專利名稱：一種led芯片及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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)：
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，功耗低的優(yōu)點，隨著技術(shù)的日漸成熟，LED的運用領(lǐng)域也越來越多元化，對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, Light Extraction Efficiency)與夕卜量子效率(EQE, External Quantum Efficiency)息息相關(guān)， 簡單地說，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)。
研究表明，注入電流密度超過一定值時，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)、位錯因素以及工藝上的種種缺陷，會產(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)帶躍遷到價帶時與晶格原子或離子交換能量時發(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)。
而對LED的LEE限制因素是材料的折射率和封裝結(jié)構(gòu)。當光線從高折射率的物質(zhì)向低折射率的物質(zhì)入射時，部分光會在界面上發(fā)生反射，并且當入射角大于全反射角時，會發(fā)生全反射。發(fā)生全反射時，光線無法進入低折射率的物質(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。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。
雖然目前各種方法被運用到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的方向。發(fā)明內(nèi)容
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。
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，在所述有源層與其相鄰層的界面上形成有第一金屬納米顆粒陣列。
可選的,所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒包括金屬芯和電介質(zhì)外殼。
可選的，所述金屬芯材質(zhì)為Au或Ag。
可選的，所述電介質(zhì)外殼材質(zhì)為Si02。
可選的，所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒的形狀為球形、橢球形或三角錐形中的一種。
可選的，所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒的形狀為球形。
可選的，所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒之間的間距大于等于所述金屬納米顆粒的直徑。
可選的，所述第一金屬納米顆粒陣列形成于所述有源層與P型GaN層的界面上。
可選的，所述第一金屬納米顆粒陣列形成于所述有源層與N型GaN層的界面上。
可選的，在所述P型GaN層表面形成有第二金屬納米顆粒陣列。
可選的，所述襯底是經(jīng)過圖形化處理的藍寶石襯底。
本發(fā)明還提供上述的LED芯片的制造方法，包括
提供襯底，在所述襯底上形成N型GaN層；
在所述N型GaN層上形成有源層和第一金屬納米顆粒陣列；
在所述N型GaN層上形成P型GaN層。
可選的，先在N型GaN層上形成第一金屬納米顆粒陣列，然后形成有源層。
可選的，先在N型GaN層上成有源層，然后在有源層上形成第一金屬納米顆粒陣列。
可選的,所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒包括金屬芯和電介質(zhì)外殼。
可選的，所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒的形狀為球形、橢球形或三角維形中的一種。
可選的，所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒之間的間距大于等于所述金屬納米顆粒的尺寸。
可選的，在形成P型GaN層之后在所述P型GaN層表面形成第二金屬納米顆粒陣列。
可選的，在形成所述N型GaN層前對所述襯底進行圖形化處理。
本發(fā)明提供一種LED芯片及其制作方法，所述LED芯片在有源層與其相鄰層的界面上形成有第一金屬納米顆粒陣列，能提高LED的內(nèi)量子效率，從而提高LED的發(fā)光效率。
進一步的，在P型GaN層表面形成有第二金屬納米顆粒陣列，使LED內(nèi)部發(fā)生的光在所述第二金屬納米顆粒陣列上發(fā)生散射，提高LED的光析出率，進一步提高LED發(fā)光效率。


圖I為本發(fā)明實施例的LED芯片的制造方法的流程圖2k 2C為本發(fā)明實施例的LED芯片的制造方法的各步驟的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
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的方向。
為此，本發(fā)明提供一種LED芯片及其制作方法，所述LED芯片在有源層與其相鄰層的界面上形成有第一金屬納米顆粒陣列，能提高LED的內(nèi)量子效率，從而提高LED的發(fā)光效率。
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行更詳細的描述，其中表示了本發(fā)明的優(yōu)選實施例， 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，而仍然實現(xiàn)本發(fā)明的有利效果。 因此，下列描述應(yīng)當被理解為對于本領(lǐng)域技術(shù)人員的廣泛知道，而并不作為對本發(fā)明的限制。
為了清楚，不描述實際實施例的全部特征。在下列描述中，不詳細描述公知的功能和結(jié)構(gòu)，因為它們會使本發(fā)明由于不必要的細節(jié)而混亂。應(yīng)當認為在任何實際實施例的開發(fā)中，必須做出大量實施細節(jié)以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標，例如按照有關(guān)系統(tǒng)或有關(guān)商業(yè)的限制，由一個實施例改變?yōu)榱硪粋€實施例。另外，應(yīng)當認為這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜和耗費時間的，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說僅僅是常規(guī)工作。
