专利名称：一种高亮度led芯片及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种LED及其制造方法，特别是涉及一种高亮度LED芯片及其制造方法。
背景技术：
半导体照明作为新型高效固体光源，具有寿命长、节能、环保、安全等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，其应用领域正在迅速扩大，正带动传统照明、显示等行业的升级换代，其经济效益和社会效益巨大。正因如此，半导体照明被普遍看作是21世纪最具发展前景的新兴产业之一，也是未来几年光电子领域最重要的制闻点之一 。
为提高光提取效率，使得器件体内产生的光子更多地发射到体外，并改善器件内部热特性，经过多年的研究和实践，人们已经提出了多种光提取效率提高的方法，比如倒装结构、芯片形状几何化结构、图形衬底、光子晶体、表面粗化、背镀反射镜、电流扩展优化等。
然而，如何突破现有技术进一步提高出光效率仍然是本领域技术人员亟待解决的技术课题。发明内容
本发明要解决的技术问题是要提供一种提高LED芯片亮度的方法，能有效提高 LED芯片的亮度。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高亮度LED芯片的制造方法， 所述方法至少包括以下步骤步骤一，提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上依次生长N 型GaN层、有源层及P型GaN层，以形成发光外延结构层；步骤二，刻蚀所述的发光外延结构层，以去掉部分有源层及部分P型GaN层，并使所述N型GaN层形成具有上台阶部及下台阶部的台阶状结构；步骤三，在所述P型GaN层表面上对应欲制作P电极的区域制作绝缘反射层；步骤四，在所述P型GaN层与所述绝缘反射层表面上制作透明电极层，然后于所述透明电极层表面上与所述绝缘反射层垂向对应的区域制作P电极，及于所述N型GaN层的下台阶部上制作N电极；步骤五，在所述发光外延结构层上表面形成保护层，最后进行研磨、划裂以完成所述高亮度LED芯片的制备。
在本发明的制造方法步骤一中采用金属有机化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延技术生长所述发光外延结构层。
在本发明的制造方法步骤二中，采用感应耦合等离子刻蚀或反应离子刻蚀技术进行刻蚀。
在本发明的制造方法中，所述N型GaN层的上台阶部与下台阶部的落差为800 2000nm。
在本发明的制造方法中，所述步骤三中，所述绝缘反射层先形成于所述发光外延结构层的上表面，然后通过干法刻蚀或湿法蚀刻以制作成所需形状。
在本发明的制造方法中，所述绝缘反射层包括绝缘层和反射层，其中，所述绝缘层形成于所述P型GaN层表面，所述反射层形成于所述绝缘层表面。
在本发明的制造方法中，所述绝缘层为SiO2层或Si3N4层，采用BOE溶液或氢氟酸刻蚀。
在本发明的制造方法中，所述绝缘层的厚度为10 lOOOnm。
在本发明的制造方法中，交替制作Ti02/Si02循环交替层、Al/Ti堆栈层、Al/Ni堆栈层、Al/Cr堆栈层或AVSiO2堆栈层以制备所述反射层，如上所述的循环交替层或堆栈层的循环次数为I 50次。
在本发明的制造方法中，所述反射层为Ti02/Si02循环交替层时，采用浓硫酸刻蚀 TiO2，采用BOE溶液或氢氟酸刻蚀SiO2 ;所述反射层为Al/Ti堆栈层、Al/Ni堆栈层、Al/Cr 堆栈层或AVSiO2堆栈层时，采用盐酸或硫酸刻蚀Al，采用氢氟酸、热的浓盐酸或热的浓硫酸刻蚀Ti，采用硝酸刻蚀Ni，采用盐酸与Cr的混合液刻蚀Cr，采用BOE溶液或氢氟酸刻蚀 Si02。
在本发明的制造方法中,所述反射层的厚度为5 4000nm。
在本发明的制造方法中，所述步骤四中采用溅射法或蒸发法制作透明电极层。
在本发明的制造方法中，所述步骤五中采用等离子体化学气相沉积技术制备保护层。
本发明还提供了一种高亮度LED芯片，所述LED芯片至少包括蓝宝石衬底；结合于所述蓝宝石衬底表面并呈台阶状结构的N型GaN层、设置在所述N型GaN层的下台阶部的N电极、结合于所述N型GaN层的上台阶部的有源层、结合于所述有源层上表面的P型 GaN层、布设在所述P型GaN层上的绝缘反射层、覆盖所述P型GaN层与所述绝缘反射层表面的透明电极层，以及设置于所述透明电极层表面且对应于所述绝缘反射层的区域上的P 电极，其中，所述绝缘反射层的布设区域与所述P电极垂向对应；以及保护层。
在本发明的LED芯片中，所述N型GaN层的上台阶部与下台阶部的落差为800 2000nm。
在本发明的LED芯片中，所述绝缘反射层包括绝缘层和反射层，其中，所述绝缘层结合于所述P型GaN层上表面，所述反射层结合于所述绝缘层上表面。
