本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法。

背景技術(shù)：

作為新一代環(huán)保型固態(tài)光源，發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，簡稱LED)具有壽命長、可靠性高、體積小、功耗低、響應(yīng)速度快、易于調(diào)制和集成等優(yōu)點(diǎn)，在信息顯示、圖像處理、照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Ⅲ族氮化物基LED的發(fā)光波長涵蓋了整個可見光波段，已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

LED包括襯底、以及依次層疊在襯底上的n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層、有源層、p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層、透明導(dǎo)電層，p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上設(shè)有延伸至n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層的凹槽，第一電極設(shè)置在n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上，第二電極設(shè)置透明導(dǎo)電層上。在第二電極和第一電極通電的情況下，n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層中的電子、p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層中的空穴注入有源層復(fù)合發(fā)光。

在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題：

由于存在各種光學(xué)損耗，如全反射，使得LED芯片內(nèi)部產(chǎn)生的部分光無法出射，導(dǎo)致顯著的光學(xué)損耗，嚴(yán)重影響了LED芯片的光電轉(zhuǎn)換效率，LED芯片的外量子效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管芯片及其制造方法。所述技術(shù)方案如下：

一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管芯片，所述發(fā)光二極管芯片包括襯底、以及依次層疊在所述襯底上的n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層、有源層、p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層、電流擴(kuò)展層、絕緣鈍化層，所述p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上設(shè)有延伸至所述n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層的凹槽，第一電極設(shè)置在所述n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上，第二電極設(shè)置在所述電流擴(kuò)展層上，所述發(fā)光二極管芯片還包括設(shè)置在所述襯底和所述n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層之間的光提取增強(qiáng)層，所述光提取增強(qiáng)層包括呈陣列分布的多個曲面結(jié)構(gòu)，所述曲面結(jié)構(gòu)與所述襯底一起形成中空結(jié)構(gòu)，所述襯底、所述曲面結(jié)構(gòu)、以及所述中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的物質(zhì)均是透明的。

可選地，所述中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的物質(zhì)為空氣。

可選地，所述曲面結(jié)構(gòu)采用的材料為Al₂O₃或者AlN。

可選地，所述襯底為Al₂O₃晶體。

在本發(fā)明一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述電流擴(kuò)展層為金屬反射層。

在本發(fā)明另一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述電流擴(kuò)展層為透明導(dǎo)電層，所述襯底上還設(shè)有反射層，所述反射層和所述曲面結(jié)構(gòu)分別設(shè)置在所述襯底的兩側(cè)。

另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管芯片的制造方法，所述制造方法包括：

在襯底上形成光提取增強(qiáng)層，所述光提取增強(qiáng)層包括呈陣列分布的多個曲面結(jié)構(gòu)，所述曲面結(jié)構(gòu)與所述襯底一起形成中空結(jié)構(gòu)，所述襯底、所述曲面結(jié)構(gòu)、以及所述中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的物質(zhì)均是透明的；

在所述襯底和所述光提取增強(qiáng)層上依次生長n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層、有源層、p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層；

在所述p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上開設(shè)延伸至所述n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層的凹槽；

在所述p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上依次形成電流擴(kuò)展層和絕緣鈍化層；

在所述電流擴(kuò)展層上設(shè)置第二電極，在所述n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上設(shè)置第一電極。

可選地，所述在襯底上形成光提取增強(qiáng)層，包括：

在所述襯底上鋪上一層光刻膠；

采用光刻技術(shù)去除部分的所述光刻膠，留下呈陣列分布的多個圓柱狀的所述光刻膠；

通過加熱將圓柱狀的所述光刻膠變成曲面狀的所述光刻膠；

在曲面狀的所述光刻膠上沉積所述光提取增強(qiáng)層；

進(jìn)行退火處理，退火使用的氣氛擴(kuò)散到所述光提取增強(qiáng)層內(nèi)與曲面狀的所述光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成透明氣體，所述透明氣體擴(kuò)散到所述光提取增強(qiáng)層外，形成所述中空結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述電流擴(kuò)展層為金屬反射層。

在本發(fā)明另一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述電流擴(kuò)展層為透明導(dǎo)電層，所述制造方法還包括：

在所述襯底上形成反射層，所述反射層和所述曲面結(jié)構(gòu)分別設(shè)置在所述襯底的兩側(cè)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：

