CN120813133B - 一种发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管芯片及其制备方法，在本发明的发光二极管芯片的制备方法中，通过设置第N量子阱层的厚度大于第一量子阱层的厚度，对所述第N量子阱层进行图案化处理，以形成多个第一凹槽，在多个所述第一凹槽中填充无机散射颗粒，且通过对P型半导体层进行图案化处理，以形成多个第二凹槽，在多个所述第二凹槽中填充有机散射颗粒，第一凹槽和第二凹槽的配合设置，进而分别填充无机散射颗粒和有机散射颗粒，进而量子阱发光层发出的光经过无机散射颗粒和有机散射颗粒的散射作用，可以大大增加发光二极管芯片的出光效率，并有利于扩大发光二极管芯片的出光角度。

Description

一种发光二极管芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体发光技术领域，具体涉及一种发光二极管芯片及其制备方法。

背景技术

氮化镓基发光二极管晶圆是现代半导体照明和显示技术的核心材料，其以高效率、长寿命、环保等优势成为照明和显示领域的主流选择。而传统的发光二极管晶圆主要包括生长衬底，以及在所述生长衬底上依次生长的缓冲层、掺杂硅的n型GaN层、交替生长InGaN/GaN的多量子阱有源层、掺杂镁的p型GaN层以及透明导电层。在形成发光二极管芯片的过程中，对发光二极管晶圆进行光刻和刻蚀处理，以定义出单个发光二极管芯片的器件结构，然后通过电子束蒸发或溅射沉积金属电极以及沉积钝化层保护层，防止电极氧化和漏电，最后对发光二极管晶圆进行激光切割处理或金刚石刀片切割处理，并分选出合格的发光二极管芯片。而如何改善发光二极管芯片制备工艺，优化发光二极管芯片的结构，进而提高发光二极管芯片的出光效率，这引起了人们的广泛关注。

发明内容

为了解决现有技术中对的上述问题，本申请提供了一种发光二极管芯片及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本申请的实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，所述发光二极管芯片的制备方法包括以下步骤：

提供衬底。

在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂半导体层、N型半导体层以及量子阱发光层，其中所述量子阱发光层包括交替设置的N层量子阱层和N-1层量子垒层，其中第一量子阱层接触所述N型半导体层，第N量子阱层覆盖第N-1量子垒层，且所述第N量子阱层的厚度大于所述第一量子阱层的厚度，其中，N为不小于3的整数。

对所述第N量子阱层进行图案化处理，以形成多个第一凹槽。

在多个所述第一凹槽中填充无机散射颗粒。

接着对所述第N量子阱层进行平坦化处理。

接着在所述第N量子阱层上生长P型半导体层。

对所述P型半导体层进行图案化处理，以形成多个第二凹槽。

在多个所述第二凹槽中填充有机散射颗粒。

接着在所述P型半导体层上形成透明导电层。

作为优选的实施例，对所述第N量子阱层进行图案化处理之前，所述第N量子阱层的厚度与所述第一量子阱层的厚度的比值为2-8。

作为优选的实施例，对所述第N量子阱层进行图案化处理以形成多个第一凹槽的过程中，多个所述第一凹槽随机排列，且所述第一凹槽的深度与所述第N量子阱层的厚度的比值为0.3-0.5，多个所述第一凹槽的总面积与所述第N量子阱层的上表面的面积的比值为0.3-0.6。

作为优选的实施例，通过喷涂工艺在所述第N量子阱层的表面形成无机散射颗粒层，进而使得部分无机散射颗粒填充所述第一凹槽，所述无机散射颗粒为二氧化钛纳米颗粒或二氧化硅纳米颗粒。

作为优选的实施例，通过对所述第N量子阱层进行平坦化处理，以去除部分所述第N量子阱层，进而使得无机散射颗粒仅填充在所述第一凹槽中。

作为优选的实施例，对所述P型半导体层进行图案化处理以形成多个第二凹槽的过程中，多个所述第二凹槽随机排列，且所述第二凹槽的深度与所述P型半导体层的厚度的比值为0.2-0.6，多个所述第二凹槽的总面积与所述P型半导体层的上表面的面积的比值为0.3-0.6。

