一种高亮度发光二极管芯片及其制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种高亮度发光二极管芯片及其制备方法。

背景技术：

发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)作为高效、环保、绿色新一代固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性等优点，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源、户外全彩显示屏等。尤其在照明领域，LED芯片得到了极大的应用，发挥了独特的不可替代的作用。

目前LED芯片包括蓝宝石衬底、以及依次在蓝宝石衬底上层叠的N型GaN层、InGaN/GaN有源层、P型GaN层、透明导电层、钝化层，P型GaN层上设有延伸至N型GaN层的凹槽，N型电极设置在N型GaN层上，P型电极设置在P型GaN层上。

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：

目前的LED芯片存在着发光效率较低的问题，导致LED产品的性价比与传统照明产品差不多，LED芯片在照明领域的产业化推广受到了限制。

技术实现要素：

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种高亮度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高亮度发光二极管芯片，所述高亮度发光二极管芯片包括反光层、基板、N型半导体层、发光层、P型半导体层、电子阻挡层、透明导电层、钝化保护层、以及P型电极和N型电极，所述N型半导体层、所述发光层、所述P型半导体层依次层叠在所述基板的第一表面上，所述P型半导体层上设有延伸至所述N型半导体层的凹槽，所述电子阻挡层设置在所述P型半导体层上，所述透明导电层设置在所述电子阻挡层和所述P型半导体层上，所述P型电极设置在所述透明导电层上，所述N型电极设置在所述N型半导体层上，所述反光层设置在所述基板的第二表面上，所述基板的第二表面为与所述基板的第一表面相反的表面，所述钝化保护层包括沉积在所述透明导电层和所述N型半导体层上的第一子层、以及沉积在所述凹槽的侧壁上的第二子层，所述第二子层沉积的厚度大于所述第一子层沉积的厚度。

可选地，所述第一子层沉积的厚度为200～400埃，所述第二子层沉积的厚度为2300～2500埃。

可选地，所述反光层包括多个依次层叠的反光子层，所述反光子层包括依次层叠的至少两种折射率不同的氧化层，所述反光子层的厚度为所述发光层的发射主波长的四分之一。

优选地，所述氧化层采用Ta₂O₅、ZrO₂、Al₂O₃、TiO₂、SiO₂中的任一种。

优选地，所述反光子层的层数为2～40层。

可选地，所述透明导电层采用氧化铟锡或者ZnO。

另一方面，本发明实施例提供了一种高亮度发光二极管芯片的制备方法，所述制备方法包括：

在基板的第一表面上依次生长N型半导体层、发光层、P型半导体层；

在所述P型半导体层上形成延伸至所述N型半导体层的凹槽；

在所述P型半导体层上形成电子阻挡层；

在所述电子阻挡层和所述P型半导体层上形成透明导电层；

在所述透明导电层上设置P型电极，在所述N型半导体层上设置N型电极；

在所述透明导电层、所述凹槽的侧壁和所述N型半导体层上沉积钝化保护层；

对所述基板的第二表面进行减薄和研磨，所述基板的第二表面为与所述基板的第一表面相反的表面；

在研磨后的所述基板的第二表面上形成反光层，得到半成品；

对所述半成品进行划裂和测试，得到发光二极管芯片；

其中，所述钝化保护层包括沉积在所述透明导电层和所述N型半导体层上的第一子层、以及沉积在所述凹槽的侧壁上的第二子层，所述第二子层沉积的厚度大于所述第一子层沉积的厚度。