通過在襯底和n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層之間設(shè)置光提取增強(qiáng)層，光提取增強(qiáng)層包括呈陣列分布的多個曲面結(jié)構(gòu)，曲面結(jié)構(gòu)與襯底一起形成中空結(jié)構(gòu)，襯底、曲面結(jié)構(gòu)、以及中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的物質(zhì)均是透明的，曲面結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)改變了光線的入射角，使得更多光線的入射角沒有超過全反射的臨界角而從LED芯片內(nèi)部射出，與圖形化襯底相比，設(shè)有曲面結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)的襯底具有強(qiáng)衍射、高折射率對比的特點(diǎn)，可以大幅增加了LED芯片的出光量，提高了LED芯片的外量子效率。而且曲面結(jié)構(gòu)呈陣列排列，可以有效減少外延材料的位錯和缺陷。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種發(fā)光二極管芯片的制造方法的流程圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例二提供的形成光提取增強(qiáng)層的流程圖；

圖4a-圖4f是本發(fā)明實(shí)施例二提供的發(fā)光二極管芯片在制造過程中的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例一

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管芯片，適用于顯示屏、背光源、白光照明等，參見圖1，該發(fā)光二極管芯片包括襯底1、以及依次層疊在襯底1上的n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層2、有源層3、p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層4、電流擴(kuò)展層5、絕緣鈍化層6，p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層4上設(shè)有延伸至n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層2的凹槽，第一電極7設(shè)置在n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層2上，第二電極8設(shè)置在透明導(dǎo)電層5上。

在本實(shí)施例中，該發(fā)光二極管芯片還包括設(shè)置在襯底1和n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層2之間的光提取增強(qiáng)層，光提取增強(qiáng)層包括呈陣列分布的多個曲面結(jié)構(gòu)91，曲面結(jié)構(gòu)91與襯底1一起形成中空結(jié)構(gòu)92，襯底1、曲面結(jié)構(gòu)91、以及中空結(jié)構(gòu)92內(nèi)的物質(zhì)均是透明的。

具體地，第一電極7與n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層2電連接，第二電極8與電流擴(kuò)展層6電連接。n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層2用于向有源層3注入電子，p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層4用于向有源層3注入空穴。

可選地，中空結(jié)構(gòu)92內(nèi)的物質(zhì)可以為空氣。

可選地，曲面結(jié)構(gòu)91采用的材料可以為Al₂O₃或者AlN。

可選地，襯底1可以為Al₂O₃晶體。

在本實(shí)施例的一種實(shí)現(xiàn)方式中，電流擴(kuò)展層5可以為金屬反射層。

在上述實(shí)現(xiàn)方式中，金屬反射層用于將有源層3發(fā)出的光向襯底1方向反射。第一電極7和第二電極8焊接在散熱基板上。

具體地，金屬反射層可以為Al層、Ag層、交替層疊的Al層和Ag層中的任一種，具有高反射率，有利于將有源層發(fā)出的光線反射到襯底射出。

在本實(shí)施例的另一種實(shí)現(xiàn)方式中，電流擴(kuò)展層5可以為透明導(dǎo)電層，此時襯底1上還設(shè)有反射層(圖中未示出)，反射層和曲面結(jié)構(gòu)71分別設(shè)置在襯底1的兩側(cè)。

在上述實(shí)現(xiàn)方式中，反射層用于將有源層3發(fā)出的光向電流擴(kuò)展層5方向反射。反射層中與連接襯底1的表面相反的表面焊接在散熱基板上。

具體地，反射層可以為金屬反射層。

具體地，透明導(dǎo)電層可以為氧化銦錫(英文：Indium tin oxide，簡稱ITO)、摻鎵的氧化鋅(英文：Gallium doped Zinc Oxide，簡稱GZO)、摻鋁的氧化鋅(英文：Aluminum Zinc Oxide，簡稱AZO)、石墨烯中的任一種，具有高透光率和高導(dǎo)電性，有利于提高發(fā)光二極管的發(fā)光亮度。

可選地，n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層2可以為摻雜有n型摻雜劑的GaN層，或者不摻雜的GaN層。

可選地，有源層3可以包括N層量子阱層和N+1層量子壘層，量子阱層和量子壘層交替層疊，N為正整數(shù)。

可選地，p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層4可以為摻雜有p型摻雜劑的GaN層，或者不摻雜的GaN層。

