一种具有侧壁微结构的氮化镓基发光二极管及其加工工艺的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及发光二极管的生产制造技术领域。
【背景技术】
[0002]发光二极管(LED)作为代替白炽灯和荧光灯的新一代环保光源，被广泛应用在照明、显示和背光等领域。与传统照明光源相比，LED具有效率高、能耗低、寿命长、无污染、体积小、色彩丰富等诸多优点。
[0003]LED中的GaN材料的折射率为2.4，空气的折射率为I，两者相差较大，导致从有源区中出射的光子的全反射角为24.5°，大于全反射角的光子将会被反射回芯片内不能出射，这样导致LED芯片的光提取效率大幅下降。为了增加LED芯片的光提取效率，P-GaN表面粗化、ITO表面粗化、ITO表面图形化等方法已被提出和应用。但是通常量产的P-GaN层较薄，刻蚀深度不易控制，且刻蚀后对芯片表面损伤很大，因此P-GaN表面粗化不适合量产；ITO表面粗化和图形化容易导致芯片的电压大幅升高，不能适应商业需求。因此如何克服现有的缺陷提高发光效率是亟需技术人员解决的问题。
[0004]从LED有源区中出射的光子被反射回芯片内部后，会在芯片内部来回反射，一部分光子始终无法出射，被GaN材料多次吸收，最终衰减至零;一部分光子会经由多次反射到达侧壁，此时侧壁可以等效于芯片表面，由于材料和空气折射率的差值，同样存在全反射的问题，所以对侧壁进行粗化可以通过改变到达侧壁的光子的入射角，使更多的光子能够从芯片内出射，或者从另一方面来说，侧壁微结构可以通过改变微结构处的等效折射率，使微结构等效成一种增透结构，令侧壁的透射率更高，从而增加LED芯片的光提取效率，约提升LED的发光效率5%以上。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提出一种可有效提升发光效率的具有侧壁微结构的氮化镓基发光二极管。
[0006]本发明包括设置在衬底一侧的N-GaN层，在N-GaN层上呈台阶式依次设置有源区、P-GaN层和电流扩展层，在N-GaN层的台阶面上设置N电极及N电极引脚，在电流扩展层上表面设置P电极及P电极引脚;其特征在于:所述有源区和P-GaN层的外侧面为凹凸形表面。
[0007]本发明通过在ICP刻蚀后的台阶侧面形成周期性或非周期性的凹凸形表面结构，该侧壁微结构可以通过改变到达侧壁的光子的入射角，使更多的光子能够从芯片内出射，减少发生全反射的光子数，或者从另一方面来说，侧壁微结构可以通过改变微结构处的等效折射率，使微结构等效成一种增透结构，令侧壁的透射率更高，从而提升LED的亮度。
[0008]本发明所述凹凸形表面可以为多种有规律或无规律的形状，如矩形、弧形、三角形、梯形或不规则形状中的至少任意一种。
[0009]本发明的另一目的是提出以上具有侧壁微结构的氮化镓基发光二极管的加工工
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[0010]本发明包括以下步骤:
1)在衬底的同一侧依次外延生长N-GaN层、有源区和P-GaN层；
2)通过匀光刻胶、曝光、显影的方法在不需要刻蚀的P-GaN层上表面制作保护层；
3)自P-GaN层向下刻蚀，直至裸露N-GaN层；
4)将ITO蒸镀于外延片的表面，光刻后通过化学腐蚀去除多余的部分，保留P-GaN层上表面的ITO蒸镀层，形成电流扩展层；
5)将共Cr/Al/Ti/Pt/Au蒸镀于外延片的表面，光刻后通过剥离工艺去除多余部分，保留裸露的N-GaN层上的共Cr/Al/Ti/Pt/Au蒸镀层，形成N电极及N电极引脚，保留电流扩展层上表面的部分共Cr/Al/Ti/Pt/Au蒸镀层，形成P电极及P电极引脚；
其特征在于:在步骤3)时，通过刻蚀，在有源区和P-GaN层的外侧面形成凹凸形表面。
[0011]所述凹凸形表面为矩形、弧形、三角形、梯形或不规则形状中的至少任意一种。
[0012]本发明加工艺简单，方便实际生产、应用，其中凹凸形表面可以为任意的图形，对工艺要求低，但形成的效果显著。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的一种结构不意图。
[0014]图2为图1的A-A向剖面图。
[0015]图3至图8为凹凸形表面的各种断面形状。
【具体实施方式】
[0016]—、生产工艺:
1、在衬底的同一侧先后外延生长形成N-GaN层、有源区和P-GaN层。
[0017]本发明衬底的材料包括且不限于蓝宝石、碳化硅、硅中的一种。
[0018]2、在刻蚀台阶前，通过匀光刻胶、曝光、显影的方法在不需要刻蚀的P-GaN层上表面形成保护层。
[0019]保护层材料包括且不限于光刻胶、二氧化硅掩膜、氮化硅掩膜中的一种或几种。
