本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體發(fā)光器件的制作方法，更具體地為一種薄膜型發(fā)光二極管及其制作方法。

背景技術(shù)：

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，簡稱LED）具有低能耗、高壽命、穩(wěn)定性好、體積小、響應(yīng)速度快以及發(fā)光波長穩(wěn)定等良好光電特性，被廣泛應(yīng)用于照明、家電、顯示屏及指示燈等領(lǐng)域。

對于傳統(tǒng)LED來說，有諸多因素限制了它的發(fā)光效率，例如：在外延生長方面，生長襯底與外延晶格失配導(dǎo)致內(nèi)量子效率低下；在芯片方面，橫向型LED芯片中常用藍(lán)寶石、AlN等絕緣襯底，其導(dǎo)熱率比較低導(dǎo)致PN結(jié)溫度比較高；在光導(dǎo)出方面，半導(dǎo)體折射率與空氣折射率差，抑制了光從半導(dǎo)體出射等。

為提升發(fā)光二極管發(fā)光效率，業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了多種方法，例如：利用圖形化藍(lán)寶石襯底進行外延生長，可以降低位錯密度提高晶體質(zhì)量，并提升光功率；采用激光剝離藍(lán)寶石襯底制作垂直類的大功率發(fā)光二極管，可以改善橫向結(jié)構(gòu)的電流分布問題，也可以解決電極的遮光問題，從而提升LED的發(fā)光效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種薄膜型發(fā)光二極管及其制作方法，其采用圖形化襯底進行外延生長，然后在襯底剝離過程中，使襯底圖形的尖端從其襯底主體上斷裂并保留在外延層上，從而在發(fā)光外延疊層的出光面上形成藍(lán)寶石微透鏡。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：薄膜型發(fā)光二極管，包括發(fā)光外延疊層，所述發(fā)光外延疊層包含第一類型導(dǎo)體層、發(fā)光層和第二類型半導(dǎo)體層，具有相對的上表面和下面，所述發(fā)光層在電激發(fā)下輻射光線并向所述上表面射出，所述發(fā)光外延疊層的上表面設(shè)有一系列由透明生長襯底構(gòu)成的微透鏡。

優(yōu)選地，所述薄膜型發(fā)光二極管還包括一支撐結(jié)構(gòu)，其位于所述發(fā)光外延疊層的下表面，用于支撐和保護所述發(fā)光外延疊層。

在一些實施例，所述支撐結(jié)構(gòu)為一導(dǎo)電基板，其通過一粘結(jié)層與所述發(fā)光外延疊層的下表面粘結(jié)，從而構(gòu)成垂直型發(fā)光二極管。

在一些實施例中，所述支撐結(jié)構(gòu)可以是一具有足夠厚度的電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)的厚度一般達(dá)50微米以上，以具有足夠的強度以保護所述外延層，從而構(gòu)成倒裝型發(fā)光二極管，此時發(fā)光外延疊層的出面光上即可不用制作電極結(jié)構(gòu)，可增加出光面積。

在一些實施例中，所述支撐結(jié)構(gòu)還可以是具有良好散熱性能的絕緣基板，其通過絕緣接合層與發(fā)光外延疊層的下表面接合，此時可在出光面上制作電極。

