CN115020568A - 一种led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种LED芯片及其制作方法，该LED芯片为倒装结构，包括依次排布的蓝宝石衬底、第一增透膜、第一半导体层和发光层，发光层包括第一型GaN层、多量子阱层和第二型GaN层，通过在第一半导体层和蓝宝石衬底之间增加第一增透膜，以减少向蓝宝石衬底的出光方向上的反射光，增加透射光，从而提高对倒装LED芯片出射光的萃取效率，提升倒装LED芯片的外量子效率；并且，设置第一增透膜为MgxZn(1‑x)O层，使得MgxZn(1‑x)O层在起到增透作用的同时，还与GaN外延层的晶格失配更小，从而降低发光层的缺陷密度，提升倒装LED芯片的内量子效率，结合起来大大提高倒装LED芯片的发光效率。
Description
技术领域
本申请涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种LED芯片及其制作方法。
背景技术
相比于正装发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)从正面出光，倒装LED的光提取方式是将芯片正面的光反射至衬底面来增加出光，因此，倒装LED具有自发光、高效率、低功耗、高集成度和高稳定性等诸多优点，发展前景很大。然而，如何进一步提高倒装LED芯片的发光效率，成为限制倒装LED芯片发展的技术瓶颈。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种LED芯片及其制作方法，以进一步提高倒装LED芯片的发光效率。
为实现上述目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种LED芯片，所述LED芯片为倒装结构，所述LED芯片包括：
蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有相对设置的出光面和背光面；
位于所述蓝宝石衬底的背光面一侧，沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次排布的第一增透膜、第一半导体层和发光层，所述发光层包括沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次排布的第一型GaN层、多量子阱层和第二型GaN层；
所述第一增透膜为MgxZn(1-x)O层，所述第一增透膜的厚度为第一反射光与第二反射光发生完全相消干涉所需的厚度，所述第一反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一半导体层与所述第一增透膜的界面时的反射光，所述第二反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一增透膜靠近所述蓝宝石衬底的表面时的反射光。
可选的，所述LED芯片还包括：
位于所述蓝宝石衬底和所述第一增透膜之间的第二增透膜；
所述第二增透膜的厚度为所述第二反射光与第三反射光发生完全相消干涉所需的厚度，所述第二反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一增透膜和所述第二增透膜的界面时的反射光，所述第三反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第二增透膜与所述蓝宝石衬底的界面时的反射光。
可选的，所述第二增透膜为SiO2层。
可选的，当所述第一半导体层的折射率小于所述第一增透膜的折射率时，所述第一增透膜的厚度d1为
其中，n1为所述第一增透膜的折射率，λ为所述发光层的发光波长，k为不小于0的整数。
可选的，当所述第一半导体层的折射率大于所述第一增透膜的折射率时，所述第一增透膜的厚度d1为
其中，n1为所述第一增透膜的折射率，λ为所述发光层的发光波长，k为不小于0的整数。
可选的，所述第二增透膜的厚度d2为
其中，n2为所述第二增透膜的折射率，λ为所述发光层的发光波长，k为不小于0的整数。
可选的，所述第一增透膜中，Mg组分x的取值范围为0.001-0.1，包括端点值。
可选的，所述第一半导体层包括GaN缓冲层、AlGaN缓冲层或AlN衔接层。
一种LED芯片的制作方法，所述LED芯片为倒装结构，所述LED芯片的制作方法包括：
提供一蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有相对设置的出光面和背光面；
在所述蓝宝石衬底的背光面一侧，沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次形成第一增透膜、第一半导体层和发光层，所述发光层包括沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次排布的第一型GaN层、多量子阱层和第二型GaN层；
