一种高出光效率的LED晶片及其制造方法

摘要

本发明公开了一种高出光效率的LED晶片及其制造方法，包括衬底，形成于衬底正面的半导体层，所述半导体层包括依次形成于衬底正面的N型半导体层、发光层以及P型半导体层，其特征在于，所述衬底为倒梯台形状，倒梯台衬底的侧边与垂直方向形成的夹角为30～45°；所述半导体层为倒梯台形状，倒梯台半导体层的侧边与衬底正面形成的夹角为50～70°，所述半导体层的底部表面积比所述衬底正面的表面积小。这样设置可以增大LED晶片的出光面积，减少光在LED晶片内发生全反射，提高LED晶片的出光效率，将光最大可能地从LED晶片内导出，同时也大大提高了LED晶片的使用寿命。

权利要求

1.一种高出光效率的LED晶片，包括衬底，形成于衬底正面的半导体层，所述半导体层包括依次形成于衬底正面的N型半导体层、发光层以及P型半导体层，其特征在于：所述衬底为倒梯台形状，倒梯台衬底的侧边与垂直方向形成的夹角为30～45°；所述半导体层为倒梯台形状，倒梯台半导体层的侧边与衬底正面形成的夹角为50～70°，所述半导体层的底部表面积比所述衬底正面的表面积小。

2.根据权利要求1所述高出光效率的LED晶片，其特征在于：所述倒梯台衬底的侧边与垂直方向形成的夹角为38°；倒梯台半导体层的侧边与衬底正面形成的夹角为60°。

3.根据权利要求1或2所述高出光效率的LED晶片，其特征在于：所述衬底与N型半导体层之间还设置有一层缓冲层，所述缓冲层与所述N型半导体层形成倒梯台形状，缓冲层的底部表面积比所述衬底正面的表面积小。

4.根据权利要求3所述高出光效率的LED晶片，其特征在于：所述倒梯台衬底的背面及侧面设置有反射层。

5.一种高出光效率的LED晶片制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)通过金属有机化学气相沉积或分子束外延技术在衬底上生长出半导体层形成外延片，所述半导体层为依次在衬底上生长的N型半导体层、发光层及P型半导体层；

(b)在外延片的表面沉积SiO2保护层，通过图形曝光半导体平面工艺，使用电感耦合等离子体刻蚀半导体层，使半导体层形成凹形台面及切割道，部分N型半导体层外露凹形台面，利用激光或钻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轴切割槽和Y轴切割槽，所述X轴切割槽和Y轴切割槽的深度为5～40μm，将外延片浸泡SiO2腐蚀溶液里，去除SiO2保护层；

(c)将外延片的背面研磨、精抛光，使衬底的厚度为80～200μm；

(d)利用相互成夹角的双束激光头，双束激光头的激光束形成交叉点，在衬底上切出V型槽，所述V型槽的位置与步骤(b)X轴切割槽和Y轴切割槽的位置对应，所述V型槽的夹角为60～90°，V型槽的深度为20～80μm，V型槽的开口宽度为30～500μm；

(e)采用蓝膜将步骤(d)切割的碎屑粘走，用水冲洗外延片，去除残留碎屑；

(f)将外延片浸泡在酸性混合溶液里，将步骤(b)X轴切割槽和Y轴切割槽两侧形成的半导体层吸光物质及步骤(d)切割V型槽时两侧碳化的衬底吸光物质蚀刻去除，使衬底为倒梯台形状，倒梯台衬底的侧边与垂直方向形成的夹角为30～45°，半导体层呈倒梯台形状，倒梯台半导体层的侧边与衬底正面形成的夹角为50～70°，所述半导体层的底部表面积比所述衬底正面的表面积小；

(g)在所述凹形台面制作N电极，在P型半导体层的表面制作P电极；

(h)裂片、点测分选。

6.根据权利要求5所述的LED晶片制造方法，其特征在于：步骤(f)所述酸性混合溶液为H2SO4和H3PO4的混合物，所述H2SO4与H3PO4在同一浓度时的体积比为(2～5)∶1，浸泡时所述混合物的温度为200～300℃，浸泡时间为5～30分钟。

7.根据权利要求5所述的LED晶片制造方法，其特征在于：步骤(f)所述倒梯台衬底的侧边与垂直方向形成的夹角为38°；所述倒梯台半导体层的侧边与衬底正面形成的夹角为60°。