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)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。
請參考圖2C，所述LED芯片包括包括襯底110、N型GaN層111、有源層112和P 型GaN層114，在有源層112與其相鄰層的界面上形成有第一金屬納米顆粒陣列。第一金屬納米顆粒陣列可以形成于有源層112與P型GaN層114之間的界面上，也可以形成于有源層112與N型GaN層111之間的界面上。本實施例中，將第一金屬納米顆粒陣列設(shè)置于有源層112與P型GaN層114之間的界面上。
優(yōu)選的，為提高LED芯片的光析出率，襯底110優(yōu)選為經(jīng)過圖形化處理的襯底，例如是經(jīng)過圖形化處理的藍寶石襯底，即，襯底110與N型GaN層111相接觸的表面使經(jīng)過圖形化處理的，其表面并非是平坦表面，而是具有突起的表面，所述突起例如是半圓柱形突起、錐形突起等。
優(yōu)選的，所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒113包括金屬芯121和電介質(zhì)外殼122。所述金屬芯121材質(zhì)為Au或Ag,所述電介質(zhì)外殼122材質(zhì)為Si02。第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒113的形狀優(yōu)選為球形，當然也可以是橢球形或三角錐形等形狀。第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒113之間的間距大于等于金屬納米顆粒113 的直徑。
采用本實施例提供的結(jié)構(gòu)，當有源層112發(fā)出的光到達第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒113時，金屬芯121的中的自由電子受光(電磁波)的電場的影響發(fā)生震蕩，產(chǎn)生與光頻率一致的激發(fā)電場，其與有源層中發(fā)出的光發(fā)生耦合，即，金屬芯的激發(fā)電場與電磁波發(fā)生諧振，釋放出更強的光。其機理可解釋為，金屬納米顆粒受到有源層的發(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)。
其中，電介質(zhì)外殼122用以將金屬芯121和有源層112隔開，避免金屬芯121和有源層112直接電接觸；并且，在LED工藝過程中的一些高溫步驟中，電介質(zhì)外殼112可以保護金屬芯121不會熔化變形或擴散到其他層中去。金屬納米顆粒113之間的間距大于等于金屬納米顆粒113的直徑，這樣可以避免金屬納米顆粒的激發(fā)電場相互產(chǎn)生影響。第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒的尺寸根據(jù)有源層發(fā)光的波長和金屬芯的材質(zhì)與形狀來決定，即，在LED類型和金屬芯材質(zhì)與形狀已定的情況下，第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒的尺寸決定了諧振的效果，這一數(shù)據(jù)可以根據(jù)有限次的實驗得出。假如，LED設(shè)計為發(fā)出波長446nm的綠光,金屬納米顆粒為球形，Ag材質(zhì),經(jīng)過實驗得到金屬納米顆粒直徑在 150nm時得到最好的諧振效果，那么該LED結(jié)構(gòu)中第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒的直徑為150nm。
更優(yōu)選的，在P型GaN層114表面還形成有第二金屬納米顆粒陣列115。這樣光在第二金屬納米顆粒陣列115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。
需知悉的是，本實施例只描述了對LED芯片中與本發(fā)明相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)，對于本發(fā)明沒有做出改進的公知部分，比如緩沖層、電流擴展層、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)公知常識將這些結(jié)構(gòu)添加到LED芯片相應(yīng)的結(jié)構(gòu)中去。
請參考圖1，其為本發(fā)明實施例的LED芯片制作方法的流程圖，所述方法包括如下步驟
步驟SlOl，提供襯底，在所述襯底上形成N型GaN層；
步驟S102，在所述N型GaN層上形成有源層和第一金屬納米顆粒陣列；
步驟S103，在所述N型GaN層上形成P型GaN層。
參照圖2A，執(zhí)行步驟S101，提供襯底110，在襯底110上形成N型GaN層111。通?？梢允褂肕OCVD方式來形成N型GaN層111。本實例中，所述襯底110為藍寶石(Al2O3)襯底。 當然，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(MgAl2O4X SiC, ZnS, ZnO或GaAs襯底。優(yōu)選的，襯底110經(jīng)過圖形化處理，這樣可以提高LED光析出率。
參照圖2B，執(zhí)行步驟S102，形成有源層112和第一金屬納米顆粒陣列?？梢赃x擇在 N型GaN層111上形成第一金屬納米顆粒陣列，然后形成有源層112 ;也可以先在N型GaN 層111上成有源層112，然后在有源層112上形成第一金屬納米顆粒陣列。本實施例中，先在N型GaN層111上成有源層112，然后在有源層112上形成第一金屬納米顆粒陣列。
具體的，有源層112優(yōu)選為多量子阱有源層，所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒113包括金屬芯121和電介質(zhì)外殼122。所述金屬芯121材質(zhì)為Au或Ag，所述電介質(zhì)外殼122材質(zhì)為Si02。第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒113的形狀優(yōu)選為球體，當然也可以是橢球或三角錐等形狀。第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒之間的間距大于等于金屬納米顆粒的直徑。