優(yōu)選地， 所述微透鏡呈上寬下窄狀，其尺寸高度為0.5~3.0微米。

優(yōu)選地， 所述微透鏡側(cè)面的錐度為30~85°。

優(yōu)選地，所述微透鏡離散分布，相鄰微透鏡之間的間距為1.0~6.0微米。

優(yōu)選地，所述微透鏡之遠(yuǎn)離所述發(fā)外外延疊層的端面為球面狀。

優(yōu)選地，所述發(fā)光層的發(fā)光波長為λ時，所述微透鏡的尺寸為λ/4以上。

優(yōu)選地，所述微透鏡呈錐體狀，其尺寸高度為0.5~3.0微米，中心間距1.0~6.0微米。

優(yōu)選地，所述微透鏡具有兩個相對的端部，其中第一個端部嵌入所述發(fā)光外延疊層內(nèi)，第二個端部高出所述發(fā)光外延疊層的上表面。

優(yōu)選地，所述生長襯底為藍(lán)寶石襯底或AlN襯底。

本發(fā)明同時提供了一種薄膜型發(fā)光二極管的制作方法，包括以下步驟：（1）提供圖形化的透明襯底，其上表面具有一系列具有凸起結(jié)構(gòu)；（2）在所述透明襯底的上表面上外延生長發(fā)光外延疊層，包括第一類型導(dǎo)體層、發(fā)光層和第二類型半導(dǎo)體層；（3）在所述發(fā)光外延疊層的表面上制作支撐結(jié)構(gòu)；（4）移除所述透明襯底，裸露出部分發(fā)光外延疊層的表面，并使透明襯底的凸起結(jié)構(gòu)從透明襯底的主體上斷裂并保留在發(fā)光外延疊層上，從而在發(fā)光外延疊層表面上形成一系列由透明襯底的尖端組成的微透鏡。

優(yōu)選地，所述步驟（1）中凸起結(jié)構(gòu)的高度為1~3微米，頂部具有尖端，中心間距1.0~6.0微米。

在一些實施例中，所述步驟（4）中采用激光剝離的方式剝離透明襯底，具體為將激光能量聚集到所述襯底凸起結(jié)構(gòu)的某一厚度D，控制能量參數(shù)使所述透明襯底的凸起斷裂并保留在發(fā)光外延疊層上。

優(yōu)選地，所述步驟（4）中將激光能量聚集到距離所述襯底的凸起結(jié)構(gòu)的頂部0.5~3.0微米厚度的位置。

優(yōu)選地，所述步驟（4）中控制激光能量參數(shù)為100mJ~1000mJ。

在一些實施例中，所述步驟（4）中采用研磨、蝕刻或者其組合移除所述生長襯底，截止位置到距離所述襯底凸起的頂部0.5~3.0微米厚度的位置，裸露出部分發(fā)光外延疊層的表面。

優(yōu)選地，所述步驟（4）中還包括采用干法蝕刻或/和濕法蝕刻對微透鏡進行修飾。

優(yōu)選地，還包括步驟（5）：對裸露出的發(fā)光外延疊層表面進行粗化，并制作電極。

本發(fā)明在發(fā)光外延疊層的出光面上形成由透明襯底構(gòu)成的微透鏡，利用微透鏡增加光取出，增加光的增透或耦合。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。此外，附圖數(shù)據(jù)是描述概要，不是按比例繪制。

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施的一種薄膜型發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明實施的一種薄膜型發(fā)光二極管的微透鏡分布示意圖。

圖3為根據(jù)本發(fā)明實施的一種薄膜型發(fā)光二極管的制作流程圖。

圖4~ 9為根據(jù)本發(fā)明實施的制作薄膜型發(fā)光二極管的過程示意圖。

圖10為根據(jù)本發(fā)明實施的另一種薄膜型發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11為根據(jù)本發(fā)明實施的再一種薄膜型發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖12為根據(jù)本發(fā)明實施的再一種薄膜型發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13~18為制作圖12所示薄膜型發(fā)光二極管的過程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合示意圖對本發(fā)明的薄膜芯片及其制作方法進行詳細(xì)的描述，在進一步介紹本發(fā)明之前，應(yīng)當(dāng)理解，由于可以對特定的實施例進行改造，因此，本發(fā)明并不限于下述的特定實施例。還應(yīng)當(dāng)理解，由于本發(fā)明的范圍只由所附權(quán)利要求限定，因此所采用的實施例只是介紹性的，而不是限制性的。

