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一種高出光效率的LED晶片及其制造方法

閱讀：58發(fā)布：2023-03-09

專利匯可以提供一種高出光效率的LED晶片及其制造方法專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 公開了一種高出光效率的LED晶片及其制造方法，包括襯底，形成于襯底 正面 的 半導(dǎo)體 層，所述半導(dǎo)體層包括依次形成于襯底正面的N型半導(dǎo)體層、 發(fā)光層 以及P型半導(dǎo)體層，其特征在于，所述襯底為倒梯臺形狀，倒梯臺襯底的側(cè)邊與垂直方向形成的夾 角 為30～45°；所述半導(dǎo)體層為倒梯臺形狀，倒梯臺半導(dǎo)體層的側(cè)邊與襯底正面形成的夾角為50～70°，所述半導(dǎo)體層的底部表面積比所述襯底正面的表面積小。這樣設(shè)置可以增大LED晶片的出光面積，減少光在LED晶片內(nèi)發(fā)生全反射，提高LED晶片的出光效率，將光最大可能地從LED晶片內(nèi)導(dǎo)出，同時也大大提高了LED晶片的使用壽命。，下面是一種高出光效率的LED晶片及其制造方法專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種高出光效率的LED晶片，包括襯底，形成于襯底正面的半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層包括依次形成于襯底正面的N型半導(dǎo)體層、發(fā)光層以及P型半導(dǎo)體層，其特征在于：所述襯底為倒梯臺形狀，倒梯臺襯底的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角為30～45°；所述半導(dǎo)體層為倒梯臺形狀，倒梯臺半導(dǎo)體層的側(cè)邊與襯底正面形成的夾角為50～70°，所述半導(dǎo)體層的底部表面積比所述襯底正面的表面積小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高出光效率的LED晶片，其特征在于：所述倒梯臺襯底的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角為38°；倒梯臺半導(dǎo)體層的側(cè)邊與襯底正面形成的夾角為60°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述高出光效率的LED晶片，其特征在于：所述襯底與N型半導(dǎo)體層之間還設(shè)置有一層緩沖層，所述緩沖層與所述N型半導(dǎo)體層形成倒梯臺形狀，緩沖層的底部表面積比所述襯底正面的表面積小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述高出光效率的LED晶片，其特征在于：所述倒梯臺襯底的背面及側(cè)面設(shè)置有反射層。
5.一種高出光效率的LED晶片制造方法，其特征在于，包括以下步驟：
(a)通過金屬有機化學(xué)氣相沉積或分子束外延技術(shù)在襯底上生長出半導(dǎo)體層形成外延片，所述半導(dǎo)體層為依次在襯底上生長的N型半導(dǎo)體層、發(fā)光層及P型半導(dǎo)體層；
(b)在外延片的表面沉積SiO2保護層，通過圖形曝光半導(dǎo)體平面工藝，使用電感耦合等離子體刻蝕半導(dǎo)體層，使半導(dǎo)體層形成凹形臺面及切割道，部分N型半導(dǎo)體層外露凹形臺面，利用激光或鉆石刀在外延片的正面沿切割道切割，在外延片的正面形成X軸切割槽和Y軸切割槽，所述X軸切割槽和Y軸切割槽的深度為5～40μm，將外延片浸泡SiO2腐蝕溶液里，去除SiO2保護層；
(c)將外延片的背面研磨、精拋光，使襯底的厚度為80～200μm；
(d)利用相互成夾角的雙束激光頭，雙束激光頭的激光束形成交叉點，在襯底上切出V型槽，所述V型槽的位置與步驟(b)X軸切割槽和Y軸切割槽的位置對應(yīng)，所述V型槽的夾角為60～90°，V型槽的深度為20～80μm，V型槽的開口寬度為30～500μm；
(e)采用藍膜將步驟(d)切割的碎屑粘走，用水沖洗外延片，去除殘留碎屑；
(f)將外延片浸泡在酸性混合溶液里，將步驟(b)X軸切割槽和Y軸切割槽兩側(cè)形成的半導(dǎo)體層吸光物質(zhì)及步驟(d)切割V型槽時兩側(cè)碳化的襯底吸光物質(zhì)蝕刻去除，使襯底為倒梯臺形狀，倒梯臺襯底的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角為30～45°，半導(dǎo)體層呈倒梯臺形狀，倒梯臺半導(dǎo)體層的側(cè)邊與襯底正面形成的夾角為50～70°，所述半導(dǎo)體層的底部表面積比所述襯底正面的表面積小；