可選地，絕緣鈍化層6可以為二氧化硅。

可選地，第一電極7的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一種或多種，第二電極8的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一種或多種。

本發(fā)明實(shí)施例通過在襯底和n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層之間設(shè)置光提取增強(qiáng)層，光提取增強(qiáng)層包括呈陣列分布的多個曲面結(jié)構(gòu)，曲面結(jié)構(gòu)與襯底一起形成中空結(jié)構(gòu)，襯底、曲面結(jié)構(gòu)、以及中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的物質(zhì)均是透明的，曲面結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)改變了光線的入射角，使得更多光線的入射角沒有超過全反射的臨界角而從LED芯片內(nèi)部射出，與圖形化襯底相比，設(shè)有曲面結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)的襯底具有強(qiáng)衍射、高折射率對比的特點(diǎn)，可以大幅增加了LED芯片的出光量，提高了LED芯片的外量子效率。而且曲面結(jié)構(gòu)呈陣列排列，可以有效減少外延材料的位錯和缺陷。

實(shí)施例二

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管芯片的制造方法，適用于制造實(shí)施例一提供的發(fā)光二極管芯片，參見圖2，該制造方法包括：

步驟201：在襯底上形成光提取增強(qiáng)層。

在本實(shí)施例中，光提取增強(qiáng)層包括呈陣列分布的多個曲面結(jié)構(gòu)，曲面結(jié)構(gòu)與襯底一起形成中空結(jié)構(gòu)，襯底、曲面結(jié)構(gòu)、以及中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的物質(zhì)均是透明的。

可選地，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的物質(zhì)可以為空氣。

可選地，曲面結(jié)構(gòu)采用的材料可以為Al₂O₃或者AlN。

可選地，襯底可以為Al₂O₃晶體。

可選地，參見圖3，該步驟201可以包括：

步驟201a、在襯底上鋪上一層光刻膠；

步驟201b、采用光刻技術(shù)去除部分的光刻膠，留下呈陣列分布的多個圓柱狀的光刻膠，如圖4a所示；

步驟201c、通過加熱將圓柱狀的光刻膠變成曲面狀的光刻膠，如圖4b所示；

步驟201d、在曲面狀的光刻膠上沉積光提取增強(qiáng)層，如圖4c所示；

步驟201e、進(jìn)行退火處理，退火使用的氣氛擴(kuò)散到光提取增強(qiáng)層內(nèi)與曲面狀的光刻膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成透明氣體，透明氣體擴(kuò)散到光提取增強(qiáng)層外，形成中空結(jié)構(gòu)，如圖4d所示。

其中，圖4a為步驟201b執(zhí)行之后的LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4b為步驟201c執(zhí)行之后的LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4c為步驟201d執(zhí)行之后的LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4d為步驟201e執(zhí)行之后的LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖4a-圖4d中，1為襯底，10為光刻膠，91為曲面結(jié)構(gòu)，92為中空結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，在步驟201c中，加熱的溫度可以為90～150℃，加熱的時間可以為20～50min。

優(yōu)選地，該步驟201d可以包括：

采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(英文：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，簡稱PECVD)或者采用原子層沉積(英文：Atomic layer deposition，簡稱ALD)技術(shù)在曲面狀的光刻膠上沉積光提取增強(qiáng)層。

優(yōu)選地，在步驟201e中，退火的溫度可以為400～600℃，退火的時間可以為5～20min。

在具體實(shí)現(xiàn)中，光刻膠的主要成分為有機(jī)物，步驟201e中退火使用的氣氛可以包括氧氣，氧氣和有機(jī)物反應(yīng)生成透明的二氧化碳。

步驟202：在襯底和光提取增強(qiáng)層上依次生長n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層、有源層、p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層。

圖4e為步驟202執(zhí)行之后的LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1為襯底，91為曲面結(jié)構(gòu)，92為中空結(jié)構(gòu)，2為n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層，3為有源層，4為p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層。

在本實(shí)施例中，n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層用于向有源層注入電子，p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層用于向有源層注入空穴。

可選地，n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層可以為摻雜有n型摻雜劑的GaN層，或者不摻雜的GaN層。