實施例1

如圖1所示，一種薄膜型發(fā)光二極管，包括：導(dǎo)電基板300、接合層310、發(fā)光外延疊層200和頂面電極400。其中，導(dǎo)電基板300可以選用陶瓷襯底或者鍍上絕緣材料的金屬基板或者硅片，本實施例優(yōu)選硅片。接合層310可以是金屬鍵合層、透明導(dǎo)電氧化物鍵合層或?qū)щ娔z，在接合層310與發(fā)光外延疊層300之間還可以進一步設(shè)置接觸層以及鏡面反射層（Mirror）。發(fā)光外延疊層200選用III-V族材料，可以由III族的硼、鋁、鎵、銦與V族的氮、磷、砷排列組合而成，一般至少包括P型半導(dǎo)體層230、發(fā)光層220、N型半導(dǎo)體層210，發(fā)光層220的發(fā)光波長在200~1150nm之間，優(yōu)選為藍(lán)光波段或紫外波段，如UV-C 波段（200~280nm）、UV-B波段（280~315nm）以及UV-A波段（315~380nm）。其中N型半導(dǎo)體層210一側(cè)表面為出光面，出表面上具有一系列由保留在發(fā)光外延疊層上的生長襯底構(gòu)成的微透鏡112，如圖2所示。該微透鏡為圖形化生長襯底的一部分，在生長襯底與發(fā)光外延疊層分離時通過將生長襯底的圖形末端部與主體部分生斷裂并保留在發(fā)光外延疊層，從而獲得一系列微透鏡。該微透鏡呈上寬下窄狀，其中下端部嵌入發(fā)光外延疊層200內(nèi)，上端部高出發(fā)光外延疊層的上表面，其尺寸w1為λ/4以上，高度h1為0.5~3.0微米，側(cè)面錐度β為30~85°相鄰微透鏡的中心間距d1為1.0~6.0微米。在本實施例中，微透鏡112呈錐狀，其中尖部位于發(fā)光外延疊層內(nèi)，高度為0.5~1.5微米，側(cè)面錐角β為60°，在出光面的非微透鏡區(qū)域具有粗化結(jié)構(gòu)212。

下面結(jié)合圖3~9對上述發(fā)光二極管的制作方法進行詳細(xì)說明，該薄膜型發(fā)光二極管的制作方法可包括步驟S110~S150。

如圖4所示，提供圖形化的生長襯底100，該生長襯底100表面具有一系列凸起結(jié)構(gòu)110，呈陣型式排列。該生長襯底100為透明襯底，可采用藍(lán)寶石襯底或AlN襯底，在本實施例中采用藍(lán)寶石襯底，采用干法蝕刻或/和濕法蝕刻襯底的表面形成凸起圖案，該凸起110的尺寸w為λ/4以上（λ為發(fā)光層的發(fā)光波長），例如可以為2.0微米，高度h優(yōu)選為1~3微米，中心間距d為1.0~6.0微米。較佳的，每個凸起100呈現(xiàn)上窄下寬狀，側(cè)面錐角α為105~150°，優(yōu)選為60°。在本實施例中每個凸起110呈錐體狀，具有一個尖端112。

如圖5所示，在生長襯底100的表面上外延生長發(fā)光外延疊層200，其至少N型半導(dǎo)體層210、發(fā)光層220、P型半導(dǎo)體層230，較佳地還可以在N型半導(dǎo)體層210與生長襯底200之間形成緩沖層、三維氮化物層、二維氮化物層，在N型半導(dǎo)體層210與發(fā)光層220之間形成超晶格應(yīng)力緩沖層，在發(fā)光層220與P型半導(dǎo)體層230之間形成電子阻擋層等。

如圖6所示，在發(fā)光外延疊層200的表面上制作接觸層、反射層等芯片結(jié)構(gòu)層，并通過接合層310與導(dǎo)電基板300接合。具體為先在p型半導(dǎo)體層230的表面上制作接觸層、金屬反射層，然后采用鍵合或者粘合工藝，將發(fā)光外延疊層的P側(cè)與導(dǎo)電基板300接合，本實施例優(yōu)選采用鍵合工藝，通過制作鍵合層310，將生長襯底100、發(fā)光外延疊層200鍵合至導(dǎo)電基板300上。較佳的，還可以對生長襯底100的背面100b進行研磨減薄，并作拋光處理。

如圖7和8所示，采用激光剝離的方式，移除生長襯底100。激光剝離時需聚焦激光的能量平面點，激光能量的分布影響著剝離位置，本實施例將激光能量聚集到生長襯底凸起的某一厚度D，控制激光能量參數(shù)為100mJ~1000mJ，使生長襯底凸起110的尖端112斷裂在外延層230上，在外延層上形成微透光，僅裸露出部分外延層的表面。其中線L1表示凸起110的尖端112位置，L2表示激光能量的聚集點位置，其中D即為L2與L1之間的垂直距離，D的取值為0.5~1.5微米為佳。

如圖9所示，生長襯底剝離后，露出N型半導(dǎo)體層210，并且保留微透鏡藍(lán)寶石襯底112，利用干法和/或濕法蝕刻的方法對微透鏡進行修飾，并對裸露出的N型半導(dǎo)體層表面進行粗化，可以利用研磨、化學(xué)蝕刻等方式，形成隨機或是帶有幾何排列圖形的粗糙尖錐，也可以是錐體或圓球體或方體等。