其中，所述第一增透膜为MgxZn(1-x)O层，所述第一增透膜的厚度为第一反射光与第二反射光发生完全相消干涉所需的厚度，所述第一反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一半导体层与所述第一增透膜的界面时的反射光，所述第二反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一增透膜靠近所述蓝宝石衬底的表面时的反射光。
可选的，在形成所述第一增透膜之前，该方法还包括：
在所述蓝宝石衬底的背光面一侧，形成第二增透膜；
在所述蓝宝石衬底的背光面一侧，沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次形成第一增透膜、第一半导体层和发光层包括：
在所述第二增透膜背离所述蓝宝石衬底的一侧，沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次形成第一增透膜、第一半导体层和发光层；
其中，所述第二增透膜的厚度为所述第二反射光与第三反射光发生完全相消干涉所需的厚度，所述第二反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一增透膜和所述第二增透膜的界面时的反射光，所述第三反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第二增透膜与所述蓝宝石衬底的界面时的反射光。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本申请实施例所提供的LED芯片，包括依次排布的蓝宝石衬底、第一增透膜、第一半导体层和发光层，由于该LED芯片为倒装结构，因此，从发光层出射的光经第一半导体层、第一增透膜和蓝宝石衬底后射出，即从蓝宝石衬底一侧出光，通过在第一半导体层和蓝宝石衬底之间增加第一增透膜，并设置第一增透膜的厚度为第一反射光与第二反射光发生完全相消干涉所需的厚度，第一反射光为从发光层出射的光垂直入射至第一半导体层与第一增透膜的界面时的反射光，第二反射光为从发光层出射的光垂直入射至第一增透膜靠近蓝宝石衬底的表面时的反射光，从而减少从发光层出射的光在射向蓝宝石衬底的过程中的反射，提高从发光层出射的光在射向蓝宝石衬底的过程中的透射率，进而提高对倒装LED芯片出射光的萃取效率，提升倒装LED芯片的外量子效率。
并且，考虑到发光层包括沿背离蓝宝石衬底的方向依次排布的第一型GaN层、多量子阱层和第二型GaN层，因此，设置第一增透膜为MgxZn(1-x)O层，由于MgxZn(1-x)O层与GaN层具有相似的晶体结构和相对较小的晶格失配度，MgxZn(1-x)O层还具有透射率高、吸光率低的特点，以及具有较好的c轴择优取向和较高的结晶质量，因此，MgxZn(1-x)O层在对发光层出射的光起到增透作用的同时，还使得在MgxZn(1-x)O层上继续生长GaN外延层时晶格失配更小，从而降低发光层的缺陷密度，提升倒装LED芯片的内量子效率。
由此可见，本申请实施例所提供的LED芯片，通过在蓝宝石衬底和第一半导体层之间设置MgxZn(1-x)O层作为第一增透膜，可以同时提升倒装LED芯片的外量子效率和内量子效率，从而大大提高倒装LED芯片的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为本申请一个实施例所提供的LED芯片的剖面结构示意图；
图2为从发光层出射的光垂直入射至第一增透膜层时的光线传输示意图；
图3为本申请另一个实施例所提供的LED芯片的剖面结构示意图；
图4为从发光层出射的光垂直入射至第一增透膜层和第二增透膜层时的光线传输示意图；
图5为本申请一个实施例所提供的LED芯片的制作方法的流程示意图；
图6为本申请另一个实施例所提供的LED芯片的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本申请结合示意图进行详细描述，在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
正如背景技术部分所述，如何进一步提高倒装LED芯片的发光效率，成为限制倒装LED芯片发展的技术瓶颈。
发明人研究发现，随着倒装LED芯片尺寸的逐渐减小，对倒装LED芯片外延层的生长质量提出了更高的要求，具体例如，Mini倒装LED芯片的工作电流非常小，根据ABC理论模型可知，在小电流密度下，LED芯片的内量子效率与俄歇复合SRH相关，而俄歇复合SRH又取决于外延层中位错密度等缺陷相关因素，基于此，为了获得小电流密度下LED芯片更高的内量子效率，则需要对其外延层的缺陷进行控制，一般要求外延层的穿透位错密度控制在107cm-2以内，而目前外延技术只能达到108cm-2量级，这就限制了倒装LED芯片的发光效率。
并且，由于倒装LED芯片从其衬底面出光，那么，倒装LED芯片内部产生的光在向衬底面传输的过程中，不可避免地会发生反射，即倒装LED芯片的光萃取效率有待提高，这也限制了倒装LED芯片的发光效率。
基于上述研究的基础上，本申请实施例提供了一种LED芯片，该LED芯片为倒装结构，图1给出了本申请实施例所提供的LED芯片的剖面结构示意图，如图1所示，该倒装LED芯片包括：
蓝宝石衬底100，蓝宝石衬底100具有相对设置的出光面110和背光面120；