在本发明的LED芯片中，所述绝缘层为SiO2层或Si3N4层。
在本发明的LED芯片中，所述绝缘层的厚度为10 lOOOnm。
在本发明的LED芯片中，所述反射层为Ti02/Si02循环交替层、Al/Ti堆栈层、Al/ Ni堆栈层、Al/Cr堆栈层或AVSiO2堆栈层，如上所述的循环交替层或堆栈层的循环次数为 I 50次。
在本发明的LED芯片中，所述反射层的厚度为5 4000nm。
在本发明的LE D芯片中，所述的透明电极层为ITO层或Ni/Au层。
在本发明的LED芯片中，所述的绝缘反射层的四周边缘比所述P电极对应的四周边缘多出的宽度为O 10 μ m。
如上所述，由本发明制造方法得到的LED结构芯片，由于具有绝缘反射层，使提供给本发明LED芯片的全部电流将通过透明电极向P电极周围传递，而不从P电极下注入， 这样电流被有效利用，从而提高LED芯片的发光效率。并且，本由发明制造方法得到的LED芯片辐射出的光子P到达绝缘反射层时，由于绝缘反射层的反射率很高、大部分光可以反射到出光面而逃逸出去，这样能增加光子从芯片逃逸的几率，提高LED芯片的出光效率。因此，采用本发明的方法可以提高LED芯片的出光效率，可使LED芯片的亮度提高10 %以上。
图1至图4显示为本发明的制作方法中依据各步骤呈现的LED截面结构示意图。
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示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，在不背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
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。如图1 4所示，本发明提供一种高亮度LED芯片的制造方法，所述方法至少包括以下步骤
请参阅图1，如图所示，首先进行步骤一，提供一蓝宝石衬底1，在所述蓝宝石衬底 I上依次生长N型GaN层21、有源层22，及P型GaN层23，以形成发光外延结构层，具体地， 可采用金属有机化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延技术生长所述发光外延结构层，本发明制造方法的优选方案为采用金属有机化学气相沉积技术生长所述发光外延结构层，还需要说明的是，本实施例中所述的有源层为量子阱层。
请参阅图2，如图所示，接着进行步骤二，刻蚀所述的发光外延结构层，以去掉部分有源层22及部分P型GaN层23，并继续刻蚀所述N型GaN层21以形成具有上台阶部212 及下台阶部211的台阶状结构。
在本实施方式中，采用感应耦合等离子刻蚀或反应离子刻蚀技术刻蚀所述的发光外延结构层，在具体的实施过程中，所述N型GaN层的上台阶部212与下台阶部211的落差为 800 2000nm。
请参阅图3a 3b，如图所示，然后进行步骤三，在所述P型GaN层23表面上对应欲制作P电极26的区域制作绝缘反射层24 ;特别需要说明的是，所述绝缘反射层24包括绝缘层和反射层，具体实施方法为，先在所述发光外延结构的层的上表面形成一绝缘层，并在所述的绝缘层上形成反射层，然后在所述的反射层上形成光刻胶并制作光刻图形，之后进行干法刻蚀或湿法蚀刻，最后去除光刻胶、以在特定的位置上制作成所需形状的绝缘反射层24。在一具体的实施方案中，所述绝缘层为SiO2层或Si3N4层，采用BOE溶液或氢氟酸刻蚀，所述绝缘层的厚度为10 lOOOnm。
本实施例的一优选方案为，交替制作Ti02/Si02循环交替层、Al/Ti堆栈层、Al/Ni 堆栈层、Al/Cr堆栈层或AVSiO2堆栈层以制备所述反射层，具体地，所述循环交替层或堆栈层的循环次数为I 50次，所述反射层的厚度为5 4000nm。
如上所述 的优选方案中，反射层为Ti02/Si02循环交替层时，采用浓硫酸刻蚀TiO2，采用BOE溶液或氢氟酸刻蚀SiO2 ;所述反射层为Al/Ti堆栈层、Al/Ni堆栈层、Al/Cr 堆栈层或AVSiO2堆栈层时，采用盐酸或硫酸刻蚀Al，采用氢氟酸、热的浓盐酸或热的浓硫酸刻蚀Ti，采用硝酸刻蚀Ni，采用盐酸与Cr的混合液刻蚀Cr，采用BOE溶液或氢氟酸刻蚀 Si02。
请参阅图4，如图所示，最后进行步骤四与步骤五，在所述P型GaN层23与所述绝缘反射层24表面上制作透明电极层25，该透明电极层25的材质可为ITO或Ni/Au等，然后于所述透明电极层25表面上与所述绝缘反射层24垂向对应的区域制作P电极26，及于所述N型GaN层21的下台阶部211上制作N电极27 ;接着在所得结构表面形成保护层3，该保护层3可为SiO2层等，最后进行研磨、划裂以完成所述高亮度LED芯片的制备。