可选地，所述在所述透明导电层、所述凹槽的侧壁和所述N型半导体层上沉积钝化保护层，包括：

在所述透明导电层、所述凹槽的侧壁和所述N型半导体层上沉积所述第二子层；

采用光刻工艺和刻蚀工艺去除所述透明导电层和所述N型半导体层上沉积的所述第二子层；

在所述透明导电层、所述凹槽的侧壁和所述N型半导体层上沉积所述第一子层；

采用光刻工艺和刻蚀工艺去除所述P型电极所在的区域、所述N型电极所在的区域、以及所述凹槽的侧壁上沉积的所述第一子层。

可选地，所述第一子层沉积的厚度为200～400埃，所述第二子层沉积的厚度为2300～2500埃。

可选地，所述反光层包括多个依次层叠的反光子层，所述反光子层包括依次层叠的至少两种折射率不同的氧化层，所述反光子层的厚度为所述发光层的发射主波长的四分之一。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过钝化保护层沉积在凹槽的侧壁上的厚度大于沉积在透明导电层和N型半导体层上的厚度，一方面对凹槽的侧壁上的发光层通过沉积较厚的钝化保护层进行有效保护，避免其在后续的封装和应用过程中受到外界的水汽等污染物质的影响而产生漏电的问题，另一方面对透明导电层上等不会产生漏电隐患的区域沉积较薄的钝化保护层，由于透明导电层上对LED芯片出光影响很大，同时钝化保护层对光线有吸收作用，因此沉积较薄的钝化保护层可以减少LED芯片发光时对光线的吸收，使得更多的光子逃出LED芯片，起到改善LED芯片外量子效率的作用，从而有效提高发光亮度。也就是说，在不同的区域采用满足相应要求厚度的钝化保护层，既可以满足LED芯片使用的可靠性要求，又可以最大限度减少钝化保护层对出光的限制，改善了LED芯片的外量子效率，最终提高LED芯片的发光效率，有助于LED芯片在照明领域的产业化推广。而且LED芯片的结构简单，制备方法可以与现有技术很好的融合，不会产生较多的制造成本，也不需要新增不同类型的设备。

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高亮度发光二极管芯片的主视图；

图2是本发明实施例一提供的一种高亮度发光二极管芯片的俯视图；

图3是本发明实施例一提供的钝化保护层的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的一种高亮度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高亮度发光二极管芯片，参见图1和图2，该高亮度发光二极管芯片包括反光层20、基板10、N型半导体层11、发光层12、P型半导体层13、电子阻挡层14、透明导电层15、钝化保护层16、以及P型电极17和N型电极18。N型半导体层11、发光层12、P型半导体层13依次层叠在基板10的第一表面上，P型半导体层13上设有延伸至N型半导体层11的凹槽，电子阻挡层14设置在P型半导体层13上，透明导电层15设置在电子阻挡层14和P型半导体层13上，P型电极17设置在透明导电层15上，N型电极18设置在N型半导体层11上，反光层20设置在基板10的第二表面上，基板10的第二表面为与基板10的第一表面相反的表面。

在本实施例中，参见图1和图3，钝化保护层16包括沉积在透明导电层15和N型半导体层11上的第一子层16a、以及沉积在凹槽的侧壁上的第二子层16b，第二子层16b沉积的厚度大于透明导电层15沉积的厚度。

可选地，第一子层16a沉积的厚度可以为200～400埃，第二子层16b沉积的厚度可以为2300～2500埃。

优选地，第一子层16a沉积的厚度可以为300埃，第二子层16b沉积的厚度可以为2400埃。第二子层16b沉积的厚度为2400埃，可以避免量子阱在后续的封装和应用中受到外界的水汽等污染物质的影响，不会造成LED芯片在使用过程中产生微漏。而第一子层16a沉积的厚度为300埃，不会产生漏电隐患，通过减薄以提高LED芯片的发光亮度。

可选地，反光层20可以包括多个依次层叠的反光子层，反光子层包括依次层叠的至少两种折射率不同的氧化层，反光子层的厚度为发光层的发射主波长的四分之一。

优选地，反光子层可以包括依次层叠的两种折射率不同的氧化层，也可以包括依次层叠的三种折射率不同的氧化层。

优选地，氧化层可以采用Ta₂O₅、ZrO₂、Al₂O₃、TiO₂、SiO₂中的任一种。其中，Ta₂O₅的折射率为2.06，ZrO₂的折射率为1.92、Al₂O₃的折射率为1.77、TiO₂的折射率为2.35，SiO₂的折射率为1.46。