位于蓝宝石衬底100的背光面120一侧，沿背离蓝宝石衬底100的方向依次排布的第一增透膜200、第一半导体层300和发光层400，发光层400包括沿背离蓝宝石衬底100的方向依次排布的第一型GaN层410、多量子阱层420和第二型GaN层430；
第一增透膜200为MgxZn(1-x)O层，第一增透膜200的厚度为第一反射光与第二反射光发生完全相消干涉所需的厚度，第一反射光为从发光层400出射的光垂直入射至第一半导体层300与第一增透膜200的界面时的反射光，第二反射光为从发光层400出射的光垂直入射至第一增透膜200靠近蓝宝石衬底100的表面时的反射光。
在本实施例中，第一型GaN层410可以为N型GaN层，第二型GaN层430可以为P型GaN层，或第一型GaN层410可以为P型GaN层，第二型GaN层430可以为N型GaN层，具体视情况而定。
在本实施例中，第一半导体层300包括GaN缓冲层，或AlGaN缓冲层，或AlN衔接层。需要说明的是，无论第一半导体层为GaN缓冲层，AlGaN缓冲层，还是为AlN衔接层，第一半导体层300均起到在第一增透膜200和发光层400之间的晶格缓冲作用。当然，第一半导体层300也可以是其他在第一增透膜200和发光层400之间能够起到晶格缓冲作用的半导体层，具体视情况而定。
在本实施例中，第一增透膜200中Mg组分x的取值范围为0.001-0.1，包括端点值。
图2给出了本实施例所提供的LED芯片中，从发光层400出射的光垂直入射至第一增透膜200时的光线传输示意图，参考图2所示，从发光层400出射的光A0经过第一半导体层300入射至第一增透膜200时，首先在第一半导体层300与第一增透膜200的界面处发生一次反射，产生第一反射光A1，透射光经第一增透膜200后，又会在第一增透膜200靠近蓝宝石衬底100的表面发生一次反射，产生第二反射光A2，那么，当第一反射光A1与第二反射光A2之间的光程差满足预设条件时，第一反射光A1和第二反射光A2发生完全相消干涉，该预设条件为第一反射光A1与第二反射光A2之间的光程差Δ等于发光层400出射光半波长的奇数倍，即：
其中，λ为发光层的发光波长，k为不小于0的整数。
而第一反射光A1和第二反射光A2之间的光程差Δ与第一增透膜200的折射率n1和其厚度d1的乘积n1 d1有关。当入射光A0在第一增透膜200和第一半导体层300的界面，以及在第一增透膜200靠近蓝宝石衬底100的表面均不发生半波损失时，则第一反射光A1和第二反射光A2之间的光程差Δ等于2n1 d1；当入射光A0在第一增透膜200和第一半导体层300的界面，或在第一增透膜200靠近蓝宝石衬底100的表面发生半波损失时，则第一反射光A1和第二反射光A2之间的光程差Δ等于2n1 d1+λ/2；当入射光A0在第一增透膜200和第一半导体层300的界面，且在第一增透膜200靠近蓝宝石衬底100的表面均发生半波损失时，则第一反射光A1和第二反射光A2之间的光程差Δ等于2n1 d1+λ。
由此可见，可以根据第一反射光A1与第二反射光A2之间的光程差等于发光层400出射光半波长的奇数倍来设置第一增透膜200的厚度d1，使得第一反射光A1与第二反射光A2发生完全相消干涉，从而减少从发光层400出射的光在射向蓝宝石衬底100的过程中的反射，提高从发光层400出射的光在射向蓝宝石衬底100的过程中的透射率，进而提高对倒装LED芯片出射光的萃取效率，提升倒装LED芯片的外量子效率。
需要说明的是，在本实施例中，第一增透膜200可以直接与蓝宝石衬底100接触，或，第一增透膜200和蓝宝石衬底100之间还设置有其他膜层，图2只是给出了第一增透膜200与蓝宝石衬底100直接接触时，从发光层出射的光垂直入射至第一增透膜200时的光线传输示意图。
并且，在本实施例中，考虑到发光层400包括沿背离蓝宝石衬底的方向依次排布的第一型GaN层、多量子阱层和第二型GaN层，即在第一增透膜200上需生长GaN外延层，因此，设置第一增透膜为MgxZn(1-x)O层。由于MgxZn(1-x)O层与GaN层具有相似的晶体结构(两者均为纤锌矿结构)和相对较小的晶格失配度(不超过1.8％)，MgxZn(1-x)O层还具有透射率高(折射率较高，为2.02)、吸光率低的特点，以及具有较好的c轴择优取向和较高的结晶质量，因此，MgxZn(1-x)O层在对发光层出射的光起到增透作用的同时，还使得在MgxZn(1-x)O层上继续生长GaN外延层时晶格失配更小，从而降低发光层的缺陷密度，提升倒装LED芯片的内量子效率。
综上，本申请实施例所提供的LED芯片，通过在蓝宝石衬底和第一半导体层之间设置MgxZn(1-x)O层作为第一增透膜，可以同时提升倒装LED芯片的外量子效率和内量子效率，从而大大提高倒装LED芯片的发光效率。
由前述可知，第一反射光A1与第二反射光A2之间的光程差，除了和第一增透膜200的厚度有关，即第一增透膜的厚度越大，则第一反射光与第二反射光之间的光程差越大，还和从发光层400出射的光A0在入射至第一增透膜200和第一半导体层300的界面时，以及入射至第一增透膜200靠近蓝宝石衬底100的表面时是否发生半波损失有关，而光在第一增透膜200和第一半导体层300的界面是否发生半波损失，与第一增透膜200与第一半导体层300的折射率大小有关，光在第一增透膜200靠近蓝宝石衬底100的表面是否发生半波损失，与第一增透膜200靠近蓝宝石衬底100的表面两侧膜层的折射率大小有关。这是因为，当光从光疏介质进入到光密介质时，会有半波损失，而光从光密介质进入到光疏介质时，没有半波损失。下面分实施例进行具体说明。