在本实施例中，采用溅射法或蒸发法制作透明电极层25，采用等离子体化学气相沉积技术制备保护层3。
本发明还提供了一种高亮度LED芯片，所述LED芯片至少包括
蓝宝石衬底I ;结合于所述蓝宝石衬底I表面并呈台阶状结构的N型GaN层21、设置在所述N型GaN层21的下台阶部211的N电极27、结合于所述N型GaN层21的上台阶部212的有源层22、结合于所述有源层上表面的P型GaN层23、布设在所述P型GaN层23 上的绝缘反射层24、覆盖所述P型GaN层23与所述绝缘反射层24表面的透明电极层25， 以及设置于所述透明电极层25表面且对应于所述绝缘反射层24的区域上的P电极26，其中，所述绝缘反射层24的布设区域与所述P电极26垂向对应；以及保护层3，形成于上述结构的表面。
需要说明的是，所述N型GaN层的上台阶部212与下台阶部211的落差为800 2000nm，所述的有源层22优选量子阱层。
作为本实施例的一优选方案，所述绝缘反射层包括绝缘层和反射层，其中，所述绝缘层结合于所述P型GaN层23上表面，以使所述透明电极25层与所述P型GaN层23绝缘，所述反射层结合于所述绝缘层上表面，所述绝缘层为SiO2层或Si3N4层，厚度为10 IOOOnm ;所述反射层为Ti02/Si02循环交替层、Al/Ti堆栈层、Al/Ni堆栈层、Al/Cr堆栈层或AVSiO2堆栈层，循环交替层或堆栈层的循环次数为I 50次，所述反射层的厚度为5 4000nm。
特别需要说明的是，所述的绝缘反射层24的四周边缘比所述P电极26对应的四周边缘多出的宽度为O 10 μ m。
在本实施例中，所述的透明电极层25为ITO层或Ni/Au层，所述的保护层3优选为SiO2层。
下表为采用本发明的制造方法得到的10X23mil芯片与常规IOX 23miI芯片的光电参数对比。如表格所示，采用本发明的制造方法得到的芯片与常规芯片的光功率(mW)可提升10%以上，而其他光电参数基本保持一致，由此可见，依照本发明的制造方法可以提高电 流的利用率、增加光子从芯片逃逸的几率、提高LED芯片的出光效率。
权利要求
1.一种高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述方法至少包括以下步骤 步骤一，提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底上依次生长N型GaN层、有源层及P型GaN层，以形成发光外延结构层； 步骤二，刻蚀所述的发光外延结构层，以去掉部分有源层及部分P型GaN层，并使所述N型GaN层形成具有上台阶部及下台阶部的台阶状结构； 步骤三，在所述P型GaN层表面上对应欲制作P电极的区域制作绝缘反射层； 步骤四，在所述P型GaN层与所述绝缘反射层表面上制作透明电极层，然后于所述透明电极层表面上与所述绝缘反射层垂向对应的区域制作P电极，及于所述N型GaN层的下台阶部上制作N电极； 步骤五，在所述发光外延结构层上表面形成保护层，最后进行研磨、划裂以完成所述高亮度LED芯片的制备。
2.根据权利要求1中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述步骤一中采用金属有机化学气相沉积、分子束外延或氢化物气相外延技术生长所述发光外延结构层。
3.根据权利要求1中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述步骤二中，采用感应耦合等离子刻蚀或反应离子刻蚀技术进行刻蚀。
4.根据权利要求1中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述N型GaN层的上台阶部与下台阶部的落差为800 2000nm。
5.根据权利要求1中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述步骤三中，所述绝缘反射层先形成于所述发光外延结构层的上表面，然后通过干法刻蚀或湿法蚀刻以制作成所需形状。
6.根据权利要求1中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述绝缘反射层包括绝缘层和反射层，其中，所述绝缘层形成于所述P型GaN层上表面，所述反射层形成于所述绝缘层上表面。
7.根据权利要求6中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述绝缘层为SiO2层或Si3N4层。
8.根据权利要求7中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于采用BOE溶液或氢氟酸刻蚀。
