CN115050875B - 一种提高出光角度的Mini LED及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高出光角度的Mini LED及其制造方法，在衬底上依次制备氮化镓外延层、电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层，并在衬底远离氮化镓外延层的一面制备功能膜，且功能膜在光入射角为25～34.5°时，所述功能膜的最小反射率低于5％。因为功能膜在25～34.5°的反射率低，从而芯片中满足该入射角的光会有较高的透过率，而其余角度的光被反射回芯片内部，被衬底改变入射角，直到满足25～34.5°才可以逃离，经过这个过程不断的发生，正面发光在大角度的亮度将被提升，最终提高Mini LED发光角度；并且相较于现有技术不需要通过刻蚀提高出光角度，能够保证制备Mini LED的出光角度一致性，拥有更高的亮度，更适用于量产。

Description

一种提高出光角度的Mini LED及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体电子技术领域，特别涉及一种提高出光角度的Mini LED及其制造方法。
背景技术
Mini LED芯片一般指长宽约在50～200um之间的LED芯片，因其小型化的特点其应用领域及制造技术与传统LED有较大差别，传统LED用于照明，而Mini LED作为显示单元，对可靠性的要求更高，因为损坏一颗Mini LED就有可能需要更换整个显示面板。而且对MiniLED还有发光角度的需求，如果Mini LED的发光角度与传统LED一样，那么显示屏需要超高密度的排布才能使其出光均匀，导致成本大大地提高，而减少Mini LED的个数又会带来亮度不均的问题，所以市面上急需大角度出光的Mini LED。
用于显示的Mini LED通常为倒装结构，现有增加Mini LED的出光角的方法通常在其出光面添加特殊结构，例如第一种方式，添加全反射型布拉格分布式反射镜(DBR)，MiniLED在正面也会有DBR的结构，这样整个芯片就会被加载两个反射镜之间，那么Mini LED只有侧壁才能出光，这种侧壁出光形式的Mini LED的出光角度比正面加侧面出光的Mini LED的出光角度要大的多，然而这种方案导致光效较低，而且出光角依然不够大。第二种方式是在背面涂覆氯化物的饱和盐溶液，烘干后进行刻蚀，使得衬底变得粗糙不平，然而这种技术的发光角度不够大，而且粗糙度不可控，这也就导致其每一颗Mini LED的发光角度都会有所不同，不适合量产。第三种方法是在背面制备微棱台或者是锥台,该方法第一个劣势是制备工艺难度较大，第二个劣势是Mini LED通常需要盖胶做隔断氧水的保护，而添加胶的保护后，原本是棱台(折射率为蓝宝石1.78左右)与空气(折射率为1)接触变成了与胶(折射率通常大于1.5，小于2.2)，当两种材料折射率接近时，利用棱台或者其他结构的这种方法就会失去一部分功效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种提高出光角度的Mini LED及其制造方法，能够在增加出光角度的同时保证Mini LED的量产。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种提高出光角度的Mini LED，包括衬底、氮化镓外延层、反射镜层和功能膜；
所述衬底的一面依次层叠有所述氮化镓外延层、电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层，所述功能膜位于所述衬底远离所述氮化镓外延层的一面；
所述功能膜包括循环交叠设置的两个不同折射率的材料，且所述功能膜在光入射角在25～34.5°的范围内存在最小反射率，所述最小反射率的值小于5％。
为了解决上述技术问题，本发明采用的另一技术方案为：
一种提高出光角度的Mini LED制造方法，包括步骤：
在衬底上制备氮化镓外延层，刻蚀所述氮化镓外延层并在所述氮化镓外延层上制备电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层；
在所述衬底远离所述氮化镓外延层的一面制备功能膜，所述功能膜由两个不同折射率的材料循环交叠制备得到，所述功能膜在光入射角在25～34.5°的范围内存在最小反射率，所述最小反射率的值小于5％。