在上述实施例的基础上，可选的，在本申请的一个实施例中，如图1所示，第一增透膜200和蓝宝石衬底100直接接触，此时，结合图2所示，第二反射光A2为从发光层400出射的光垂直入射至第一增透膜200和蓝宝石衬底100的界面时的反射光。
在本实施例中，由于第一增透膜200为MgxZn(1-x)O层，其折射率为2.02，蓝宝石衬底100的折射率为1.76，即第一增透膜200的折射率大于蓝宝石衬底100的折射率，因此，从发光层400出射的光A0垂直入射至第一增透膜200和蓝宝石衬底100的界面时，即产生第二反射光A2时，相当于光从光密介质进入光疏介质，没有半波损失，那么，第一反射光A1与第二反射光A2之间的光程差，需要根据第一增透膜200和第一半导体层300之间的折射率大小而定。
具体的，参考图2所示，当第一半导体层300的折射率小于第一增透膜200的折射率时，从发光层出射的光A0垂直入射至第一半导体层300和第一增透膜200的界面时，即产生第一反射光A1时，相当于光从光疏介质进入光密介质，因此有半波损失，而由前述可知，从第一半导体层300和第一增透膜200的界面透射过去的光，经过第一增透膜200入射至第一增透膜200和蓝宝石衬底100的界面时，即产生第二反射光A2时，由于第一增透膜200的折射率大于蓝宝石衬底100的折射率，相当于光从光密介质进入光疏介质，因为没有半波损失，那么，第一反射光A1和第二反射光A2的光程差Δ为：
其中，n1为第一增透膜的折射率，d1为第一增透膜的厚度，λ为发光层的发光波长。
结合公式(1)和公式(2)，可以得到当第一反射光A1和第二反射光A2的光程差满足发光层出射光半波长的奇数倍时，第一增透膜的厚度d1为：
其中，n1为第一增透膜的折射率，λ为发光层的发光波长，k为不小于0的整数。
具体的，当第一半导体层300为AlN衔接层时，由于AlN衔接层的折射率为1.9，而MgxZn(1-x)O层的折射率为2.02，即第一半导体层300的折射率小于第一增透膜200的折射率，因此，根据公式(3)，当MgxZn(1-x)O层中的Mg组分x＝0.05，发光层出射绿光，其波长λ＝520nm时，可以得到第一增透膜200的最小厚度可以为128.7nm。根据公式(3)，当MgxZn(1-x)O层中的Mg组分x＝0.05，发光层出射蓝光，其波长λ＝470nm时，可以得到第一增透膜200的最小厚度可以为116.3nm。
当第一半导体层300的折射率大于第一增透膜200的折射率时，从发光层出射的光垂直入射至第一半导体层300和第一增透膜200的界面时，即产生第一反射光A1时，相当于光从光密介质进入光疏介质，因此没有半波损失，并由前述可知，从第一半导体层300和第一增透膜200的界面透射过去的光，经过第一增透膜200入射至第一增透膜200和蓝宝石衬底100的界面时，即产生第二反射光A2时，由于第一增透膜200的折射率大于蓝宝石衬底100的折射率，相当于光从光密介质进入光疏介质，因此没有半波损失，那么，第一反射光A1和第二反射光A2的光程差Δ为：
Δ＝2n1d1 (4)
其中，n1为第一增透膜的折射率，d1为第一增透膜的厚度。
结合公式(1)和公式(4)，可以得到当第一反射光A1和第二反射光A2的光程差满足发光层出射光半波长的奇数倍时，第一增透膜的厚度d1为：
其中，n1为第一增透膜的折射率，λ为发光层的发光波长，k为不小于0的整数。
具体的，当第一半导体层300为AlGaN缓冲层或GaN缓冲层时，由于AlGaN缓冲层或GaN缓冲层的折射率为2.3，而MgxZn(1-x)O层的折射率为2.02，即第一半导体层300的折射率大于第一增透膜200的折射率，因此，根据公式(5)，可以得到此时第一增透膜200的最小厚度可以为64.4nm，此时，MgxZn(1-x)O层中的Mg组分x＝0.05，发光层出射绿光，其波长λ＝520nm。
可选的，在本申请的另一个实施例中，第一增透膜200和蓝宝石衬底100之间还可以包括其他膜层，此时，第二反射光A2为从发光层400出射的光垂直入射至第一增透膜200和位于第一增透膜200和蓝宝石衬底100之间的其他膜层的界面时的反射光，第一反射光A1与第二反射光A2之间的光程差，需要同时考虑第一增透膜200和第一半导体层300的折射率大小，以及第一增透膜200和位于第一增透膜200与蓝宝石衬底100之间的其他膜层的折射率大小。
具体的，在本申请的一个实施例中，如图3所示，该倒装LED芯片还包括：
位于蓝宝石衬底100和第一增透膜200之间的第二增透膜500；
第二增透膜500的厚度为第二反射光与第三反射光发生完全相消干涉所需的厚度，第二反射光为从发光层400出射的光垂直入射至第一增透膜500和第二增透膜200的界面时的反射光，第三反射光为从发光层400出射的光垂直入射至第二增透膜500与蓝宝石衬底100的界面时的反射光。
