一種led芯片及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明揭露了一種LED芯片及其制造方法，所述LED芯片在所述P型GaN層中形成了金屬納米陣列，所述金屬納米陣列包括金屬芯和電介質(zhì)外殼，所述金屬納米陣列能和有源層的光發(fā)生離子共振，從而提高LED的內(nèi)量子效率，此外，有源層發(fā)出的光可以在金屬納米陣列上發(fā)生散射，提高光析出率，最終而提高LED的發(fā)光效率。
【專利說明】一種LED芯片及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LED制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種LED芯片及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED, Light Emitting Diode)是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件,其利用半導(dǎo)體PN結(jié)作為發(fā)光材料，可以將電轉(zhuǎn)換為光。當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)的兩端加上正向電壓后，注入PN結(jié)中的電子和空穴發(fā)生復(fù)合，將過剩的能量以光子的形式釋放出來。LED具有壽命長(zhǎng)，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，隨著技術(shù)的日漸成熟，LED的運(yùn)用領(lǐng)域也越來越多元化，對(duì)LED芯片的功率和亮度的要求也越來越高，如何提高LED芯片的功率是LED發(fā)展中遇到的難題之一。LED的功率與 LED 的內(nèi)量子效率(IQE, Internal Quantum Efficiency)、光析出率(LEE, LightExtraction Efficiency)與夕卜量子效率(EQE, External Quantum Efficiency)息息相關(guān)，簡(jiǎn)單地說，IQE是注入電子與空穴復(fù)合發(fā)光的效率的體現(xiàn)，LEE是這些光逸出LED效率的體現(xiàn)，EQE為IQE與LEE之積，即注入電子轉(zhuǎn)化為能逸出LED光的效率的體現(xiàn)。
[0003]研究表明，注入電流密度超過一定值時(shí)，內(nèi)量子效率并沒有隨注入電流的上升而上升。這是由于量子阱局域態(tài)被填滿，電子只能通過缺陷能級(jí)與空穴無輻射復(fù)合。并且，LED的PN結(jié)作為雜質(zhì)半導(dǎo)體，存在著材料品質(zhì)、位錯(cuò)因素以及工藝上的種種缺陷，會(huì)產(chǎn)生雜質(zhì)電離、激發(fā)散射和晶格散射等問題，使電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶時(shí)與晶格原子或離子交換能量時(shí)發(fā)生無輻射躍遷，也就是不產(chǎn)生光子，這部分能量不轉(zhuǎn)換成光能而轉(zhuǎn)換成熱能損耗在PN結(jié)內(nèi)，影響LED的內(nèi)量子效應(yīng)。
[0004]而對(duì)LED的LEE限制因素是材料的折射率和封裝結(jié)構(gòu)。當(dāng)光線從高折射率的物質(zhì)向低折射率的物質(zhì)入射時(shí)，部分光會(huì)在界面上發(fā)生反射，并且當(dāng)入射角大于全反射角時(shí)，會(huì)發(fā)生全反射。發(fā)生全反射時(shí)，光線無法進(jìn)入低折射率的物質(zhì)，只有入射角度小于全反射臨界角的光線才能低折射率的物質(zhì)而發(fā)射出去時(shí)。因此，LED芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光線只有一部分能發(fā)射出去，大大降低了 LED的效率。
[0005]雖然目前各種方法被運(yùn)用到LED的制造上以提高IQE和LEE，比如有源層采用多量子阱結(jié)構(gòu)、圖形化襯底、外延緩沖層等方法，并取得了一定的進(jìn)展。但是持續(xù)提高LED的發(fā)光效率仍是不斷探索和努力改進(jìn)的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種LED芯片及其制作方法，用以提高LED芯片的發(fā)光效率。
[0007]為解決以上問題，本發(fā)明提供一種LED芯片，包括襯底以及依次于所述襯底上的N型GaN層、有源層和P型GaN層，在所述P型GaN層中形成有金屬納米陣列，所述金屬納米陣列包括金屬芯和電介質(zhì)外殼。
[0008]可選的，所述金屬芯材質(zhì)為Ag、Au、Cr或Cu。
[0009]可選的，所述電介質(zhì)外殼材質(zhì)為Si02、Si3N4。
[0010]可選的，所述金屬納米陣列為均勻分布在P型GaN層中的長(zhǎng)條狀列陣。[0011]可選的，所述金屬納米陣列為均勻分布在P型GaN層中的多行長(zhǎng)方體陣列。
[0012]可選的，所述金屬納米陣列為均勻分布在P型GaN層中的多行圓柱體陣列。