(g)在所述凹形臺面制作N電極，在P型半導(dǎo)體層的表面制作P電極；
(h)裂片、點測分選。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的LED晶片制造方法，其特征在于：步驟(f)所述酸性混合溶液為H2SO4和H3PO4的混合物，所述H2SO4與H3PO4在同一濃度時的體積比為(2～5)∶1，浸泡時所述混合物的溫度為200～300℃，浸泡時間為5～30分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的LED晶片制造方法，其特征在于：步驟(f)所述倒梯臺襯底的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角為38°；所述倒梯臺半導(dǎo)體層的側(cè)邊與襯底正面形成的夾角為60°。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的LED晶片制造方法，其特征在于：步驟(f)在所述倒梯臺襯底的底部及側(cè)面形成有反射層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的LED晶片制造方法，其特征在于：所述反射層為氧化物反射層或/和金屬反射層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的LED晶片制造方法，其特征在于：所述氧化物為SiO2或TiO2，所述金屬為Au或Al或Ag。

說明書全文

一種高出光效率的LED晶片及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】

[0001] 本發(fā)明涉及一種LED晶片，尤其是涉及一種高出光效率的LED晶片及其制造方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002] 發(fā)光二極管具有體積小、效率高和壽命長等優(yōu)點，在交通指示、戶外全色顯示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。尤其是利用大功率發(fā)光二極管可能實現(xiàn)半導(dǎo)體固態(tài)照明，引起人類照明史的革命，從而逐漸成為目前電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。
[0003] 為了獲得高亮度的LED關(guān)鍵要提高器件的內(nèi)部量子效率和外量子效率。目前晶片光提取效率是限制器件外部量子效率的主要因素，主要原因是襯底的材料、外延材料以及空氣之間的折射率差別較大，導(dǎo)致有源區(qū)產(chǎn)生的光在不同折射率材料界面發(fā)生全反射而不能導(dǎo)出晶片。常規(guī)晶片的外形為立方體，兩對側(cè)面相互平行，這樣有部分光在兩個端面來回反射，直到完全被晶片所吸收，轉(zhuǎn)化為熱能，降低了晶片的出光效率。1993年，M.R.Krames等用磨成角度切割刀將四元LED晶片切割成倒梯臺形狀。晶片的四個側(cè)面不再是相互平行，可以使得射到晶片側(cè)面的光經(jīng)側(cè)面的反射到頂面，以小于臨界角的角度射出；現(xiàn)有的幾種提高晶片光提取效率的方法主要有改變晶片的幾何外形，減少光在晶片內(nèi)部的傳播路程，降低光的吸收損耗，如上述采用倒梯臺結(jié)構(gòu)，控制和改變自發(fā)輻射，通常采用諧振腔或光子晶體等結(jié)構(gòu)；采用表面粗糙方法，使光在粗糙的半導(dǎo)體和空氣界面發(fā)生漫射，增加其透射的機會；此外還有利用倒裝焊技術(shù)。但上述制造工藝相對比較復(fù)雜，且制作成本也比較高，不適應(yīng)于目前大批量工業(yè)化生產(chǎn)的要求。【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高出光效率的LED晶片，該LED晶片具有出光效率高及使用壽命長的特點。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高出光效率的LED晶片，包括襯底，形成于襯底正面的半導(dǎo)體層，所述半導(dǎo)體層包括依次形成于襯底正面的N型半導(dǎo)體層、發(fā)光層以及P型半導(dǎo)體層，其特征在于：所述襯底為倒梯臺形狀，倒梯臺襯底的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角為30～45°；所述半導(dǎo)體層為倒梯臺形狀，倒梯臺半導(dǎo)體層的側(cè)邊與襯底正面形成的夾角為50～70°，所述半導(dǎo)體層的底部表面積比所述襯底正面的表面積小。