9.根据权利要求6中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述绝缘层的厚度为10 IOOOnmo
10.根据权利要求6中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于交替制作TiO2/SiO2循环交替层、Al/Ti堆栈层、Al/Ni堆栈层、Al/Cr堆栈层或Al/Si02堆栈层以制备所述反射层。
11.根据权利要求10中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述循环交替层或堆栈层的循环次数为I 50次。
12.根据权利要求6中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述反射层为Ti02/Si02循环交替层时，采用浓硫酸刻蚀TiO2，采用BOE溶液或氢氟酸刻蚀SiO2 ;所述反射层为Al/Ti堆栈层、Al/Ni堆栈层、Al/Cr堆栈层或Al/Si02堆栈层时，采用盐酸或硫酸刻蚀Al，采用氢氟酸、热的浓盐酸或热的浓硫酸刻蚀Ti，采用硝酸刻蚀Ni，采用盐酸与Cr的混合液刻蚀Cr，采用BOE溶液或氢氟酸刻蚀Si02。
13.根据权利要求6中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述反射层的厚度为5 4000nm。
14.根据权利要求1中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述步骤四中采用溅射法或蒸发法制作透明电极层。
15.根据权利要求1中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述步骤五中采用等离子体化学气相沉积技术制备保护层。
16.一种高亮度LED芯片，其特征在于，所述LED芯片至少包括 蓝宝石衬底；结合于所述蓝宝石衬底表面并呈台阶状结构的N型GaN层、设置在所述N型GaN层的下台阶部的N电极、结合于所述N型GaN层的上台阶部的有源层、结合于所述有源层上表面的P型GaN层、布设在所述P型GaN层上的绝缘反射层、覆盖所述P型GaN层与所述绝缘反射层表面的透明电极层，以及设置于所述透明电极层表面且对应于所述绝缘反射层的区域上的P电极，其中，所述绝缘反射层的布设区域与所述P电极垂向对应；以及保护层。
17.根据权利要求16中所述的高亮度LED芯片，其特征在于所述N型GaN层的上台阶部与下台阶部的落差为800 2000nm。
18.根据权利要求16中所述高亮度LED芯片的制造方法，其特征在于所述绝缘反射层包括绝缘层和反射层，其中，所述绝缘层结合于所述P型GaN层上表面，所述反射层结合于所述绝缘层上表面。
19.根据权利要求18中所述的高亮度LED芯片，其特征在于所述绝缘层为SiO2层或Si3N4 层。
20.根据权利要求18中所述的高亮度LED芯片，其特征在于所述绝缘层的厚度为10 IOOOnmo
21.根据权利要求18中所述的高亮度LED芯片，其特征在于所述反射层为Ti02/Si02循环交替层、Al/Ti堆栈层、Al/Ni堆栈层、Al/Cr堆栈层或AVSiO2堆栈层。
22.根据权利要求21中所述的高亮度LED芯片，其特征在于所述循环交替层或堆栈层的循环次数为I 50次。
23.根据权利要求18中所述的高亮度LED芯片，其特征在于所述反射层的厚度为5 4000nm。
24.根据权利要求16中所述的高亮度LED芯片，其特征在于所述的透明电极层为ITO层或N i /Au层。
25.根据权利要求16中所述的高亮度LED芯片，其特征在于所述的绝缘反射层的四周边缘比所述P电极对应的四周边缘多出的宽度为0 IOii m。
全文摘要
本发明提供一种高亮度LED芯片及其制造方法，由本发明制造方法制得的LED结构芯片包括蓝宝石衬底、具有N电极的N型GaN层、有源层、P型GaN层、绝缘反射层、透明电极层、P电极以及保护层。本发明的LED芯片由于具有绝缘反射层，使提供给本发明LED芯片的全部电流将通过透明电极向P电极周围传递、而不从P电极下注入，电流被有效利用，从而提高LED芯片的出光效率。并且，由于绝缘反射层的反射率很高，能增加光子从芯片逃逸的几率，提高LED芯片的出光效率。因此，采用本发明的方法可以提高LED芯片的出光效率，可使LED芯片的亮度提高10%以上。
文档编号H01L33/46GK103035787SQ201110294590
公开日2013年4月10日 申请日期2011年9月29日 优先权日2011年9月29日
发明者李士涛, 郝茂盛, 张楠, 陈诚, 袁根如, 朱广敏 申请人:上海蓝光科技有限公司