[0013]可選的，所述金屬納米陣列相鄰的兩行之間相互錯(cuò)開。
[0014]可選的，所述金屬納米陣列與有源層的間距為5nm-50nm。
[0015]可選的，所述襯底是經(jīng)過圖形化處理的藍(lán)寶石襯底。
[0016]本發(fā)明還提供上述的LED芯片的制造方法，包括:
[0017]提供襯底，依次在所述襯底上形成N型GaN層、有源層和P型GaN層；
[0018]亥IM所述P型GaN層，形成陣列排布的開口；
[0019]在所述開口的底部和側(cè)壁形成第一電介質(zhì)層；
[0020]在所述開口填充金屬，形成金屬芯；
[0021]在所述開口中形成第二電介質(zhì)層，所述第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層形成電介質(zhì)夕卜殼。
[0022]可選的，所述開口的底部與與有源層的間距為5nm_50nm。
[0023]可選的，所述陣列排布的開口為均勻分布在P型GaN層中的長(zhǎng)條狀開口。
[0024]可選的，所述陣列排布的開口為均勻分布在P型GaN層中的多行長(zhǎng)方形開口。
[0025]可選的，所述陣列排布的開口為均勻分布在P型GaN層中的多行圓形開口。
[0026]可選的，所述陣列排布的開口相鄰的兩行之間相互錯(cuò)開。
[0027]可選的，所述金屬芯材質(zhì)為Ag、Au、Cr或Cu。
[0028]可選的，所述電介質(zhì)外殼材質(zhì)為Si02、Si3N4。
[0029]可選的,所述第一電介質(zhì)層的厚度為2nm_10nm。。
[0030]本發(fā)明提供一種LED芯片及其制作方法，所述LED芯片在P型GaN層中形成有金屬納米陣列，金屬納米陣列能和有源層的光發(fā)生離子共振，從而提高LED的內(nèi)量子效率，從而提高LED的發(fā)光效率。同時(shí)，有源層發(fā)出的光在可以在金屬納米陣列上發(fā)生散射，減小光在射出面發(fā)生全反射的比率，進(jìn)一步提高LED發(fā)光效率
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的LED芯片的制造方法的流程圖；
[0032]圖2A?2E為本發(fā)明實(shí)施例的LED芯片的制造方法的各步驟的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3A?3D為本發(fā)明實(shí)施例的LED芯片的金屬納米陣列的版圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]在【背景技術(shù)】中已經(jīng)提及，提高LED芯片的發(fā)光效率是業(yè)內(nèi)不斷探索和努力改進(jìn)的方向。
[0035]為此，本發(fā)明提供一種LED芯片及其制作方法，所述LED芯片在P型GaN層中形成有金屬納米陣列，所述金屬納米陣列包括金屬芯和電介質(zhì)外殼，能提高LED的內(nèi)量子效率和光析出率，從而提高LED的發(fā)光效率。
[0036]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)所述理解本領(lǐng)域技術(shù)人員可以修改在此描述的本發(fā)明，而仍然實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。因此，下列描述應(yīng)當(dāng)被理解為對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛知道，而并不作為對(duì)本發(fā)明的限制。[0037]為了清楚，不描述實(shí)際實(shí)施例的全部特征。在下列描述中，不詳細(xì)描述公知的功能和結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼈儠?huì)使本發(fā)明由于不必要的細(xì)節(jié)而混亂。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為在任何實(shí)際實(shí)施例的開發(fā)中，必須做出大量實(shí)施細(xì)節(jié)以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，例如按照有關(guān)系統(tǒng)或有關(guān)商業(yè)的限制，由一個(gè)實(shí)施例改變?yōu)榱硪粋€(gè)實(shí)施例。另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗費(fèi)時(shí)間的，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說僅僅是常規(guī)工作。
[0038]在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發(fā)明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。
[0039]請(qǐng)參考圖1，其為本發(fā)明實(shí)施例的LED芯片制作方法的流程圖，所述方法包括如下步驟:
[0040]步驟SOl提供襯底，依次在所述襯底上形成N型GaN層、有源層和P型GaN層；