可選地，有源層可以包括N層量子阱層和N+1層量子壘層，量子阱層和量子壘層交替層疊，N為正整數(shù)。

可選地，p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層可以為摻雜有p型摻雜劑的GaN層，或者不摻雜的GaN層。

具體地，該步驟202可以包括：

采用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(英文：Metal Organic Chemical Vapor Deposition，簡稱MOCVD)技術(shù)在襯底上依次生長n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層、有源層、p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層。

步驟203：在p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上開設(shè)延伸至n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層的凹槽。

具體地，該步驟203可以包括：

采用光刻技術(shù)和等離子體刻蝕技術(shù)在p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上開設(shè)延伸至n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層的凹槽。

步驟204：在p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上依次形成電流擴(kuò)展層和絕緣鈍化層。

可選地，絕緣鈍化層可以為二氧化硅。

在本實(shí)施例的一種實(shí)現(xiàn)方式中，電流擴(kuò)展層可以為金屬反射層。

在上述實(shí)現(xiàn)方式中，金屬反射層用于將有源層發(fā)出的光向襯底方向反射。步驟205中形成的第一電極和第二電極焊接在散熱基板上。

具體地，金屬反射層可以為Al層、Ag層、交替層疊的Al層和Ag層中的任一種，具有高反射率，有利于將有源層發(fā)出的光線反射到襯底射出。

在本實(shí)施例的另一種實(shí)現(xiàn)方式中，電流擴(kuò)展層可以為透明導(dǎo)電層，此時襯底上還設(shè)有反射層，反射層和曲面結(jié)構(gòu)分別設(shè)置在襯底的兩側(cè)。

相應(yīng)地，在步驟205之后，該制造方法還可以包括：

在襯底上形成反射層，反射層和曲面結(jié)構(gòu)分別設(shè)置在襯底的兩側(cè)。

在上述實(shí)現(xiàn)方式中，反射層用于將有源層發(fā)出的光向電流擴(kuò)展層方向反射。反射層中與連接襯底的表面相反的表面焊接在散熱基板上。

具體地，反射層可以為金屬反射層。

具體地，透明導(dǎo)電層可以為氧化銦錫(英文：Indium tin oxide，簡稱ITO)、摻鎵的氧化鋅(英文：Gallium doped Zinc Oxide，簡稱GZO)、摻鋁的氧化鋅(英文：Aluminum Zinc Oxide，簡稱AZO)、石墨烯中的任一種，具有高透光率和高導(dǎo)電性，有利于提高發(fā)光二極管的發(fā)光亮度。

具體地，該步驟204可以包括：

采用蒸鍍技術(shù)在p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上依次形成電流擴(kuò)展層和絕緣鈍化層。

步驟205：在電流擴(kuò)展層上設(shè)置第二電極，在n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上設(shè)置第一電極。

圖4f為步驟205執(zhí)行之后的LED芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1為襯底，91為曲面結(jié)構(gòu)，92為中空結(jié)構(gòu)，2為n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層，3為有源層，4為p型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層，5為電流擴(kuò)展層，6為絕緣鈍化層，7為第一電極，8為第二電極。

具體地，第一電極與n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層電連接，第二電極與電流擴(kuò)展層電連接。

可選地，第一電極的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一種或多種，第二電極的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一種或多種。

具體地，該步驟205可以包括：

采用濺射技術(shù)在電流擴(kuò)展層上設(shè)置第二電極，在n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層上設(shè)置第一電極。

本發(fā)明實(shí)施例通過在襯底和n型Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體層之間設(shè)置光提取增強(qiáng)層，光提取增強(qiáng)層包括呈陣列分布的多個曲面結(jié)構(gòu)，曲面結(jié)構(gòu)與襯底一起形成中空結(jié)構(gòu)，襯底、曲面結(jié)構(gòu)、以及中空結(jié)構(gòu)內(nèi)的物質(zhì)均是透明的，曲面結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)改變了光線的入射角，使得更多光線的入射角沒有超過全反射的臨界角而從LED芯片內(nèi)部射出，與圖形化襯底相比，設(shè)有曲面結(jié)構(gòu)和中空結(jié)構(gòu)的襯底具有強(qiáng)衍射、高折射率對比的特點(diǎn)，可以大幅增加了LED芯片的出光量，提高了LED芯片的外量子效率。而且曲面結(jié)構(gòu)呈陣列排列，可以有效減少外延材料的位錯和缺陷。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。