作为优选的实施例，通过喷涂工艺在所述所述P型半导体层的表面形成有机散射颗粒层，进而使得部分有机散射颗粒填充所述第二凹槽，所述有机散射颗粒为PMMA纳米散射颗粒或PS纳米散射颗粒。

作为优选的实施例，在所述P型半导体层上形成透明导电层之前，对所述P型半导体层进行平坦化处理，以去除部分所述P型半导体层，进而使得有机散射颗粒仅填充在所述第二凹槽中。

本发明还提出一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片为采用上述发光二极管芯片的制备方法制备形成。

相较于现有技术，本发明的发光二极管芯片及其制备方法具有如下的有益效果：在本发明的发光二极管芯片的制备方法中，通过设置第N量子阱层的厚度大于第一量子阱层的厚度，对所述第N量子阱层进行图案化处理，以形成多个第一凹槽，在多个所述第一凹槽中填充无机散射颗粒，且通过对P型半导体层进行图案化处理，以形成多个第二凹槽，在多个所述第二凹槽中填充有机散射颗粒，第一凹槽和第二凹槽的配合设置，进而分别填充无机散射颗粒和有机散射颗粒，进而量子阱发光层发出的光经过无机散射颗粒和有机散射颗粒的散射作用，可以大大增加发光二极管芯片的出光效率，并有利于扩大发光二极管芯片的出光角度。进一步的，通过优化第N量子阱层的厚度与第一量子阱层的厚度的比值为2-8，多个第一凹槽随机排列，且所述第一凹槽的深度与所述第N量子阱层的厚度的比值为0.3-0.5，多个所述第一凹槽的总面积与所述第N量子阱层的上表面的面积的比值为0.3-0.6，多个所述第二凹槽随机排列，且所述第二凹槽的深度与所述P型半导体层的厚度的比值为0.2-0.6，多个所述第二凹槽的总面积与所述P型半导体层的上表面的面积的比值为0.3-0.6，通过上述设置，可以增加发光二极管芯片的寿命，提高发光二极管芯片的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本申请中在衬底上依次生长缓冲层、非掺杂半导体层、N型半导体层以及量子阱发光层的结构示意图。

图2为本申请中对第N量子阱层进行图案化处理以形成多个第一凹槽的结构示意图。

图3为本申请中在多个第一凹槽中填充无机散射颗粒的结构示意图。

图4为本申请中在第N量子阱层上生长P型半导体层的结构示意图。

图5为本申请中对P型半导体层进行图案化处理以形成多个第二凹槽层的结构示意图。

图6为本申请中在多个第二凹槽中填充有机散射颗粒的结构示意图。

图7为本申请中在P型半导体层上形成透明导电层的结构示意图。

附图标记说明：

100、衬底；200、缓冲层；300、非掺杂半导体层；400、N型半导体层；501、第一量子阱层；502、量子垒层；503、第N量子阱层；5031、第一凹槽；600、无机散射颗粒；700、P型半导体层；701、第二凹槽；800、有机散射颗粒；900、透明导电层。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本申请的保护范围之内。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应理解，尽管可使用术语“第一”、“第二”、“第三”等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本申请教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

应理解，空间关系术语例如“在...上方”、位于...上方”、“在...下方”、“位于...下方”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下方”的元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下方”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本申请的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

这里参考作为本申请的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述本申请的实施例。这样，可以预期由于例如制备技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本申请的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制备导致的形状偏差。

为了彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的结构以及步骤，以便阐释本申请提出的技术方案。本申请的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本申请还可以具有其他实施方式。

本申请的实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，所述发光二极管芯片的制备方法包括以下步骤：

如图1所示，提供衬底100，所述衬底100可以为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底，在本发明的具体实施例中，所述衬底100为蓝宝石衬底。