[0006] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：由于本發(fā)明將襯底設(shè)置成倒梯臺形狀，并將半導(dǎo)體層設(shè)置成倒梯臺形狀，半導(dǎo)體層的底部表面積比襯底正面的表面積小，這樣設(shè)置可以增大半導(dǎo)體層的側(cè)面發(fā)光面積，而襯底正面的表面積比半導(dǎo)體層的底部表面積大，半導(dǎo)體層側(cè)面發(fā)出的光可以通過襯底正面將光反射出去，這樣可以減少光損耗及避免光在半導(dǎo)體層內(nèi)發(fā)生全反射，提高LED晶片的出光效率；將襯底設(shè)置成倒梯臺形狀，這樣設(shè)置可以增大襯底的側(cè)面發(fā)光面積，半導(dǎo)體層底部發(fā)出的光可以通過倒梯臺襯底改變光線的出光角度，減少光損耗及避免光在襯底內(nèi)發(fā)生全反射，進一步提高LED晶片的出光效率，將光線最大可能地從LED晶片內(nèi)導(dǎo)出，避免光能轉(zhuǎn)化為熱能，大大提高了LED晶片的使用壽命。
[0007] 優(yōu)先地，所述倒梯臺襯底的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角為38°；所述倒梯臺半導(dǎo)體層的側(cè)邊與襯底正面形成的夾角為60°。這種結(jié)構(gòu)是光在LED晶片內(nèi)導(dǎo)出的最佳角度，可以大大提高LED晶片的出光效率及延長LED晶片的使用壽命。
[0008] 優(yōu)先地，所述襯底與N型半導(dǎo)體層之間還設(shè)置有一層緩沖層，所述緩沖層與所述N型半導(dǎo)體層形成倒梯臺形狀，緩沖層的底部表面積比所述襯底正面的表面積小。這種結(jié)構(gòu)的目的是為了使半導(dǎo)體層與襯底之間結(jié)合更好，同時也是為了提高LED晶片的出光效率、良率以及延長LED晶片的使用壽命。
[0009] 優(yōu)先地，所述倒梯臺襯底的背面及側(cè)面設(shè)置有反射層。這種結(jié)構(gòu)是為了使光從LED晶片的上表面出去，避免光從襯底的底部及側(cè)邊導(dǎo)出，減少光損耗，使LED晶片出來的光更集中。
[0010] 本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是提供一種高出光效率的LED晶片制造方法，該方法制造LED晶片具有出光效率高及使用壽命長的特點。
[0011] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高出光效率的LED晶片制造方法，具體步驟包括(a)通過金屬有機化學(xué)氣相沉積或分子束外延技術(shù)在襯底上生長出半導(dǎo)體層形成外延片，所述半導(dǎo)體層為依次在襯底上生長的N型半導(dǎo)體層、發(fā)光層及P型半導(dǎo)體層；(b)在外延片的表面沉積SiO2保護層，通過圖形曝光半導(dǎo)體平面工藝，使用電感耦合等離子體刻蝕半導(dǎo)體層，使半導(dǎo)體層形成凹形臺面及切割道，部分N型半導(dǎo)體層外露凹形臺面，利用激光或鉆石刀在外延片的正面沿切割道切割，在外延片的正面形成X軸切割槽和Y軸切割槽，所述X軸切割槽和Y軸切割槽的深度為5～40μm，將外延片浸泡SiO2腐蝕溶液里，去除SiO2保護層；(c)將外延片的背面研磨、精拋光，使襯底的厚度為80～200μm；(d)利用相互成夾角的雙束激光頭，雙束激光頭的激光束形成交叉點，在襯底上切出V型槽，所述V型槽的位置與步驟(b)X軸切割槽和Y軸切割槽的位置對應(yīng)，所述V型槽的夾角為60～90°，V型槽的深度為20～80μm，V型槽的開口寬度為30～500μm；(e)采用藍膜將步驟(d)切割的碎屑粘走，用水沖洗外延片，去除殘留碎屑；(f)將外延片浸泡在酸性混合溶液里，將步驟(b)X軸切割槽和Y軸切割槽兩側(cè)形成的半導(dǎo)體層吸光物質(zhì)及步驟(d)切割V型槽時兩側(cè)碳化的襯底吸光物質(zhì)蝕刻去除，使襯底為倒梯臺形狀，倒梯臺襯底的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角為30～45°，半導(dǎo)體層呈倒梯臺形，倒梯臺半導(dǎo)體層的側(cè)邊與襯底正面形成的夾角為50～70°，所述半導(dǎo)體層的底部表面積比所述襯底正面的表面積?。?g)在所述凹形臺面制作N電極，在P型半導(dǎo)體層的表面制作P電極；(h)裂片、點測分選。