图4给出了本实施例所提供的LED芯片中，从发光层400出射的光垂直入射至第一增透膜200和第二增透膜500时的光线传输示意图，参考图4所示，从发光层400出射的光A0经过第一半导体层300入射至第一增透膜200时，在第一半导体层300和第一增透膜200的界面发生反射，产生第一反射光A1，透射光经过第一增透膜200后，在第一增透膜200和第二增透膜500的界面再次发生反射，产生第二反射光A2，由于第一增透膜200的厚度满足第一反射光A1与第二反射光A2发生完全相消干涉的条件，因此，从发光层出射光的光A0经第一增透膜200时，使得反射光干涉相消，透射率达到最大。
并且，从第一增透膜200透射的光进入第二增透膜500，在第二增透膜500和蓝宝石衬底100的界面再次发生反射，产生第三反射光A3，由于第二增透膜500的厚度满足第二反射光A2与第三反射光A3发生完全相消干涉的条件，因此，从第一增透膜200透射的光经第二增透膜500时，又使得反射光干涉相消，透射率达到最大。
由此可见，本实施例所提供的倒装LED芯片，通过在第一半导体层300和蓝宝石衬底100之间设置两层增透膜，且每层增透膜的厚度均使得反射光干涉相消，透射率达到最大，从而进一步提高对倒装LED芯片出射光的萃取效率，进一步提升倒装LED芯片的外量子效率，进而进一步提高倒装LED芯片的发光效率。
需要说明的是，本申请并不限定第二增透膜500的材料，也就是说，第二增透膜的折射率可以大于第一增透膜的折射率，也可以小于第一增透膜的折射率，无论是哪一种情况，均可以根据第一反射光A1与第二反射光A2的光程差满足发光层出射光半波长的奇数倍的条件，得到第一反射光A1和第二反射光A2发生完全相消干涉时所需的第一增透膜200的厚度，也可以根据第二反射光A2与第三反射光A3的光程差满足发光层出射光半波长的奇数倍的条件，得到第二反射光A2和第三反射光A3发生完全相消干涉时所需的第二增透膜500的厚度。
在上述实施例的基础上，可选的，在本申请的一个实施例中，第二增透膜500可以为SiO2层，这是因为，SiO2层具有折射率较低(具体折射率为1.41)、可宽波段透过、吸光系数低、化学稳定性好等优良性能，特别是，在蓝宝石衬底上镀SiO2层，除了能起到增透膜层的作用外，SiO2层还可以和蓝宝石衬底牢固地结合，增强蓝宝石衬底的抗弯强度，减少芯片加工过程中碎片，及减少芯粒断晶的情况。
需要说明的是，当第二增透膜500为SiO2层时，SiO2层与发光层400中的GaN外延层的晶格失配较大，因此，如果在SiO2层上直接生长GaN外延层会比较难，此时，第一增透膜200的材料选择非常重要，在本实施例中，选择MgxZn(1-x)O层作为第一增透膜200，虽然ZnO材料与MgxZn(1-x)O材料类似，它和GaN材料也具有相似的晶体结构(纤锌矿结构)和相对较小的晶格失配度，因此，可以长出高质量的ZnO/GaN异质结，但是，由于ZnO层中的氧空位容易污染GaN外延层，所以在ZnO材料中掺入Mg，最终选择利用MgxZn(1-x)O材料作为第一增透膜200的材料，可以有效改善ZnO材料中氧空位容易污染GaN材料的问题。
在本实施例中，蓝宝石衬底的折射率为1.76，第一增透膜为MgxZn(1-x)O层，其折射率为2.02，第二增透膜为SiO2层，其折射率为1.41，那么，从发光层出射的光A0垂直入射至第一增透膜200和第二增透膜500时，在第一增透膜200和第二增透膜500的界面发生反射，产生第二反射光A2，此时，相当于光从光密介质进入光疏介质，因此没有半波损失，透射光经过第二增透膜500后，入射至第二增透膜500和蓝宝石衬底100的界面发生反射，产生第三反射光A3，此时，相当于光从光疏介质进入光密介质，因此有半波损失，那么，第二反射光A2和第三反射光A3的光程差为：
其中，n2为第二增透膜的折射率，d2为第二增透膜的厚度，λ为发光层的发光波长。
结合公式(1)和公式(4)，可以得到当第二反射光A2和第三反射光A3的光程差满足发光层出射光半波长的奇数倍时，第二增透膜500的厚度d2为：
其中，n2为第二增透膜的折射率，λ为发光层的发光波长，k为不小于0的整数。
并且，在本实施例中，虽然SiO2层作为第二增透膜500的折射率大于蓝宝石衬底100的折射率，但SiO2层和蓝宝石衬底的折射率均小于MgxZn(1-x)O层的折射率，即均小于第一增透膜200的折射率，因此，第一增透膜与第二增透膜接触时的光线传输情况与第一增透膜和蓝宝石衬底直接接触时的光线传输情况类似。
具体的，当第一半导体层300的折射率小于第一增透膜200的折射率时，从发光层出射的光A0垂直入射至第一半导体层300和第一增透膜200的界面时，即产生第一反射光A1时，相当于光从光疏介质进入光密介质，因此有半波损失，从第一半导体层300和第一增透膜200的界面透射过去的光，经过第一增透膜200入射至第一增透膜200和第二增透膜500的界面时，即产生第二反射光A2时，由于第二增透膜500的折射率小于第一增透膜200的折射率，相当于光从光密介质进入光疏介质，因为没有半波损失，那么，第一反射光A1和第二反射光A2的光程差
其中，n1为第一增透膜的折射率，d1为第一增透膜的厚度，λ为发光层的发光波长。将第一反射光A1和第二反射光A2的光程差等于发光层出射光半波长的奇数倍，最终得到第一增透膜的厚度d1为
其中，k为不小于0的整数。