如图1所示，在所述衬底上依次生长缓冲层200、非掺杂半导体层300、N型半导体层400以及量子阱发光层，其中所述量子阱发光层包括交替设置的N层量子阱层和N-1层量子垒层502，其中第一量子阱层501接触所述N型半导体层400，第N量子阱层503覆盖第N-1量子垒层502，且所述第N量子阱层503的厚度大于所述第一量子阱层501的厚度，其中，N为不小于3的整数。

在具体的实施例中，通过磁控溅射工艺形成氮化铝以作为缓冲层200，所述磁控溅射工艺的具体条件为：选择纯铝钯材，通入惰性氩气作为溅射气体，并通入氮气作为氮源和氧源，调节磁控溅射的频率为1000-2000W，调节磁控溅射的温度为300-500℃，且溅射过程中，腔室的气体压力为0.1-1Pa，以生长厚度为50-200纳米的氮化铝。在更具体的实施例中，调节磁控溅射的频率为1000W、1200W、1400W、1600W、1800W或2000W，调节磁控溅射的温度为300℃、330℃、360℃、390℃、420℃、450℃、480℃、510℃、540℃、570℃或600℃，且溅射过程中，腔室的气体压力为0.1Pa、0.2Pa、0.4Pa、0.6Pa、0.8Pa或1Pa，以生长厚度为50纳米、70纳米、90纳米、120纳米、150纳米、180纳米或200纳米的氮化铝。

在具体的实施例中，所述非掺杂半导体层300可以具体为非掺杂的氮化镓层或非掺杂的氮化铝镓层，所述N型半导体层400可以具体为N型氮化镓层或N型氮化铝镓层，且所述非掺杂半导体层300以及所述N型半导体层400通过金属有机化学气相沉积技术制备形成。

在具体的实施例中，所述量子阱发光层包括交替设置的N层量子阱层和N-1层量子垒层502，其中第一量子阱层501接触所述N型半导体层400，第N量子阱层503覆盖第N-1量子垒层502，且所述第N量子阱层503的厚度大于所述第一量子阱层501的厚度，其中，N为不小于3的整数，具体的N可以为5-20，且所述量子阱层可以为InGaN量子阱层或AlGaN量子阱层，相应的，所述量子垒层可以为GaN量子垒层或者AlGaN量子垒层，相应的，所述量子阱发光层通过金属有机化学气相沉积技术制备形成。

在具体的实施例中，对所述第N量子阱层503进行图案化处理之前，所述第N量子阱层503的厚度与所述第一量子阱层501的厚度的比值为2-8，更具体的，所述第N量子阱层503的厚度与所述第一量子阱层501的厚度的比值为2、3、5或8。

如图2所示，对所述第N量子阱层503进行图案化处理，以形成多个第一凹槽5031。

在具体的实施例中，通过湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺对所述第N量子阱层503进行图案化处理，对所述第N量子阱层503进行图案化处理以形成多个第一凹槽的过程中，多个所述第一凹槽随机排列，且所述第一凹槽的深度与所述第N量子阱层的厚度的比值为0.3-0.5，多个所述第一凹槽的总面积与所述第N量子阱层的上表面的面积的比值为0.3-0.6，更具体的，多个所述第一凹槽的总面积与所述第N量子阱层的上表面的面积的比值为0.3、0.4、0.5或0.6。

如图3所示，在多个所述第一凹槽5031中填充无机散射颗粒600。

在具体的实施例中，通过喷涂工艺在所述第N量子阱层503的表面形成无机散射颗粒层，进而使得部分无机散射颗粒600填充所述第一凹槽5031，所述无机散射颗粒600为二氧化钛纳米颗粒或二氧化硅纳米颗粒。

接着对所述第N量子阱层503进行平坦化处理，在具体的实施例中，通过化学机械研磨工艺进行所述平坦化处理，通过对所述第N量子阱层503进行平坦化处理，以去除部分所述第N量子阱层503，进而使得无机散射颗粒600仅填充在所述第一凹槽5031中。