优选地，反光子层的层数可以为2～40层。

可选地，电子阻挡层14可以采用SiO₂或者Si₃N₄。

可选地，透明导电层15可以采用氧化铟锡(英文：Indium tin oxide，简称：ITO)或者ZnO。

可选地，钝化保护层16可以采用SiO₂或者Al₂O₃。

可选地，P型电极17可以包括依次层叠的Ti层和Al层，也可以包括依次层叠的Cr层、Ti层、Al层。N型电极18可以包括依次层叠的Ti层和Al层，也可以包括依次层叠的Cr层、Ti层、Al层。

具体地，基板10可以为蓝宝石基板，厚度约为150微米。N型半导体层11可以为N型GaN层，发光层12可以包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，P型半导体层13可以为P型GaN层。

进一步地，基板10和N型半导体层11之间还可以设置不掺杂的GaN层，以缓解蓝宝石和GaN之间的晶格失配。N型半导体层11和发光层12还可以设置N型电流扩展层，以使电子均匀注入发光层12。

在实际应用中，LED芯片的电压约为3V。

将本实施例的LED芯片与传统的LED芯片对比结果如下表一所示：

表一

由表一可知，本实施例的LED芯片的光功率提高了2.35％，同时其它参数保持一致。

本发明实施例通过钝化保护层沉积在凹槽的侧壁上的厚度大于沉积在透明导电层和N型半导体层上的厚度，一方面对凹槽的侧壁上的发光层通过沉积较厚的钝化保护层进行有效保护，避免其在后续的封装和应用过程中受到外界的水汽等污染物质的影响而产生漏电的问题，另一方面对透明导电层上等不会产生漏电隐患的区域沉积较薄的钝化保护层，由于透明导电层上对LED芯片出光影响很大，同时钝化保护层对光线有吸收作用，因此沉积较薄的钝化保护层可以减少LED芯片发光时对光线的吸收，使得更多的光子逃出LED芯片，起到改善LED芯片外量子效率的作用，从而有效提高发光亮度。也就是说，在不同的区域采用满足相应要求厚度的钝化保护层，既可以满足LED芯片使用的可靠性要求，又可以最大限度减少钝化保护层对出光的限制，改善了LED芯片的外量子效率，最终提高LED芯片的发光效率，有助于LED芯片在照明领域的产业化推广。而且LED芯片的结构简单，制备方法可以与现有技术很好的融合，不会产生较多的制造成本，也不需要新增不同类型的设备。

实施例二

本发明实施例提供了一种高亮度发光二极管芯片的制备方法，适用于制备实施例一提供的高亮度发光二极管芯片，参见图4，该制备方法包括：

步骤201：在基板的第一表面上依次生长N型半导体层、发光层、P型半导体层。

具体地，基板可以为蓝宝石基板。N型半导体层可以为N型GaN层，发光层可以包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，P型半导体层可以为P型GaN层。

步骤202：在P型半导体层上形成延伸至N型半导体层的凹槽。

具体地，该步骤202可以包括：

采用光刻技术和刻蚀技术在P型半导体层上形成延伸至N型半导体层的凹槽。

步骤203：在P型半导体层上形成电子阻挡层。

具体地，电子阻挡层可以采用SiO₂或者Si₃N₄。

步骤204：在电子阻挡层和P型半导体层上形成透明导电层。

可选地，透明导电层可以采用ITO或者ZnO。

步骤205：在透明导电层上设置P型电极，在N型半导体层上设置N型电极。

可选地，P型电极可以包括依次层叠的Ti层和Al层，也可以包括依次层叠的Cr层、Ti层、Al层。N型电极可以包括依次层叠的Ti层和Al层，也可以包括依次层叠的Cr层、Ti层、Al层。