[0041]步驟S02，刻蝕所述P型Ga N層，形成陣列排布的開口 ；
[0042]步驟S03，在所述開口的底部和側(cè)壁形成第一電介質(zhì)層；
[0043]步驟S04，在所述開口填充金屬，形成金屬芯；
[0044]步驟S05，在所述開口中形成第二電介質(zhì)層，所述第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層形成電介質(zhì)外殼。
[0045]參照?qǐng)D2A，執(zhí)行步驟SOI，提供襯底101，依次在所述襯底101上形成N型GaN層102、有源層103和P型GaN層104。通?？梢允褂肕OCVD方式來形成N型GaN層102、有源層103和P型GaN層104。本實(shí)例中，有源層102優(yōu)選為多量子阱有源層，所述襯底101為藍(lán)寶石(Al2O3)襯底。當(dāng)然，根據(jù)工藝需要，也可以選用其他適用于LED芯片制造的襯底，例如尖晶石^841204)、5丨(:、21^、2110或6&48襯底。優(yōu)選的，襯底101經(jīng)過圖形化處理，這樣可以提高LED光析出率。
[0046]參照?qǐng)D2B，執(zhí)行步驟S02，刻蝕所述P型GaN層104，形成陣列排布的開口 105?？梢岳霉饪毯涂涛g工藝在所述P型GaN層104中形成開口 105，所述開口 105的底部與與有源層103的間距為5nm-50nm。參照?qǐng)D3A至圖3D，為本發(fā)明實(shí)施例的LED芯片的金屬納米陣列的版圖。所述陣列排布的開口 105可以是為均勻分布在P型GaN層104中的長(zhǎng)條狀開口或多行長(zhǎng)方形開口，或者是多行圓形開口，可選的，所述陣列排布的開口相鄰的兩行之間相互錯(cuò)開。
[0047]參照?qǐng)D2C，執(zhí)行步驟S03，在所述開口 105的底部和側(cè)壁形成第一電介質(zhì)層106?？梢允褂肞ECVD或e-beam蒸鍍方式來形成第一電介質(zhì)層106。所述第一電介質(zhì)層106可以是SiO2或Si3N4,優(yōu)選的,所述第一電介質(zhì)層106的厚度為2nm_10nm。
[0048]參照?qǐng)D2D，執(zhí)行步驟S04，在所述開口填充金屬，形成金屬芯107。所述金屬芯107材質(zhì)可以為Ag、Au、Cr或Cu。具體的，需要根據(jù)要制造的LED的光波長(zhǎng)選擇所述金屬芯107的具體材質(zhì)和厚度，以金屬芯能被LED的光激發(fā)產(chǎn)生離子共振為準(zhǔn)。
[0049]參照?qǐng)D2E，執(zhí)行步驟S05，在所述開口中形成第二電介質(zhì)層108，所述第一電介質(zhì)層107和第二電介質(zhì)層108形成電介質(zhì)外殼。同樣可以使用PECVD或e_beam蒸鍍方式來形成所述第二電介質(zhì)層108，優(yōu)選的，所述第二電介質(zhì)層的材質(zhì)與所述第一電介質(zhì)層的材質(zhì)相同，為SiO2或Si3N4。然后進(jìn)行后續(xù)公知的步驟完成LED的制造。
[0050]本實(shí)施例的步驟只描述了制造LED芯片過程中與本發(fā)明相關(guān)部分的步驟，對(duì)于本發(fā)明沒有做出改進(jìn)的公知部分并沒有做相關(guān)描述，但并不意味著形成LED過程中不包括這些步驟，比如形成緩沖層的步驟、形成電極的步驟等，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)公知常識(shí)將這些步驟添加到相應(yīng)的步驟中去。
[0051]本發(fā)明的另一面，還提供一種LED芯片，可以利用上述方法來制造。
[0052]請(qǐng)參考圖2E，所述LED芯片包括:包括襯底101、N型GaN層102、有源層103和P型GaN層104，在所述P型GaN層104中形成有金屬納米陣列，所述金屬納米陣列包括金屬芯107和電介質(zhì)外殼。
[0053]優(yōu)選的，為提高LED芯片的光析出率，襯底101優(yōu)選為經(jīng)過圖形化處理的襯底，例如是經(jīng)過圖形化處理的藍(lán)寶石襯底，即，襯底101與N型GaN層102相接觸的表面使經(jīng)過圖形化處理的，具有突起的表面，所述突起例如是半圓柱形突起、錐形突起等。
[0054]優(yōu)選的,所述金屬芯107材質(zhì)為Au、Ag、Cr或Cu,所述電介質(zhì)外殼(由第一電介質(zhì)層106和第二電介質(zhì)層108組成，包裹所述金屬芯107)材質(zhì)為Si02或Si3N4。
[0055]采用本實(shí)施例提供的結(jié)構(gòu)，當(dāng)有源層103發(fā)出的光到達(dá)金屬納米陣列時(shí)，金屬芯107的中的自由電子受光(電磁波)的電場(chǎng)的影響發(fā)生離子共振，產(chǎn)生與光頻率一致的激發(fā)電場(chǎng)，其與有源層中發(fā)出的光發(fā)生耦合并發(fā)生諧振，g卩，光被金屬納米陣列的等離子體受激輻射所放大。其機(jī)理也可解釋為，金屬納米陣列受到有源層的發(fā)出的光的激發(fā)，為有源層提供了額外的量子阱局域態(tài)，因此減少了電子通過缺陷能級(jí)與空穴發(fā)生無輻射復(fù)合的概率，從而提高了內(nèi)量子效應(yīng)。