本发明的有益效果在于：在衬底上依次制备氮化镓外延层、电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层，并在衬底远离氮化镓外延层的一面制备功能膜，且功能膜在光入射角在25～34.5°的范围内存在最小反射率，最小反射率的值小于5％。因为功能膜在25～34.5°的反射率低，从而芯片中满足该入射角的光会有较高的透过率，而0～25°的光被功能膜反射回芯片内部，34.5～90°的光会因为全反射(Total Internal reflection，TIR)现象而反射回芯片内部，这些不满足功能膜角度的光反射回芯片，被芯片内部的图形化衬底(Patterned Sapphire Substrate，PSS)改变入射角，直到满足功能膜所需角度25～34.5°才可以逃离，经过这个过程不断的发生，正面发光在大角度的亮度将被提升，最终提高MiniLED的发光角度；并且相较于现有技术不需要通过刻蚀提高出光角度，能够保证制备MiniLED时出光角度的一致性，拥有更高的亮度，更适用于量产。
附图说明
图1为本发明实施例的一种提高出光角度的Mini LED的结构图；
图2为本发明实施例的一种提高出光角度的Mini LED的功能膜与DBR的反射率曲线图；
图3为本发明实施例的一种提高出光角度的Mini LED制造方法的流程图；
图4为本发明实施例的无镀膜Mini LED、镀DBR的Mini LED和镀功能膜的Mini LED的发光光型；
标号说明：
1、功能膜；2、衬底；3、N型氮化镓；4、多量子阱；5、P型氮化镓；6、电流扩展层；7、P型氮化镓的金属接触层；8、绝缘保护层；9、反射镜层；10、P-pad电极；11、N-pad电极；12、N型氮化镓的金属接触层。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
请参照图1，本发明实施例提供了一种提高出光角度的Mini LED，包括衬底、氮化镓外延层、反射镜层和功能膜；
所述衬底的一面依次层叠有所述氮化镓外延层、电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层，所述功能膜位于所述衬底远离所述氮化镓外延层的一面；
所述功能膜包括循环交叠设置的两个不同折射率的材料，且所述功能膜在光入射角在25～34.5°的范围内存在最小反射率，所述最小反射率的值小于5％。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：在衬底上依次制备氮化镓外延层、电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层，并在衬底远离氮化镓外延层的一面制备功能膜，因为功能膜在25～34.5°的反射率低，从而芯片中满足该入射角的光会有较高的透过率，而0～25°的光被功能膜反射回芯片内部，34.5～90°的光会因为全反射(TotalInternal reflection，TIR)现象而反射回芯片内部，这些不满足功能膜角度的光反射回芯片，被芯片内部的图形化衬底(Patterned Sapphire Substrate，PSS)改变入射角，直到满足功能膜所需角度25～34.5°才可以逃离，经过这个过程不断的发生，正面发光在大角度的亮度将被提升，最终提高Mini LED的发光角度；并且相较于现有技术不需要通过刻蚀提高出光角度，能够保证制备Mini LED时出光角度的一致性，拥有更高的亮度，更适用于量产。
进一步地，所述功能膜包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛；
所述功能膜的顶层和底层均为所述二氧化硅，且所述功能膜的总层数为15～30层。
由上述描述可知，功能膜包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛，且顶层和底层均为所述二氧化硅，总层数为15～30层，能够在光入射角为25～34.5°时，降低功能膜的反射率，从而提高衬底出光大角度的透过率，提高Mini LED的发光角度。
进一步地，所述反射镜层包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛；
所述反射镜层的顶层和底层均为所述二氧化硅，且所述反射镜层的厚度为2.5～5μm，总层数为30～50层。
由上述描述可知，反射镜层包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛：且顶层和底层均为二氧化硅，总层数为30～50层，总厚度为2.5～5μm，能够保证光的反射。
进一步地，所述衬底的厚度为60～150μm。
由上述描述可知，将衬底研磨抛光至60～150μm的厚度，能够便于在衬底的出光面制备功能膜，在一定程度上改善MiniLED的光型。
进一步地，所述金属接触层远离所述氮化镓外延层的一面设置有电极。
由上述描述可知，在金属接触层远离氮化镓外延层的一面设置有电极，以便于制得完整的Mini LED芯片。