当第一半导体层300的折射率大于第一增透膜200的折射率时，从发光层出射的光垂直入射至第一半导体层300和第一增透膜200的界面时，即产生第一反射光A1时，相当于光从光密介质进入光疏介质，因此没有半波损失，从第一半导体层300和第一增透膜200的界面透射过去的光，经过第一增透膜200入射至第一增透膜200和第二增透膜500的界面时，即产生第二反射光A2时，由于第二增透膜500的折射率小于第一增透膜200的折射率，相当于光从光密介质进入光疏介质，因此没有半波损失，那么，第一反射光A1和第二反射光A2的光程差Δ＝2n1d1，其中，n1为第一增透膜的折射率，d1为第一增透膜的厚度。将第一反射光A1和第二反射光A2的光程差等于发光层出射光半波长的奇数倍，最终得到第一增透膜的厚度d1为
其中，k为不小于0的整数。
需要说明的是，在实际应用中，如图1和图3所示，在发光层400和第一半导体层300之间通常还设置有U型GaN层440。
本申请实施例还提供了一种LED芯片的制作方法，该LED芯片为倒装结构，如图5所示，该方法包括：
S100：参考图1所示，提供一蓝宝石衬底100，蓝宝石衬底100具有相对设置的出光面110和背光面120；
S200：参考图1所示，在蓝宝石衬底100的背光面120一侧，沿背离蓝宝石衬底100的方向依次形成第一增透膜200、第一半导体层300和发光层400，发光层400包括沿背离蓝宝石衬底100的方向依次排布的第一型GaN层410、多量子阱层420和第二型GaN层430；
其中，第一增透膜200为MgxZn(1-x)O层，参考图2所示，第一增透膜200的厚度为第一反射光A1与第二反射光A2发生完全相消干涉所需的厚度，第一反射光A1为从发光层出射的光A0垂直入射至第一半导体层300与第一增透膜200的界面时的反射光，第二反射光A2为从发光层出射的光A0垂直入射至第一增透膜200靠近蓝宝石衬底100的表面时的反射光。
具体的，可利用磁控溅射法在蓝宝石(Al2O3)衬底上制备MgxZn(1-x)O层，镀膜温度可以为500度。后续利用金属有机化合物化学气相淀积(MOCVD)依次生成第一半导体层300、第一型GaN层410、多量子阱层420和第二型GaN层430，完成芯片倒装工艺，制成倒装LED芯片。
在本实施例中，第一增透膜200可以直接与蓝宝石衬底100接触，具体如图1所示，或，第一增透膜200和蓝宝石衬底100之间还可以设置有其他膜层，具体如图3所示。
在本实施例中，第一型GaN层410可以为N型GaN层，第二型GaN层430可以为P型GaN层，或第一型GaN层410可以为P型GaN层，第二型GaN层430可以为N型GaN层，具体视情况而定。
在本实施例中，第一半导体层300包括GaN缓冲层，或AlGaN缓冲层，或AlN衔接层。需要说明的是，无论第一半导体层为GaN缓冲层，AlGaN缓冲层，还是为AlN衔接层，第一半导体层300均起到在第一增透膜200和发光层400之间的晶格缓冲作用。当然，第一半导体层300也可以是其他在第一增透膜200和发光层400之间能够起到晶格缓冲作用的半导体层，具体视情况而定。
在本实施例中，第一增透膜200中Mg组分x的取值范围为0.001-0.1，包括端点值。
由前述可知，在本实施例中，可以根据第一反射光A1与第二反射光A2之间的光程差等于发光层400出射光半波长的奇数倍来设置第一增透膜200的厚度d1，使得第一反射光A1与第二反射光A2发生完全相消干涉，从而减少从发光层400出射的光在射向蓝宝石衬底100的过程中的反射，提高从发光层400出射的光在射向蓝宝石衬底100的过程中的透射率，进而提高对倒装LED芯片出射光的萃取效率，提升倒装LED芯片的外量子效率。
并且，在本实施例中，考虑到发光层400包括沿背离蓝宝石衬底的方向依次排布的第一型GaN层、多量子阱层和第二型GaN层，即在第一增透膜200上需生长GaN外延层，因此，设置第一增透膜为MgxZn(1-x)O层。由于MgxZn(1-x)O层与GaN层具有相似的晶体结构(两者均为纤锌矿结构)和相对较小的晶格失配度(不超过1.8％)，MgxZn(1-x)O层还具有透射率高(折射率较高，为2.02)、吸光率低的特点，以及具有较好的c轴择优取向和较高的结晶质量，因此，MgxZn(1-x)O层在对发光层出射的光起到增透作用的同时，还使得在MgxZn(1-x)O层上继续生长GaN外延层时晶格失配更小，从而降低发光层的缺陷密度，提升倒装LED芯片的内量子效率。
综上，本申请实施例所提供的LED芯片，通过在蓝宝石衬底和第一半导体层之间设置MgxZn(1-x)O层作为第一增透膜，可以同时提升倒装LED芯片的外量子效率和内量子效率，从而大大提高倒装LED芯片的发光效率。
在上述实施例的基础上，可选的，在本申请的一个实施例中，如图1所示，第一增透膜200和蓝宝石衬底100直接接触，此时，结合图2所示，第二反射光A2为从发光层400出射的光垂直入射至第一增透膜200和蓝宝石衬底100的界面时的反射光。
可选的，在本申请的另一个实施例中，如图6所示，在形成第一增透膜200之前，该方法还包括：
S300：参考图3所示，在蓝宝石衬底100的背光面120一侧，形成第二增透膜500；
在步骤S200中，在蓝宝石衬底的背光面一侧，沿背离蓝宝石衬底的方向依次形成第一增透膜、第一半导体层和发光层包括：
参考图3所示，在第二增透膜500背离蓝宝石衬底100的一侧，沿背离蓝宝石衬底100的方向依次形成第一增透膜200、第一半导体层300和发光层400；