如图4所示，接着在所述第N量子阱层503上生长P型半导体层700。

在具体的实施例中，所述P型半导体层700可以具体为P型氮化镓层或P型氮化铝镓层，且所述P型半导体层700通过金属有机化学气相沉积技术制备形成，更具体的，在900-950℃下外延生长P型半导体层700。

如图5所示，对所述P型半导体层700进行图案化处理，以形成多个第二凹槽701。

在具体的实施例中，对所述P型半导体层700进行图案化处理以形成多个第二凹槽701的过程中，多个所述第二凹槽701随机排列，且所述第二凹槽701的深度与所述P型半导体层700的厚度的比值为0.2-0.6，多个所述第二凹槽701的总面积与所述P型半导体层700的上表面的面积的比值为0.3-0.6。

在具体的实施例中，通过湿法刻蚀工艺或干法刻蚀工艺对所述第N量子阱层503进行图案化处理，进而使得所述第二凹槽701的深度与所述P型半导体层700的厚度的比值为0.2-0.4或0.4-0.6，多个所述第二凹槽701的总面积与所述P型半导体层700的上表面的面积的比值为0.3、0.4、0.5或0.6。

如图6所示，在多个所述第二凹槽701中填充有机散射颗粒800。

在具体的实施例中，通过喷涂工艺在所述所述P型半导体层700的表面形成有机散射颗粒层，进而使得部分有机散射颗粒填充所述第二凹槽，所述有机散射颗粒为PMMA纳米散射颗粒或PS纳米散射颗粒，进一步的，对所述P型半导体层700进行平坦化处理，以去除部分所述P型半导体层700，进而使得有机散射颗粒仅填充在所述第二凹槽701中。

如图7所示，接着在所述P型半导体层700上形成透明导电层900。

在具体的实施例中，通过低温沉积技术形成ITO或AZO作为透明导电层900，更具体的，采用磁控溅射、电子束蒸发等任意合适的工艺沉积形成，且沉积温度不高于300℃，且沉积完成后进行低温退火处理，退火温度同样不高于300℃。

如图7所示，本发明还提出一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片为采用上述发光二极管芯片的制备方法制备形成。

本申请的实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，所述发光二极管芯片的制备方法包括以下步骤：

提供衬底。

在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂半导体层、N型半导体层以及量子阱发光层，其中所述量子阱发光层包括交替设置的N层量子阱层和N-1层量子垒层，其中第一量子阱层接触所述N型半导体层，第N量子阱层覆盖第N-1量子垒层，且所述第N量子阱层的厚度大于所述第一量子阱层的厚度，其中，N为不小于3的整数。

对所述第N量子阱层进行图案化处理，以形成多个第一凹槽。

在多个所述第一凹槽中填充无机散射颗粒。

接着对所述第N量子阱层进行平坦化处理。

接着在所述第N量子阱层上生长P型半导体层。

对所述P型半导体层进行图案化处理，以形成多个第二凹槽。

在多个所述第二凹槽中填充有机散射颗粒。

接着在所述P型半导体层上形成透明导电层。

进一步的，对所述第N量子阱层进行图案化处理之前，所述第N量子阱层的厚度与所述第一量子阱层的厚度的比值为2-8。

进一步的，对所述第N量子阱层进行图案化处理以形成多个第一凹槽的过程中，多个所述第一凹槽随机排列，且所述第一凹槽的深度与所述第N量子阱层的厚度的比值为0.3-0.5，多个所述第一凹槽的总面积与所述第N量子阱层的上表面的面积的比值为0.3-0.6。

进一步的，通过喷涂工艺在所述第N量子阱层的表面形成无机散射颗粒层，进而使得部分无机散射颗粒填充所述第一凹槽，所述无机散射颗粒为二氧化钛纳米颗粒或二氧化硅纳米颗粒。