请参照图3，本发明另一实施例提供了一种提高出光角度的Mini LED制造方法，包括步骤：
在衬底上制备氮化镓外延层，刻蚀所述氮化镓外延层并在所述氮化镓外延层上制备电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层；
在所述衬底远离所述氮化镓外延层的一面制备功能膜，所述功能膜由两个不同折射率的材料循环交叠制备得到，所述功能膜在光入射角在25～34.5°的范围内存在最小反射率，所述最小反射率的值小于5％。
由上述描述可知，在衬底上依次制备氮化镓外延层、电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层，并在衬底远离氮化镓外延层的一面制备功能膜，且功能膜在光入射角在25～34.5°的范围内存在最小反射率，最小反射率的值小于5％。因为功能膜在25～34.5°的反射率低，从而芯片中满足该入射角的光会有较高的透过率，而0～25°的光被功能膜反射回芯片内部，34.5～90°的光会因为全反射(Total Internal reflection，TIR)现象而反射回芯片内部，这些不满足功能膜角度的光反射回芯片，被芯片内部的图形化衬底(Patterned Sapphire Substrate，PSS)改变入射角，直到满足功能膜所需角度25～34.5°才可以逃离，经过这个过程不断的发生，正面发光在大角度的亮度将被提升，最终提高MiniLED的发光角度；并且相较于现有技术不需要通过刻蚀提高出光角度，能够保证制备MiniLED时出光角度的一致性，拥有更高的亮度，更适用于量产。
进一步地，所述功能膜由两个不同折射率的材料循环交叠制备得到包括：
循环交叠使用二氧化硅和二氧化钛制备功能膜，所述功能膜的顶层和底层均为二氧化硅，且总层数为15～30层。
由上述描述可知，功能膜包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛，且顶层和底层均为所述二氧化硅，总层数为15～30层，能够在光入射角为25～34.5°时，降低功能膜的反射率，从而提高衬底出光大角度的透过率，提高Mini LED的发光角度。
进一步地，制备反射镜层包括：
循环交叠使用二氧化硅和二氧化钛制备反射镜层，所述功能膜的顶层和底层均为二氧化硅，且总厚度为2.5～5μm，总层数为30～50层。
由上述描述可知，反射镜层包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛：且顶层和底层均为二氧化硅，总层数为30～50层，总厚度为2.5～5μm，能够保证光的反射。
进一步地，在所述衬底远离所述氮化镓外延层的一面制备功能膜之前包括：
将所述衬底研磨抛光至厚度为60～150μm。
由上述描述可知，将衬底研磨抛光至60～150μm的厚度，能够便于在衬底的出光面制备功能膜，在一定程度上改善MiniLED的光型。
进一步地，刻蚀所述氮化镓外延层并在所述氮化镓外延层上制备电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层之后包括：
在所述金属接触层远离所述氮化镓外延层的一面制备电极。
由上述描述可知，在金属接触层远离氮化镓外延层的一面设置有电极，以便于制得完整的Mini LED芯片。
本发明上述的一种提高出光角度的Mini LED及其制造方法，适用于制造大角度出光的Mini LED芯片，能够在增加出光角度的同时保证Mini LED的量产，以下通过具体的实施方式进行说明：
实施例一
请参照图1，一种提高出光角度的Mini LED，包括衬底2、氮化镓外延层、反射镜层9和功能膜1；
衬底2的一面依次层叠有氮化镓外延层、电流扩展层6、金属接触层、绝缘保护层8和反射镜层9，氮化镓外延层包括依次层叠的N型氮化镓3、多量子阱4和P型氮化镓5，金属接触层包括N型氮化镓的金属接触层12和P型氮化镓的金属接触层7；
其中，反射镜层9即为全反射型布拉格分布式反射镜(DBR)，包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛，且反射镜层9的厚度为2.5～5μm，总层数为30～50层，顶层和底层均为二氧化硅。
其中，衬底2的厚度为60～150μm。
功能膜1位于衬底2远离氮化镓外延层的一面，功能膜1包括循环交叠设置的两个不同折射率的材料，且在光入射角在25～34.5°的范围时存在最小反射率，功能膜1的最小反射率低于5％。