8.根据权利要求5所述的LED晶片制造方法，其特征在于：步骤(f)在所述倒梯台衬底的底部及侧面形成有反射层。

9.根据权利要求8所述的LED晶片制造方法，其特征在于：所述反射层为氧化物反射层或/和金属反射层。

10.根据权利要求9所述的LED晶片制造方法，其特征在于：所述氧化物为SiO2或TiO2，所述金属为Au或Al或Ag。

说明书

一种高出光效率的LED晶片及其制造方法

【技术领域】

[0001] 本发明涉及一种LED晶片，尤其是涉及一种高出光效率的LED晶片及其制造方法。【背景技术】

[0002] 发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。

[0003] 为了获得高亮度的LED关键要提高器件的内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，主要原因是衬底的材料、外延材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出晶片。常规晶片的外形为立方体，两对侧面相互平行，这样有部分光在两个端面来回反射，直到完全被晶片所吸收，转化为热能，降低了晶片的出光效率。1993年，M.R.Krames等用磨成角度切割刀将四元LED晶片切割成倒梯台形状。晶片的四个侧面不再是相互平行，可以使得射到晶片侧面的光经侧面的反射到顶面，以小于临界角的角度射出；现有的几种提高晶片光提取效率的方法主要有改变晶片的几何外形，减少光在晶片内部的传播路程，降低光的吸收损耗，如上述采用倒梯台结构，控制和改变自发辐射，通常采用谐振腔或光子晶体等结构；采用表面粗糙方法，使光在粗糙的半导体和空气界面发生漫射，增加其透射的机会；此外还有利用倒装焊技术。但上述制造工艺相对比较复杂，且制作成本也比较高，不适应于目前大批量工业化生产的要求。【发明内容】

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种高出光效率的LED晶片，该LED晶片具有出光效率高及使用寿命长的特点。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高出光效率的LED晶片，包括衬底，形成于衬底正面的半导体层，所述半导体层包括依次形成于衬底正面的N型半导体层、发光层以及P型半导体层，其特征在于：所述衬底为倒梯台形状，倒梯台衬底的侧边与垂直方向形成的夹角为30～45°；所述半导体层为倒梯台形状，倒梯台半导体层的侧边与衬底正面形成的夹角为50～70°，所述半导体层的底部表面积比所述衬底正面的表面积小。

[0006] 本发明与现有技术相比的有益效果是：由于本发明将衬底设置成倒梯台形状，并将半导体层设置成倒梯台形状，半导体层的底部表面积比衬底正面的表面积小，这样设置可以增大半导体层的侧面发光面积，而衬底正面的表面积比半导体层的底部表面积大，半导体层侧面发出的光可以通过衬底正面将光反射出去，这样可以减少光损耗及避免光在半导体层内发生全反射，提高LED晶片的出光效率；将衬底设置成倒梯台形状，这样设置可以增大衬底的侧面发光面积，半导体层底部发出的光可以通过倒梯台衬底改变光线的出光角度，减少光损耗及避免光在衬底内发生全反射，进一步提高LED晶片的出光效率，将光线最大可能地从LED晶片内导出，避免光能转化为热能，大大提高了LED晶片的使用寿命。

[0007] 优先地，所述倒梯台衬底的侧边与垂直方向形成的夹角为38°；所述倒梯台半导体层的侧边与衬底正面形成的夹角为60°。这种结构是光在LED晶片内导出的最佳角度，可以大大提高LED晶片的出光效率及延长LED晶片的使用寿命。

[0008] 优先地，所述衬底与N型半导体层之间还设置有一层缓冲层，所述缓冲层与所述N型半导体层形成倒梯台形状，缓冲层的底部表面积比所述衬底正面的表面积小。这种结构的目的是为了使半导体层与衬底之间结合更好，同时也是为了提高LED晶片的出光效率、良率以及延长LED晶片的使用寿命。

[0009] 优先地，所述倒梯台衬底的背面及侧面设置有反射层。这种结构是为了使光从LED晶片的上表面出去，避免光从衬底的底部及侧边导出，减少光损耗，使LED晶片出来的光更集中。