形成第一金屬納米顆粒陣列排布的方法，比如，將原廠含有金屬納米顆粒的溶液按需求稀釋到一定溶度，旋涂到有源層112上，待溶液蒸發(fā)后，金屬納米顆粒自助裝成陣列排布。這種方法工藝簡單，但自組裝的金屬納米顆粒之間的間距和金屬納米顆粒的尺寸和溶液相關(guān)，得到的為非規(guī)則排列的第一金屬納米顆粒陣列。要形成間距可控的規(guī)則分布的第一金屬納米顆粒陣列，可以選擇使用多孔陽極氧化鋁薄膜，不同型號的多孔陽極氧化鋁薄膜的孔洞間距分布不同。先將多孔陽極氧化鋁薄膜貼合在有源層112上，在多孔陽極氧化鋁薄膜上旋涂一定溶度的含有金屬納米顆粒的溶液，這樣金屬納米顆粒嵌入在多孔陽極氧化鋁薄膜的孔洞中，然后利用刻蝕的方法去除多孔陽極氧化鋁薄膜即可得到規(guī)則分布的第一金屬納米顆粒陣列。
參照圖2C，執(zhí)行步驟S103，形成P型GaN層114。通?？梢允褂肕OCVD方式來形成 P型GaN層114。優(yōu)選的，在形成P型GaN層114之后在所述P型GaN層表面形成第二金屬納米顆粒陣列115，可以采用形成第一金屬納米顆粒陣列的相同的方法來形成第二金屬納米顆粒陣列115。這樣從有源層112發(fā)出的光在第二金屬納米顆粒陣列115上發(fā)生散射，減小光在射出面發(fā)生全反射的比率，來提高光析出率，得到更好的發(fā)光效率。
同樣的，本實施例的步驟只描述了對LED芯片中與本發(fā)明相關(guān)部分的步驟，對于本發(fā)明沒有做出改進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等，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)公知常識將這些步驟添加到相應(yīng)的步驟中去。
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，所述LED芯片在有源層與其相鄰層的界面上形成有第一金屬納米顆粒陣列，能提高LED的內(nèi)量子效率，從而提高LED的發(fā)光效率。。
進一步的，在P型GaN層表面形成有第二金屬納米顆粒陣列，時LED內(nèi)部發(fā)生的光在所述第二金屬納米顆粒陣列上發(fā)生散射，提高LED的光析出率，進一步提高LED發(fā)光效率。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動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和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種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，其特征在于在所述有源層與其相鄰層的界面上形成有第一金屬納米顆粒陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的LED芯片，其特征在于所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒包括金屬芯和電介質(zhì)外殼。
3.如權(quán)利要求2所述的LED芯片，其特征在于所述金屬芯材質(zhì)為Au或Ag。
4.如權(quán)利要求2所述的LED芯片，其特征在于所述電介質(zhì)外殼材質(zhì)為Si02。
5.如權(quán)利要求2所述的LED芯片，其特征在于所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒的形狀為球形、橢球形或三角錐形中的一種。
6.如權(quán)利要求5所述的LED芯片，其特征在于所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒的形狀為球形。
7.如權(quán)利要求6所述的LED芯片，其特征在于所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒之間的間距大于等于所述金屬納米顆粒的直徑。
8.如權(quán)利要求1所述的LED芯片，其特征在于所述第一金屬納米顆粒陣列形成于所述有源層與P型GaN層的界面上。
9.如權(quán)利要求1所述的LED芯片，其特征在于所述第一金屬納米顆粒陣列形成于所述有源層與N型GaN層的界面上。
10.如權(quán)利要求1所述的LED芯片，其特征在于在所述P型GaN層表面形成有第二金屬納米顆粒陣列。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項所述的LED芯片，其特征在于所述襯底是經(jīng)過圖形化處理的藍寶石襯底。
12.—種如權(quán)利要求1所述的LED芯片的制造方法，包括提供襯底，在所述襯底上形成N型GaN層；在所述N型GaN層上形成有源層和第一金屬納米顆粒陣列；在所述N型GaN層上形成P型GaN層。
13.如權(quán)利要求12所述的LED芯片的制造方法，其特征在于先在N型GaN層上形成第一金屬納米顆粒陣列，然后形成有源層。
14.如權(quán)利要求12所述的LED芯片的制造方法，其特征在于先在N型GaN層上成有源層，然后在有源層上形成第一金屬納米顆粒陣列。
15.如權(quán)利要求12所述的LED芯片的制造方法，其特征在于所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒包括金屬芯和電介質(zhì)外殼。
16.如權(quán)利要求15所述的LED芯片的制造方法，其特征在于所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒的形狀為球形、橢球形或三角錐形中的一種。
17.如權(quán)利要求16所述的LED芯片的制造方法，其特征在于所述第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒之間的間距大于等于所述金屬納米顆粒的尺寸。
18.如權(quán)利要求12所述的LED芯片的制造方法，其特征在于在形成P型GaN層之后在所述P型GaN層表面形成第二金屬納米顆粒陣列。
19.如權(quán)利要求12所述的LED芯片的制造方法，其特征在于在形成所述N型GaN層前對所述襯底進行圖形化處理。全文摘要
本發(fā)明揭露了一種LED芯片及其制造方法，所述LED芯片在有源層與其相鄰層的界面上形成有第一金屬納米顆粒陣列。第一金屬納米顆粒陣列的金屬納米顆粒受到有源層的發(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與空穴發(fā)生無輻射復(fù)合的概率，提高了內(nèi)量子效應(yīng)，從而提高了LED芯片的發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/02GK102983236SQ20121053317
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者畢少強 申請人:映瑞光電科技(上海)有限公司