其中，参考图4所示，第二增透膜500的厚度为第二反射光A2与第三反射光A3发生完全相消干涉所需的厚度，第二反射光A2为从发光层出射的光垂直入射至第一增透膜200和第二增透膜500的界面时的反射光，第三反射光A3为从发光层出射的光垂直入射至第二增透膜500与蓝宝石衬底100的界面时的反射光。
在本实施例中，通过在第一半导体层300和蓝宝石衬底100之间设置两层增透膜，且每层增透膜的厚度均使得反射光干涉相消，透射率达到最大，从而进一步提高对倒装LED芯片出射光的萃取效率，进一步提升倒装LED芯片的外量子效率，进而进一步提高倒装LED芯片的发光效率。
需要说明的是，本申请并不限定第二增透膜500的材料，也就是说，第二增透膜的折射率可以大于第一增透膜的折射率，也可以小于第一增透膜的折射率，无论是哪一种情况，均可以根据第一反射光A1与第二反射光A2的光程差满足发光层出射光半波长的奇数倍的条件，得到第一反射光A1和第二反射光A2发生完全相消干涉时所需的第一增透膜200的厚度，也可以根据第二反射光A2与第三反射光A3的光程差满足发光层出射光半波长的奇数倍的条件，得到第二反射光A2和第三反射光A3发生完全相消干涉时所需的第二增透膜500的厚度。
在上述实施例的基础上，可选的，在本申请的一个实施例中，第二增透膜500可以为SiO2层，这是因为，SiO2层具有折射率较低(具体折射率为1.41)、可宽波段透过、吸光系数低、化学稳定性好等优良性能，特别是，在蓝宝石衬底上镀SiO2层，除了能起到增透膜层的作用外，SiO2层还可以和蓝宝石衬底牢固地结合，增强蓝宝石衬底的抗弯强度，减少芯片加工过程中碎片，及减少芯粒断晶的情况。
综上，本申请实施例所提供的倒装LED芯片，包括依次排布的蓝宝石衬底、第一增透膜、第一半导体层和发光层，发光层包括第一型GaN层、多量子阱层和第二型GaN层，通过在第一半导体层和蓝宝石衬底之间增加第一增透膜，减少从发光层出射的光在射向蓝宝石衬底的过程中的反射，提高从发光层出射的光在射向蓝宝石衬底的过程中的透射率，进而提高对倒装LED芯片出射光的萃取效率，提升倒装LED芯片的外量子效率。并且，设置第一增透膜为MgxZn(1-x)O层，使得MgxZn(1-x)O层在起到增透作用的同时，还与GaN外延层的晶格失配更小，从而降低发光层的缺陷密度，提升倒装LED芯片的内量子效率，结合起来大大提高倒装LED芯片的发光效率。
进一步地，在第一增透膜和蓝宝石衬底之间增加第二增透膜，以进一步提高对倒装LED芯片出射光的萃取，提升倒装LED芯片的外量子效率，且设置第二增透膜为SiO2层，SiO2层具有折射率较低、可宽波段透过、吸光系数低、化学稳定性好等优良性能，特别是，在蓝宝石衬底上镀SiO2层，除了能起到增透膜层的作用外，SiO2层还可以和蓝宝石衬底牢固地结合，增强蓝宝石衬底的抗弯强度，减少芯片加工过程中碎片，及减少芯粒断晶的情况。
本说明书中各个部分采用并列和递进相结合的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种LED芯片，其特征在于，所述LED芯片为倒装结构，所述LED芯片包括：
蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有相对设置的出光面和背光面；
位于所述蓝宝石衬底的背光面一侧，沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次排布的第一增透膜、第一半导体层和发光层，所述发光层包括沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次排布的第一型GaN层、多量子阱层和第二型GaN层；
所述第一增透膜为MgxZn(1-x)O层，所述第一增透膜的厚度为第一反射光与第二反射光发生完全相消干涉所需的厚度，所述第一反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一半导体层与所述第一增透膜的界面时的反射光，所述第二反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一增透膜靠近所述蓝宝石衬底的表面时的反射光。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片还包括：
位于所述蓝宝石衬底和所述第一增透膜之间的第二增透膜；
所述第二增透膜的厚度为所述第二反射光与第三反射光发生完全相消干涉所需的厚度，所述第二反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一增透膜和所述第二增透膜的界面时的反射光，所述第三反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第二增透膜与所述蓝宝石衬底的界面时的反射光。
3.根据权利要求2所述的LED芯片，其特征在于，所述第二增透膜为SiO2层。
4.根据权利要求3所述的LED芯片，其特征在于，当所述第一半导体层的折射率小于所述第一增透膜的折射率时，所述第一增透膜的厚度d1为
其中，n1为所述第一增透膜的折射率，λ为所述发光层的发光波长，k为不小于0的整数。
5.根据权利要求3所述的LED芯片，其特征在于，当所述第一半导体层的折射率大于所述第一增透膜的折射率时，所述第一增透膜的厚度d1为