进一步的，通过对所述第N量子阱层进行平坦化处理，以去除部分所述第N量子阱层，进而使得无机散射颗粒仅填充在所述第一凹槽中。

进一步的，对所述P型半导体层进行图案化处理以形成多个第二凹槽的过程中，多个所述第二凹槽随机排列，且所述第二凹槽的深度与所述P型半导体层的厚度的比值为0.2-0.6，多个所述第二凹槽的总面积与所述P型半导体层的上表面的面积的比值为0.3-0.6。

进一步的，通过喷涂工艺在所述所述P型半导体层的表面形成有机散射颗粒层，进而使得部分有机散射颗粒填充所述第二凹槽，所述有机散射颗粒为PMMA纳米散射颗粒或PS纳米散射颗粒。

进一步的，在所述P型半导体层上形成透明导电层之前，对所述P型半导体层进行平坦化处理，以去除部分所述P型半导体层，进而使得有机散射颗粒仅填充在所述第二凹槽中。

本发明还提出一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片为采用上述发光二极管芯片的制备方法制备形成。

以上仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：所述发光二极管芯片的制备方法包括以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂半导体层、N型半导体层以及量子阱发光层，其中所述量子阱发光层包括交替设置的N层量子阱层和N-1层量子垒层，其中第一量子阱层接触所述N型半导体层，第N量子阱层覆盖第N-1量子垒层，且所述第N量子阱层的厚度大于所述第一量子阱层的厚度，其中，N为不小于3的整数；

对所述第N量子阱层进行图案化处理，以形成多个第一凹槽；

在多个所述第一凹槽中填充无机散射颗粒；

接着对所述第N量子阱层进行平坦化处理；

接着在所述第N量子阱层上生长P型半导体层；

对所述P型半导体层进行图案化处理，以形成多个第二凹槽；

在多个所述第二凹槽中填充有机散射颗粒；

接着在所述P型半导体层上形成透明导电层。

2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：对所述第N量子阱层进行图案化处理之前，所述第N量子阱层的厚度与所述第一量子阱层的厚度的比值为2-8。

3.根据权利要求2所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：对所述第N量子阱层进行图案化处理以形成多个第一凹槽的过程中，多个所述第一凹槽随机排列，且所述第一凹槽的深度与所述第N量子阱层的厚度的比值为0.3-0.5，多个所述第一凹槽的总面积与所述第N量子阱层的上表面的面积的比值为0.3-0.6。

4.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：通过喷涂工艺在所述第N量子阱层的表面形成无机散射颗粒层，进而使得部分无机散射颗粒填充所述第一凹槽，所述无机散射颗粒为二氧化钛纳米颗粒或二氧化硅纳米颗粒。

5.根据权利要求4所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：通过对所述第N量子阱层进行平坦化处理，以去除部分所述第N量子阱层，进而使得无机散射颗粒仅填充在所述第一凹槽中。

6.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：对所述P型半导体层进行图案化处理以形成多个第二凹槽的过程中，多个所述第二凹槽随机排列，且所述第二凹槽的深度与所述P型半导体层的厚度的比值为0.2-0.6，多个所述第二凹槽的总面积与所述P型半导体层的上表面的面积的比值为0.3-0.6。

7.根据权利要求1所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：通过喷涂工艺在所述所述P型半导体层的表面形成有机散射颗粒层，进而使得部分有机散射颗粒填充所述第二凹槽，所述有机散射颗粒为PMMA纳米散射颗粒或PS纳米散射颗粒。

8.根据权利要求7所述的发光二极管芯片的制备方法，其特征在于：在所述P型半导体层上形成透明导电层之前，对所述P型半导体层进行平坦化处理，以去除部分所述P型半导体层，进而使得有机散射颗粒仅填充在所述第二凹槽中。

9.一种发光二极管芯片，其特征在于，所述发光二极管芯片为采用权利要求1-8中任一项所述的发光二极管芯片的制备方法制备形成。