最后制作電極410，形成薄膜型發(fā)光二極管芯片，如圖1所示。本實施例所述發(fā)光二極管的制作方法，利用激光剝離工藝移除生長襯底，在激光剝離過程中通過控制激光能量的聚集點，使得圖形化襯底的圖形末端斷裂并保留在外延層上，從而形成微透鏡，利用微透鏡增加光取出，增加光的耦合，使其達(dá)到較佳的出光效果。

本發(fā)明提供的薄膜芯片制作方法，適合制作垂直結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件，也適用于制作倒裝結(jié)構(gòu)的發(fā)光器件或者通過絕緣基板支撐的同面電極結(jié)構(gòu)。

實施例2

圖10為根據(jù)本發(fā)明實施的另一種垂直發(fā)光二極管。區(qū)別于圖1所示的發(fā)光二極管，在本實施例中，發(fā)光外延疊層200具有一系列貫穿P型半導(dǎo)體230、發(fā)光層220的通孔，在發(fā)光外延疊層200的下表面依次設(shè)置第一電連接層320、介電層330和第二電連接層340，其中第一電連接層320電連接P型半導(dǎo)體層230，并超出發(fā)光外延疊層200的邊緣，在超出邊緣的部位上制作P電極420，介質(zhì)層330設(shè)置于第一電連接層320的表面上并覆蓋通孔的側(cè)壁，第二電連接層340設(shè)置在介質(zhì)層330的表面上，部分342向通孔延伸至N型半導(dǎo)體層210，與N型半導(dǎo)體層210形成電連接，然后通過導(dǎo)電型的接合層310與導(dǎo)電基板300連接。

本實施例為同面式的垂直導(dǎo)通薄膜芯片發(fā)光二極管，P/N 電極設(shè)計在同一邊，一方面讓電流的擴散傳導(dǎo)更為均勻，極易得到均勻的發(fā)光圖案，不會有電流擁擠現(xiàn)象，電流密度可達(dá)> 1A/mm²，另一方面避免在出光面上制作電極，減少電極吸光。

實施例3

圖11為根據(jù)本發(fā)明實施的一種倒裝發(fā)光二極管，在發(fā)光外延疊層200的下表面設(shè)置具有足夠厚度的電極410和420，厚度一般達(dá)50微米以上，具有足夠的強度以保護外延層。具體的，在P型半導(dǎo)體層230的表面上制作接觸層320，在接觸層320上制作介質(zhì)層330，N電極410與N型半導(dǎo)體層210連接，P電極420與P型半導(dǎo)體層230連接，同時N電極和P電極通過介質(zhì)層330隔離。

實施例4

圖12為根據(jù)本發(fā)明實施的一種水平結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，從下到上包括：絕緣基板300、接合層310、發(fā)光外延疊層200、N電極410和P電極420，其中N型半導(dǎo)體層210的表面上具有一系列由生長襯底構(gòu)成的微透鏡112。微透鏡112的上表面具有弧面114，下面結(jié)合附圖13~18對其制作方法作簡單描述。

如圖13所示，提供一圖形化生長襯底100，其上表面具有一系列凸起結(jié)構(gòu)110，各個凸起的側(cè)面形狀為臺面狀，其尺寸和間隙可參考實施例1。

如圖14所示，在生長襯底上形成發(fā)光外延疊層200。

如圖15所示，在發(fā)光外延疊層200的P側(cè)通過接合層310與絕緣基板300接合，該絕緣基板優(yōu)先為具有良好的散熱性材料。

如圖16所示，采用研磨、蝕刻或者其組合的方式移除生長襯底，截止位置到距離所述襯底凸起的頂部0.5~3.0微米厚度的位置，裸露出部分發(fā)光外延疊層200的表面。

如圖17所示，采用濕法或者干法蝕刻方式對微透鏡進行圖形修飾，圖形首選上表面114呈弧形，濕法蝕刻首選濃硫酸和磷酸，干法蝕刻首選Ar氣體。

如圖18所示，對裸露出的N型半導(dǎo)體層作粗化處理。

最后，蝕刻電極臺面并制作電極410和420，形成水平結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述具體實施方案僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，以上實施例還可以進行各種組合、變形。本發(fā)明的范圍不限于以上實施例，凡依本發(fā)明所做的任何變更，皆屬本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。