[0020]3、通过ICP工艺刻蚀，自P-GaN层向下刻蚀形成台阶，直至将N-GaN层裸露出来，台阶高度 10000A ?16000A。
[0021]刻蚀LED的方法包括且不限于ICP、化学腐蚀、电化学腐蚀中的一种或几种。
[0022]刻蚀时在有源区和P-GaN层的侧壁形成侧壁微结构，本例中采用的侧壁微结构的图形为周期性的弧形，其半径约为5μπι，占空比100%。
[0023]当然，侧壁微结构的图形包括且不限于如图3至图8所显示的矩形、凹弧形、凸弧形、三角形、梯形、不规则形状中的一种或几种；图形可以具有周期规律，也可为无规律排布。
[0024]4、将1100Α的ITO蒸镀于外延片的表面，光刻后通过化学腐蚀去除多余的部分，仅保留P-GaN层上表面的ITO蒸镀层，以此形成电流扩展层。
[0025]电流扩展层的材料包括且不限于氧化铟锡(IT0)、Au、AZ0(掺铝ΖηΟ)、金属纳米线中的一种或几种，厚度范围约100Α?3000Α。
[0026]可选的，在制作电流扩展层之前，先制作电流阻挡层，电流阻挡层的材料包括且不限于Si02、SiNx、Al203中的一种或几种，厚度范围约10A?5000A。
[0027]5、将共13000A的Cr/Al/Ti/Pt/Au蒸镀于外延片的表面，光刻后通过剥离工艺去除多余部分，保留裸露的N-GaN层上的共Cr/Al/Ti/Pt/Au蒸镀层，形成N电极及N电极引脚，保留电流扩展层上表面的部分共Cr/Al/Ti/Pt/Au蒸镀层，形成P电极及P电极引脚。
[0028]N电极和P电极的金属包括且不限于Ag、Al、Au、Cr、N1、Pd、Pt、T1、N1、W中的一种或几种合金，厚度范围约为1000A?30000A。
[0029]二、产品结构特点:
如图1至8所示，本发明在衬底101—侧设置有N-GaN层102，在N-GaN层102上呈台阶式依次设置有源区103、P-GaN层104和电流扩展层105(部分产品在P-GaN层104和电流扩展层105之间还可设置电流阻挡层)，在N-GaN层102的台阶面上设置N电极及N电极引脚106，在电流扩展层105上表面设置P电极及P电极引脚107。本发明的有源区103和P-GaN层104的外侧面为凹凸形表面，凹凸形表面为图3至图8的矩形、弧形、三角形、梯形或不规则形状中的至少任意一种。
【主权项】
1.一种具有侧壁微结构的氮化镓基发光二极管，包括设置在衬底一侧的N-GaN层，在N-GaN层上呈台阶式依次设置有源区、P-GaN层和电流扩展层，在N-GaN层的台阶面上设置N电极及N电极引脚，在电流扩展层上表面设置P电极及P电极引脚;其特征在于:有源区和P-GaN层的外侧面为凹凸形表面。2.根据权利要求1所述具有侧壁微结构的氮化镓基发光二极管，其特征在于:所述凹凸形表面为矩形、弧形、三角形、梯形或不规则形状中的至少任意一种。3.如权利要求1所述具有侧壁微结构的氮化镓基发光二极管的加工工艺，包括以下步骤: 1)在衬底的同一侧依次外延生长N-GaN层、有源区和P-GaN层； 2)通过匀光刻胶、曝光、显影的方法在不需要刻蚀的P-GaN层上表面制作保护层； 3)自P-GaN层向下刻蚀，直至裸露N-GaN层； 4)将ITO蒸镀于外延片的表面，光刻后通过化学腐蚀去除多余的部分，保留P-GaN层上表面的ITO蒸镀层，形成电流扩展层； 5)将共Cr/Al/Ti/Pt/Au蒸镀于外延片的表面，光刻后通过剥离工艺去除多余部分，保留裸露的N-GaN层上的共Cr/Al/Ti/Pt/Au蒸镀层，形成N电极及N电极引脚，保留电流扩展层上表面的部分共Cr/Al/Ti/Pt/Au蒸镀层，形成P电极及P电极引脚； 其特征在于:在步骤3)时，通过刻蚀，在有源区和P-GaN层的外侧面形成凹凸形表面。4.根据权利要求3所述加工工艺，其特征在于:所述凹凸形表面为矩形、弧形、三角形、梯形或不规则形状中的至少任意一种。
【专利摘要】一种具有侧壁微结构的氮化镓基发光二极管及其加工工艺，涉及发光二极管的生产制造技术领域。本发明通过在ICP刻蚀后的台阶侧面形成周期性或非周期性的凹凸形表面结构，该侧壁微结构可以通过改变到达侧壁的光子的入射角，使更多的光子能够从芯片内出射，减少发生全反射的光子数，或者从另一方面来说，侧壁微结构可以通过改变微结构处的等效折射率，使微结构等效成一种增透结构，令侧壁的透射率更高，从而提升LED的亮度。
【IPC分类】H01L33/22, H01L33/00
【公开号】CN105679906
【申请号】CN201610155125
【发明人】王文娟, 吕奇孟, 宋彬, 彭绍文, 江方, 姚素霞, 温华炽
【申请人】厦门乾照光电股份有限公司
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年3月18日