[0056]其中，金屬納米陣列與有源層103的間距為5nm-50nm，所述間距越小，金屬納米陣列與有源層之間的間距越小，提升內(nèi)量子效應(yīng)的效果越好。此外，所述金屬納米陣列的排布可以根據(jù)具體需求做出改變，例如本實(shí)施例中，所述金屬納米陣列為均勻分布在P型GaN層中的長(zhǎng)條狀列陣。其也可以是均勻分布在P型GaN層中的多行長(zhǎng)方體陣列或均勻分布在P型GaN層中的多行圓柱體陣列，可選的，所述金屬納米陣列相鄰的兩行之間相互錯(cuò)開。
[0057]其中，電介質(zhì)外殼一方面將金屬芯107和P型GaN層104隔開,另一方面在LED工藝過程中的一些高溫步驟中，電介質(zhì)外殼可以保護(hù)金屬芯107不會(huì)熔化變形或擴(kuò)散到其他層中去。金屬芯的尺寸和材質(zhì)根據(jù)有源層發(fā)光的波長(zhǎng)來決定，即，在LED類型已定的情況下，金屬芯的尺寸和材質(zhì)決定了諧振的效果。同時(shí)，有源層發(fā)出的光在可以在金屬納米陣列上發(fā)生散射，減小光在射出面發(fā)生全反射的比率，從而提高光析出率。
[0058]同樣的，本實(shí)施例只描述了對(duì)LED芯片中與本發(fā)明相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)，對(duì)于本發(fā)明沒有做出改進(jìn)的公知部分，比如緩沖層、電流擴(kuò)展層、電極層等并沒有做相關(guān)描述和圖示，但并不意味著本發(fā)明的LED結(jié)構(gòu)中不包括這些結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)公知常識(shí)將這些結(jié)構(gòu)添加到LED芯片相應(yīng)的結(jié)構(gòu)中去。
[0059]綜上所述，本發(fā)明所提供一種LED芯片的結(jié)構(gòu)及其制造方法，在所述P型GaN層中形成了金屬納米陣列，所述金屬納米陣列包括金屬芯和電介質(zhì)外殼，所述金屬納米陣列能和有源層的光發(fā)生離子共振，從而提高LED的內(nèi)量子效率，此外，有源層發(fā)出的光可以在金屬納米陣列上發(fā)生散射，提高光析出率，最終而提高LED的發(fā)光效率。
[0060]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種的LED芯片的制造方法，包括: 提供襯底，依次在所述襯底上形成N型GaN層、有源層和P型GaN層； 亥IJ蝕所述P型GaN層，形成陣列排布的開口 ； 在所述開口的底部和側(cè)壁形成第一電介質(zhì)層； 在所述開口填充金屬，形成金屬芯； 在所述開口中形成第二電介質(zhì)層，所述第一電介質(zhì)層和第二電介質(zhì)層形成電介質(zhì)外殼。
2.如權(quán)利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于:所述開口的底部與與有源層的間距為5nm_50nm。
3.如權(quán)利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于:所述陣列排布的開口為均勻分布在P型GaN層中的長(zhǎng)條狀開口。
4.如權(quán)利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于:所述陣列排布的開口為均勻分布在P型GaN層中的多行長(zhǎng)方形開口。
5.如權(quán)利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于:所述陣列排布的開口為均勻分布在P型GaN層中的多行圓形開口。
6.如權(quán)利要求4或5所述的LED芯片的制造方法，其特征在于:所述陣列排布的開口相鄰的兩行之間相互錯(cuò)開。
7.如權(quán)利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于:所述金屬芯材質(zhì)為Ag、Au、Cr 或 Cu。
8.如權(quán)利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于:所述電介質(zhì)外殼材質(zhì)為SiO2, Si3N4。
9.如權(quán)利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于:所述第一電介質(zhì)層的厚度為 2nm_10nmo
10.如權(quán)利要求1所述的LED芯片的制造方法，其特征在于:所述襯底是經(jīng)過圖形化處理的藍(lán)寶石襯底。
11.一種利用權(quán)利要求1-10中任意一項(xiàng)所述的LED芯片的制造方法制造的LED芯片，包括襯底以及依次于所述襯底上的N型GaN層、有源層和P型GaN層，其特征在于:在所述P型GaN層中形成有金屬納米陣列，所述金屬納米陣列包括金屬芯和電介質(zhì)外殼。
【文檔編號(hào)】H01L33/10GK103824907SQ201410088313
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】畢少強(qiáng) 申請(qǐng)人:映瑞光電科技(上海)有限公司