具体的，请参照图2，虚线为传统的理想DBR，理想的DBR对全入射角均有100％的反射；实线为功能膜1，当光在Mini LED内部产生并传播到出光面时会因为全内反射，有一部分光无法逃逸，蓝宝石的全内反射角约为34.5°。例如：当入射介质为蓝宝石，折射率NSapphire约为1.78，出射介质为空气，折射率NAir＝1，其入射角A与出射角B的对应关系遵循斯涅尔定律为NSapphire×sin A＝NAir×sin B。当入射角为0～25°对应出光角约为0～48°时，因为功能膜1的反射率较高，所以正面发光在小中角度的亮度被压制，当入射角为25～34.5°时(对应出光角约为48～90°)，因为功能膜1的反射率很低，所以正面发光在大角度的亮度将被提升，最终提高Mini LED的发光角度。
其中，功能膜1包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛，且总层数为15～30层，顶层和底层均为二氧化硅；
具体的，在本实施例中，功能膜1总层数为19层，所有的奇数层均为SiO2，其厚度分别为209nm、431nm、81nm、240nm、99nm、35nm、68nm、40nm、62nm、25nm，所有的偶数层均为TiO2，其厚度分别为52nm、78nm、341nm、39nm、251nm、41nm、34nm、92nm、125nm。
在另一实施例中，功能膜1总层数为21层，所有的奇数层均为SiO2，其厚度分别为108nm、38nm、68nm、271nm、19nm、32nm、373nm、310nm、12nm、35nm、67nm，所有的偶数层均为TiO2，其厚度分别为205nm、12nm、24nm、55nm、7nm、105nm、125nm、41nm、25nm、105nm。
在另一实施例中，功能膜1总层数为25层，所有的奇数层均为SiO2，其厚度分别为117nm、122.1nm、24.5nm、6.6nm、105.7nm、15.2nm、12.7nm、52.8nm、36.4nm、45.2nm、25.7nm、6.8nm、22.9nm，所有的偶数层均为TiO2，其厚度分别为19.5nm、229.4nm、211.8nm、9.4nm、8.7nm、84.7nm、21.8nm、21.3nm、20.2nm、24.4nm、10.4nm、20.8nm。
其中，金属接触层远离氮化镓外延层的一面设置有电极，电极包括在P型GaN的金属接触层上设置的P-pad电极10以及在N型GaN的金属接触层上设置的N-pad电极11。
实施例二
请参照图3，一种提高出光角度的Mini LED制造方法，包括步骤：
S1、在衬底2上制备氮化镓外延层，刻蚀所述氮化镓外延层并在所述氮化镓外延层上制备电流扩展层6、金属接触层、绝缘保护层8和反射镜层9。
S11、利用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)在蓝宝石衬底2上制备LED的氮化镓外延片。
S12、利用ICP刻蚀机，刻蚀氮化镓外延片直至N型氮化镓3。
S13、利用溅射机制备电流扩展层6，例如ITO、AZO、薄层镍金等，利用光刻工艺，再搭配湿法腐蚀或干法刻蚀的工艺将所需图形转移至外延片上。
S14、利用光刻技术和溅射蒸镀，将P型氮化镓的金属接触层7和N型氮化镓的金属接触层12制备在外延片上，金属是多层金属，直接与芯片接触的层可以是Ni、Ti、Cr、上层的金属可以是Au、Pt、Ag、Cu，利用金属剥离技术lift-off，将不需要的金属去掉。
S15、利用化学气相沉积法或者原子层沉积技术，将绝缘保护层8SiO2、Si3N4或HfO2等制备在芯片上，再利用光刻技术与湿法腐蚀技术腐蚀部分绝缘保护层8，暴露出P型GaN的金属接触层与N型GaN的金属接触层。
S16、利用光学离子蒸镀技术蒸镀全角度反射DBR，反射层的材料是高低折射率材料的交叠使用可以是SiO2和TiO2，层数为30～50层，厚度为2.5～5μm，再利用光刻技术与湿法腐蚀技术制备所需的图形。
S17、利用光刻工艺和溅射蒸镀，将P-pad电极10和N-Pad单击制备在芯片上，P-Pad和N-Pad同样也是多层金属，接触层可以是Ni、Ti、Cr，上层金属可以是Au、Pt、Ag、Cu。
S18、利用研磨和抛光技术，将蓝宝石衬底2研磨至60～150μm。
S2、在所述衬底2远离所述氮化镓外延层的一面制备功能膜1，所述功能膜1由两个不同折射率的材料循环交叠制备得到，所述功能膜1在光入射角为25～34.5°时，所述功能膜1的最小反射率低于5％。
其中，所述功能膜1由两个不同折射率的材料循环交叠制备得到包括：
循环交叠使用二氧化硅和二氧化钛制备功能膜1，所述功能膜1的顶层和底层均为二氧化硅，且总层数为15～30层，例如：其中总层数为19层，所有奇数层为SiO2,其厚度分别为209nm、431nm、81nm、240nm、99nm、35nm、68nm、40nm、62nm、25nm，所有偶数层为TiO2，其厚度分别为52nm、78nm、341nm、39nm、251nm、41nm、34nm、92nm、125nm。