[0012] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：由于本方法將襯底制作成倒梯臺形狀，并將半導(dǎo)體層制作成倒梯臺形狀，其中半導(dǎo)體層的底部表面積比襯底正面的表面積小，這樣設(shè)置可以增大半導(dǎo)體層的側(cè)面發(fā)光面積，而襯底正面的表面積比半導(dǎo)體層的底部表面積大，半導(dǎo)體層側(cè)面發(fā)出的光可以通過襯底正面將光反射出去，這樣可以減少光損耗及避免光在半導(dǎo)體層內(nèi)發(fā)生全反射，提高LED晶片的出光效率；將襯底設(shè)置成倒梯臺形狀，這樣設(shè)置可以增大襯底的側(cè)面發(fā)光面積，半導(dǎo)體層底部發(fā)出的光可以通過倒梯臺襯底改變光線的出光角度，減少光損耗及避免光在襯底內(nèi)發(fā)生全反射，提高LED晶片的出光效率，將光線最大可能地從LED晶片內(nèi)導(dǎo)出，避免光能轉(zhuǎn)化為熱能，大大提高了LED晶片的使用壽命。采用本發(fā)明制造方法還具有成本低、效率高及適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點。【附圖說明】
[0013] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0014] 圖1為本發(fā)明LED晶片切割前外延片的局部放大平面圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明在外延片上的切割示意圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明采用藍膜去屑的示意圖。
[0017] 圖4為本發(fā)明單顆LED晶片切割后的側(cè)視圖。
[0018] 圖5為圖4所示LED晶片浸泡酸性混合溶液后的側(cè)視圖。
[0019] 附圖標號說明：
[0020] 1-凹形臺面 2-P型半導(dǎo)體層 3-X軸切割槽
[0021] 4-Y軸切割槽 5-發(fā)光層 6-N型半導(dǎo)體層
[0022] 7-緩沖層 8-襯底 10a-激光頭
[0023] 10b-激光頭 11a-光束 11b-光束
[0024] 12-襯底吸光物質(zhì) 13-外延片 14-激光束交叉點[0025] 15-碎屑 15a-V型槽 16-藍膜
[0026] 17-倒梯臺半導(dǎo)體層 18-半導(dǎo)體層吸光物質(zhì) 20-半導(dǎo)體層
[0027] 22-外延片 23-倒梯臺襯底 25-反射層
[0028] 30-LED晶片【具體實施方式】
[0029] 參照附圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所述，本發(fā)明提供一種高出光效率的LED晶片30，包括襯底8，形成于襯底8正面的半導(dǎo)體層20，所述半導(dǎo)體層20包括依次形成于襯底8正面的N型半導(dǎo)體層6、發(fā)光層5以及P型半導(dǎo)體層2，所述襯底8為倒梯臺形狀，倒梯臺襯底23的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角θ為30～45°，即倒梯臺襯底23的側(cè)邊與水平面形成的夾角β為45～60°，所述半導(dǎo)體層20設(shè)置為倒梯臺形狀，倒梯臺半導(dǎo)體層17的側(cè)邊與襯底8正面形成的夾角α為50～70°，按該角度范圍設(shè)置可以更大可能地將光從LED晶片30內(nèi)導(dǎo)出；所述半導(dǎo)體層的底部表面積比所述襯底正面的表面積小。最好是倒梯臺襯底
23的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角θ為38°，即倒梯臺襯底23的側(cè)邊與水平面形成的夾角β為52°，倒梯臺半導(dǎo)體層17的側(cè)邊與襯底8正面形成的夾角α為60°。為了使半導(dǎo)體層20與襯底8之間結(jié)合更好，提高LED 晶片30的良率及延長LED晶片30的使用壽命，在襯底8與N型半導(dǎo)體層6之間還設(shè)置有一層緩沖層7，緩沖層7與N型半導(dǎo)體層6形成倒梯臺形狀，緩沖層7的底部表面積比襯底8正面的表面積小。為了使光從LED晶片30的上表面出去，避免光從襯底8的底部及側(cè)邊導(dǎo)出，減少光損耗，使LED晶片30出來的光更集中，在倒梯臺襯底23的背面及側(cè)面設(shè)置有反射層25，所述反射層25為氧化物反射層、金屬反射層或者氧化物反射層和金屬反射層的混合，所述氧化物一般采用SiO2或TiO2。所述襯底8可以采用藍寶石襯底或者碳化硅襯底。