步骤206：在透明导电层、凹槽的侧壁和N型半导体层上沉积钝化保护层。

具体地，钝化保护层可以采用SiO₂或者Al₂O₃。

在本实施例中，钝化保护层包括沉积在透明导电层和N型半导体层上的第一子层、以及沉积在凹槽的侧壁上的第二子层，第二子层沉积的厚度大于透明导电层沉积的厚度。

可选地，第一子层沉积的厚度可以为200～400埃，第二子层沉积的厚度可以为2300～2500埃。

优选地，第一子层沉积的厚度可以为300埃，第二子层沉积的厚度可以为2400埃。第二子层沉积的厚度为2400埃，可以避免量子阱在后续的封装和应用中受到外界的水汽等污染物质的影响，不会造成LED芯片在使用过程中产生微漏。而第一子层沉积的厚度为300埃，不会产生漏电隐患，通过减薄以提高LED芯片的发光亮度。

具体地，该步骤206可以包括：

在透明导电层、凹槽的侧壁和N型半导体层上沉积第二子层；

采用光刻工艺和刻蚀工艺去除透明导电层和N型半导体层上沉积的第二子层；

在透明导电层、凹槽的侧壁和N型半导体层上沉积第一子层；

采用光刻工艺和刻蚀工艺去除P型电极所在的区域、N型电极所在的区域、以及凹槽的侧壁上沉积的第一子层。

其中，以去除透明导电层和N型半导体层上沉积的第二子层为例，光刻工艺和刻蚀工艺过程如下：

在第二子层上形成一层光刻胶；

对光刻胶进行曝光和显影，去除透明导电层和N型半导体层对应区域的光刻胶；

采用反应离子刻蚀(英文：Reactive Ion Etching，简称：RIE)技术去除透明导电层和N型半导体层上沉积的第二子层；

剥离剩余的光刻胶。

步骤207：对基板的第二表面进行减薄和研磨。

在本实施例中，基板的第二表面为与基板的第一表面相反的表面。

具体地，减薄后的基板的厚度约为150微米。

步骤208：在研磨后的基板的第二表面上形成反光层，得到半成品。

可选地，反光层可以包括多个依次层叠的反光子层，反光子层包括依次层叠的至少两种折射率不同的氧化层，反光子层的厚度为发光层的发射主波长的四分之一。

优选地，反光子层可以包括依次层叠的两种折射率不同的氧化层，也可以包括依次层叠的三种折射率不同的氧化层。

优选地，氧化层可以采用Ta₂O₅、ZrO₂、Al₂O₃、TiO₂、SiO₂中的任一种。其中，Ta₂O₅的折射率为2.06，ZrO₂的折射率为1.92、Al₂O₃的折射率为1.77、TiO₂的折射率为2.35，SiO₂的折射率为1.46。

优选地，反光子层的层数可以为2～40层。

步骤209：对半成品进行划裂和测试，得到发光二极管芯片。

在实际应用中，各层堆叠出来的半成品通常很大，需要分成多个相互独立的发光二极管芯片。同时为了保证芯片质量，在入库之前，会对划裂得到的发光二极管芯片进行测试，将测试通过的发光二极管入库，测试不通过的发光二极管丢弃。

本发明实施例通过钝化保护层沉积在凹槽的侧壁上的厚度大于沉积在透明导电层和N型半导体层上的厚度，一方面对凹槽的侧壁上的发光层通过沉积较厚的钝化保护层进行有效保护，避免其在后续的封装和应用过程中受到外界的水汽等污染物质的影响而产生漏电的问题，另一方面对透明导电层上等不会产生漏电隐患的区域沉积较薄的钝化保护层，由于透明导电层上对LED芯片出光影响很大，同时钝化保护层对光线有吸收作用，因此沉积较薄的钝化保护层可以减少LED芯片发光时对光线的吸收，使得更多的光子逃出LED芯片，起到改善LED芯片外量子效率的作用，从而有效提高发光亮度。也就是说，在不同的区域采用满足相应要求厚度的钝化保护层，既可以满足LED芯片使用的可靠性要求，又可以最大限度减少钝化保护层对出光的限制，改善了LED芯片的外量子效率，最终提高LED芯片的发光效率，有助于LED芯片在照明领域的产业化推广。而且LED芯片的结构简单，制备方法可以与现有技术很好的融合，不会产生较多的制造成本，也不需要新增不同类型的设备。

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。