其中，n1为所述第一增透膜的折射率，λ为所述发光层的发光波长，k为不小于0的整数。
6.根据权利要求3所述的LED芯片，其特征在于，所述第二增透膜的厚度d2为
其中，n2为所述第二增透膜的折射率，λ为所述发光层的发光波长，k为不小于0的整数。
7.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述第一增透膜中，Mg组分x的取值范围为0.001-0.1，包括端点值。
8.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述第一半导体层包括GaN缓冲层、AlGaN缓冲层或AlN衔接层。
9.一种LED芯片的制作方法，其特征在于，所述LED芯片为倒装结构，所述LED芯片的制作方法包括：
提供一蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底具有相对设置的出光面和背光面；
在所述蓝宝石衬底的背光面一侧，沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次形成第一增透膜、第一半导体层和发光层，所述发光层包括沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次排布的第一型GaN层、多量子阱层和第二型GaN层；
其中，所述第一增透膜为MgxZn(1-x)O层，所述第一增透膜的厚度为第一反射光与第二反射光发生完全相消干涉所需的厚度，所述第一反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一半导体层与所述第一增透膜的界面时的反射光，所述第二反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一增透膜靠近所述蓝宝石衬底的表面时的反射光。
10.根据权利要求9所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，在形成所述第一增透膜之前，该方法还包括：
在所述蓝宝石衬底的背光面一侧，形成第二增透膜；
在所述蓝宝石衬底的背光面一侧，沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次形成第一增透膜、第一半导体层和发光层包括：
在所述第二增透膜背离所述蓝宝石衬底的一侧，沿背离所述蓝宝石衬底的方向依次形成第一增透膜、第一半导体层和发光层；
其中，所述第二增透膜的厚度为所述第二反射光与第三反射光发生完全相消干涉所需的厚度，所述第二反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第一增透膜和所述第二增透膜的界面时的反射光，所述第三反射光为从所述发光层出射的光垂直入射至所述第二增透膜与所述蓝宝石衬底的界面时的反射光。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210890107.2A CN115020568A (zh) | 2022-07-27 | 2022-07-27 | 一种led芯片及其制作方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115020568A true CN115020568A (zh) | 2022-09-06 |
Family
ID=83066135
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210890107.2A Pending CN115020568A (zh) | 2022-07-27 | 2022-07-27 | 一种led芯片及其制作方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115020568A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115537766A (zh) * | 2022-10-20 | 2022-12-30 | 江西乾照光电有限公司 | 掩膜组件及led芯片的制备方法 |
| CN117613061A (zh) * | 2023-12-12 | 2024-02-27 | 惠科股份有限公司 | 显示面板及其制备方法、电子设备 |
-
2022
- 2022-07-27 CN CN202210890107.2A patent/CN115020568A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115537766A (zh) * | 2022-10-20 | 2022-12-30 | 江西乾照光电有限公司 | 掩膜组件及led芯片的制备方法 |
| CN117613061A (zh) * | 2023-12-12 | 2024-02-27 | 惠科股份有限公司 | 显示面板及其制备方法、电子设备 |
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