[0030] 參照附圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所述，本發(fā)明還提供一種高出光效率的LED晶片30制造方法，首先，通過金屬有機化學(xué)氣相沉積或分子束外延技術(shù)在襯底8上生長出半導(dǎo)體層20形成外延片13，半導(dǎo)體層20為依次在襯底8上生長的N型半導(dǎo)體層6、發(fā)光層5及P型半導(dǎo)體層2；接下來在外延片13的表面沉積SiO2保護層，通過圖形曝光半導(dǎo)體平面工藝，使用電感耦合等離子體刻蝕半導(dǎo)體層20，使半導(dǎo)體層20形成凹形臺面1及切割道，部分N型半導(dǎo)體層6外露凹形臺面1，利用激光或鉆石刀在外延片13的正面沿切割道切割，在外延片13的正面形成X軸切割槽3和Y軸切割槽4，所述X軸切割槽3和Y軸切割槽4的深度為5～40μm，將外延片13浸泡SiO2腐蝕溶液里，去除SiO2保護層；接下來將外延片13的背面研磨、精拋光，使襯底8的厚度為80～200μm，最佳厚度為120～150μm，該厚度方便切割，同時也防止LED晶片30內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷；接下來利用相互成夾角的雙束激光頭10a、10b，雙束激光頭10a、10b對應(yīng)的激光束11a、11b形成交叉點14，在襯底8上切出V型槽15a，所述V型槽15a的位置與X軸切割槽3和Y軸切割槽4的位置對應(yīng)，V型槽15a的夾角2θ為60～90°，V型槽15a的深度為20～80μm，V型槽15a的開口寬度為30～
500μm；接下來采用藍膜16將雙束激光頭10a、10b切割的襯底8碎屑15粘走，用水沖洗外延片13，去除殘留碎屑15；接下來將外延片13浸泡在酸性混合溶液里，將X軸切割槽3和Y軸切割槽4兩側(cè)形成的半導(dǎo)體層吸光物質(zhì)18及切割V型槽時兩側(cè)碳化的襯底吸光物質(zhì)12蝕刻去除，使襯底8為倒梯臺形狀，倒梯臺襯底23的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角θ為30～
45°，即倒梯臺23的側(cè)邊與水平面形成的夾角β為45～60°，半導(dǎo)體層20呈倒梯臺形狀，倒梯臺半導(dǎo)體層17的側(cè)邊與襯底8正面形成的夾角α為50～70°，所述半導(dǎo)體層20的底部表面積比所述襯底8正面的表面積小。最好是倒梯臺襯底23的側(cè)邊與垂直方向形成的夾角θ為38°，即倒梯臺襯底23的側(cè)邊與水平面形成的夾角β為52°，倒梯臺半導(dǎo)體層17的側(cè)邊與襯底8正面形成的最佳夾角為60°。為了使半導(dǎo)體層20與襯底8之間結(jié)合更好，提高LED晶片30的良率及延長LED晶片30的使用壽命，在襯底8與N型半導(dǎo)體層
6之間還設(shè)置有一層緩沖層7，緩沖層7與N型半導(dǎo)體層6形成倒梯臺形狀，緩沖層7的底部表面積比襯底8正面的表面積小。所述酸性混合溶液為H2SO4和H3PO4的混合物，H2SO4與H3PO4在同一濃度時的體積比為(2～5)∶1，浸泡時所述混合物的溫度為200～300℃，浸泡時間為5～30分鐘；接下來在凹形臺面1制作N電極，在P型半導(dǎo)體層2表面制作P電極；最后采用裂片機對外延片13進行裂片以及點測分選，完成高出光效率的LED晶片30制作過程。為了使光從LED晶片30的上表面出去，避免光從襯底8的底部及側(cè)邊導(dǎo)出，減少光損耗，使LED晶片30出來的光更集中，在倒梯臺襯底23背面及側(cè)面通過蒸鍍或者其它方法形成一層反射層25，所述反射層25為氧化物反射層、金屬反射層或者氧化物反射層和金屬反射層的混合，所述氧化物一般采用SiO2或TiO2，所述金屬為Au或Al或Ag。所述襯底
8可以采用藍寶石襯底或者碳化硅襯底。
[0031] 由于本發(fā)明將襯底8設(shè)置成倒梯臺形狀，并將半導(dǎo)體層20設(shè)置成倒梯臺形狀，半導(dǎo)體層20的底部表面積比襯底8正面的表面積小，這樣設(shè)置可以增大半導(dǎo)體層20的側(cè)面發(fā)光面積，而襯底8正面的表面積比半導(dǎo)體層20的底部表面積大，半導(dǎo)體層20側(cè)面發(fā)出的光可以通過襯底8正面將光反射出去，這樣可以減少光損耗及避免光在半導(dǎo)體層20內(nèi)發(fā)生全反射，提高LED晶片30的出光效率；將襯底設(shè)置成倒梯臺形狀，這樣設(shè)置可以增大襯底的側(cè)面發(fā)光面積，半導(dǎo)體層20底部發(fā)出的光可以通過倒梯臺襯底23改變光線的出光角度，減少光損耗及避免光在襯底8內(nèi)發(fā)生全反射，提高LED晶片30的出光效率，將光線最大可能地從LED晶片30內(nèi)導(dǎo)出，避免光能轉(zhuǎn)化為熱能，大大提高了LED晶片30的使用壽命。采用本發(fā)明制造方法還具有成本低、效率高及適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
[0032] 以上所述均以方便說明本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)作的精神范疇內(nèi)，熟悉此技術(shù)的本領(lǐng)域的技術(shù)人員所做的各種簡單的變相與修飾仍屬于本發(fā)明的保護范圍。
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