请参照图4，衬底2出光面不镀DBR(a)、镀DBR(b)和镀功能膜1(c)的Mini LED的光型对比。可以看到镀功能膜1的Mini LED的出光角度最大，约为160°。
由此可见，本实施例中的Mini LED芯片通过衬底2出光面制备功能膜1的方式，极大地提高了Mini LED的发光角度，重复性和稳定性高，可以实现量产。
综上所述，本发明提供的一种提高出光角度的Mini LED及其制造方法，在衬底上依次制备氮化镓外延层、电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层，并在衬底远离氮化镓外延层的一面制备功能膜，功能膜包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛，且总层数为15～30层、顶层和底层均为二氧化硅，且功能膜在光入射角为25～34.5°时，最小反射率低于5％。因为功能膜在25～34.5°的反射率低，从而芯片中满足该入射角的光会有较高的透过率，而0～25°的光被功能膜反射回芯片内部，34.5～90°的光会因为全反射(TotalInternal reflection，TIR)现象而反射回芯片内部，这些不满足功能膜角度的光反射回芯片，被芯片内部的图形化衬底(Patterned Sapphire Substrate，PSS)改变入射角，直到满足功能膜所需角度25～34.5°才可以逃离，经过这个过程不断的发生，正面发光在大角度的亮度将被提升，最终提高Mini LED的发光角度；并且相较于现有技术不需要通过刻蚀提高出光角度，能够保证制备Mini LED时出光角度的一致性，拥有更高的亮度，更适用于量产。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种提高出光角度的Mini LED，其特征在于，包括衬底、氮化镓外延层、反射镜层和功能膜；
所述衬底的一面依次层叠有所述氮化镓外延层、电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层，所述功能膜位于所述衬底远离所述氮化镓外延层的一面；
所述功能膜包括循环交叠设置的两个不同折射率的材料，且所述功能膜在光入射角在25~34.5°的范围内存在最小反射率，所述最小反射率的值小于5%；
所述反射镜层包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛；
所述反射镜层的顶层和底层均为所述二氧化硅，且所述反射镜层的厚度为2.5~5μm，总层数为30~50层；
所述功能膜包括循环交叠设置的二氧化硅和二氧化钛；
所述功能膜的顶层和底层均为所述二氧化硅，且所述功能膜的总层数为15~30层；
所述功能膜中各层所述二氧化硅的厚度均不相同，所述功能膜中各层所述二氧化钛的厚度均不相同。
2.根据权利要求1所述的一种提高出光角度的Mini LED，其特征在于，所述衬底的厚度为60~150μm。
3.根据权利要求1所述的一种提高出光角度的Mini LED，其特征在于，所述金属接触层远离所述氮化镓外延层的一面设置有电极。
4.一种提高出光角度的Mini LED制造方法，其特征在于，包括步骤：
在衬底上制备氮化镓外延层，刻蚀所述氮化镓外延层并在所述氮化镓外延层上制备电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层；
在所述衬底远离所述氮化镓外延层的一面制备功能膜，所述功能膜由两个不同折射率的材料循环交叠制备得到，所述功能膜在光入射角在25~34.5°的范围内存在最小反射率，所述最小反射率的值小于5%；
制备反射镜层包括：
循环交叠使用二氧化硅和二氧化钛制备反射镜层，所述功能膜的顶层和底层均为二氧化硅，且总厚度为2.5~5μm，总层数为30~50层；
所述功能膜由两个不同折射率的材料循环交叠制备得到包括：
循环交叠使用二氧化硅和二氧化钛制备功能膜，所述功能膜的顶层和底层均为二氧化硅，且总层数为15~30层；
所述功能膜中各层所述二氧化硅的厚度均不相同，所述功能膜中各层所述二氧化钛的厚度均不相同。
5.根据权利要求4所述的一种提高出光角度的Mini LED制造方法，其特征在于，在所述衬底远离所述氮化镓外延层的一面制备功能膜之前包括：
将所述衬底研磨抛光至厚度为60~150μm。
6.根据权利要求4所述的一种提高出光角度的Mini LED制造方法，其特征在于，刻蚀所述氮化镓外延层并在所述氮化镓外延层上制备电流扩展层、金属接触层、绝缘保护层和反射镜层之后包括：
在所述金属接触层远离所述氮化镓外延层的一面制备电极。
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