芯片结构中的光路示意图(光路采用黑色箭头表示)。可见，本发明带有气孔阵列的LED芯片结构中的气孔阵列对光的反射和折射可以大大提高LED的出光效率。
本发明的LED芯片结构的制作方法利用激光技术在蓝宝石衬底内形成气孔阵列，利用气孔与蓝宝石的折射率不同使LED的出光效率得到大幅度提升，增加LED芯片外量子效率。而且该方法不限于平片或图形化蓝宝石衬底。同时由于蓝宝石衬底中气孔的存在可有效降低GaN外延层的应力，提高LED的内量子效率。综合以上两方面因素，可以大幅提高LED的发光效率。
实施例二
本发明还提供一种LED芯片结构，如图10所示，所述LED芯片结构包括：
蓝宝石衬底1；所述蓝宝石衬底1内部形成有气孔阵列2；
依次形成于所述蓝宝石衬底表面的缓冲层3、N型氮化镓层4、多量子阱发光层5及P型氮化镓层6；
贯穿所述P型氮化镓层5及所述多量子阱发光层6、并暴露出所述N型氮化镓层4部分表面的凹陷区域；
形成于所述P型氮化镓层6表面的P电极8，形成于所述凹陷区域表面的N电极9。
具体的，所述气孔阵列2可包括一层或多层气孔。各层气孔可呈但不限于如图4至图6中的任意一种布局方式。
作为示例，所述气孔阵列2中，图形周期为0.5～10μm。所述气孔的高度范围是0.5～5μm，宽度范围是0.1～3μm。所述气孔阵列与所述蓝宝石衬底上表面之间的距离范围是1～200μm。
本发明的LED芯片结构中，由于所述气孔阵列的存在，不仅可以提高LED的出光效率，并且可以降低GaN外延层的应力，提高LED的内量子效率。
综上所述，本发明的LED芯片结构及其制作方法，利用激光技术在蓝宝石衬底内形成气孔阵列，利用气孔与蓝宝石的折射率不同使LED的出光效率得到大幅度提升，增加LED芯片外量子效率。而且该方法不限于平片或图形化蓝宝石衬底。同时由于蓝宝石衬底中气孔的存在可有效降低GaN外延层的应力，提高LED的内量子效率。综合以上两方面因素，可以大幅提高LED的发光效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种LED芯片结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：提供一蓝宝石衬底；
S2：采用激光从所述蓝宝石衬底背面照射并聚焦到所述蓝宝石衬底内部，在所述蓝宝石衬底内部形成气孔阵列；
S3：在所述蓝宝石衬底表面依次生长缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱发光层及P型氮化镓层；
S4：刻蚀所述P型氮化镓层及所述多量子阱发光层，形成凹陷区域，所述凹陷区域暴露出所述N型氮化镓层的部分表面；
S5：在所述P型氮化镓层表面制作P电极，在所述凹陷区域表面制作N电极，得到LED芯片结构。
2.根据权利要求1所述的LED芯片结构的制作方法，其特征在于：所述蓝宝石衬底为平片衬底或图形化衬底。
3.根据权利要求1所述的LED芯片结构的制作方法，其特征在于：所述激光波长为1064nm。
4.根据权利要求1所述的LED芯片结构的制作方法，其特征在于：所述气孔阵列中，图形周期为0.5～10μm。
5.根据权利要求1所述的LED芯片结构的制作方法，其特征在于：所述气孔的高度范围是0.5～5μm，宽度范围是0.1～3μm。
6.根据权利要求1所述的LED芯片结构的制作方法，其特征在于：所述气孔阵列包括一层气孔或多层气孔。
7.根据权利要求1所述的LED芯片结构的制作方法，其特征在于：所述气孔阵列与所述蓝宝石衬底上表面之间的距离范围是1～200μm。
8.根据权利要求1所述的LED芯片结构的制作方法，其特征在于：于所述步骤S3中，采用金属有机化合物化学气相沉积法或分子束外延法生长所述缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱发光层或P型氮化镓层。
9.一种LED芯片结构，其特征在于，包括：
蓝宝石衬底；所述蓝宝石衬底内部形成有气孔阵列；
依次形成于所述蓝宝石衬底表面的缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱发光层及P型氮化镓层；
贯穿所述P型氮化镓层及所述多量子阱发光层、并暴露出所述N型氮化镓层部分表面的凹陷区域；
形成于所述P型氮化镓层表面的P电极，形成于所述凹陷区域表面的N电极。
10.根据权利要求9所述的LED芯片结构，其特征在于：所述气孔阵列包括一层或多层气孔。
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