[0010] 本发明要解决的另一技术问题是提供一种高出光效率的LED晶片制造方法，该方法制造LED晶片具有出光效率高及使用寿命长的特点。

[0011] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高出光效率的LED晶片制造方法，具体步骤包括(a)通过金属有机化学气相沉积或分子束外延技术在衬底上生长出半导体层形成外延片，所述半导体层为依次在衬底上生长的N型半导体层、发光层及P型半导体层；(b)在外延片的表面沉积SiO2保护层，通过图形曝光半导体平面工艺，使用电感耦合等离子体刻蚀半导体层，使半导体层形成凹形台面及切割道，部分N型半导体层外露凹形台面，利用激光或钻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轴切割槽和Y轴切割槽，所述X轴切割槽和Y轴切割槽的深度为5～40μm，将外延片浸泡SiO2腐蚀溶液里，去除SiO2保护层；(c)将外延片的背面研磨、精抛光，使衬底的厚度为80～200μm；(d)利用相互成夹角的双束激光头，双束激光头的激光束形成交叉点，在衬底上切出V型槽，所述V型槽的位置与步骤(b)X轴切割槽和Y轴切割槽的位置对应，所述V型槽的夹角为60～90°，V型槽的深度为20～80μm，V型槽的开口宽度为30～500μm；(e)采用蓝膜将步骤(d)切割的碎屑粘走，用水冲洗外延片，去除残留碎屑；(f)将外延片浸泡在酸性混合溶液里，将步骤(b)X轴切割槽和Y轴切割槽两侧形成的半导体层吸光物质及步骤(d)切割V型槽时两侧碳化的衬底吸光物质蚀刻去除，使衬底为倒梯台形状，倒梯台衬底的侧边与垂直方向形成的夹角为30～45°，半导体层呈倒梯台形，倒梯台半导体层的侧边与衬底正面形成的夹角为50～70°，所述半导体层的底部表面积比所述衬底正面的表面积小；(g)在所述凹形台面制作N电极，在P型半导体层的表面制作P电极；(h)裂片、点测分选。

[0012] 本发明与现有技术相比的有益效果是：由于本方法将衬底制作成倒梯台形状，并将半导体层制作成倒梯台形状，其中半导体层的底部表面积比衬底正面的表面积小，这样设置可以增大半导体层的侧面发光面积，而衬底正面的表面积比半导体层的底部表面积大，半导体层侧面发出的光可以通过衬底正面将光反射出去，这样可以减少光损耗及避免光在半导体层内发生全反射，提高LED晶片的出光效率；将衬底设置成倒梯台形状，这样设置可以增大衬底的侧面发光面积，半导体层底部发出的光可以通过倒梯台衬底改变光线的出光角度，减少光损耗及避免光在衬底内发生全反射，提高LED晶片的出光效率，将光线最大可能地从LED晶片内导出，避免光能转化为热能，大大提高了LED晶片的使用寿命。采用本发明制造方法还具有成本低、效率高及适合批量生产等优点。【附图说明】

[0013] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

[0014] 图1为本发明LED晶片切割前外延片的局部放大平面图。

[0015] 图2为本发明在外延片上的切割示意图。

[0016] 图3为本发明采用蓝膜去屑的示意图。

[0017] 图4为本发明单颗LED晶片切割后的侧视图。

[0018] 图5为图4所示LED晶片浸泡酸性混合溶液后的侧视图。

[0019] 附图标号说明：

[0020] 1-凹形台面 2-P型半导体层 3-X轴切割槽

[0021] 4-Y轴切割槽 5-发光层 6-N型半导体层

[0022] 7-缓冲层 8-衬底 10a-激光头

[0023] 10b-激光头 11a-光束 11b-光束

[0024] 12-衬底吸光物质 13-外延片 14-激光束交叉点[0025] 15-碎屑 15a-V型槽 16-蓝膜

[0026] 17-倒梯台半导体层 18-半导体层吸光物质 20-半导体层

[0027] 22-外延片 23-倒梯台衬底 25-反射层

[0028] 30-LED晶片【具体实施方式】

[0029] 参照附图1、图2、图3、图4、图5所述，本发明提供一种高出光效率的LED晶片30，包括衬底8，形成于衬底8正面的半导体层20，所述半导体层20包括依次形成于衬底8正面的N型半导体层6、发光层5以及P型半导体层2，所述衬底8为倒梯台形状，倒梯台衬底23的侧边与垂直方向形成的夹角θ为30～45°，即倒梯台衬底23的侧边与水平面形成的夹角β为45～60°，所述半导体层20设置为倒梯台形状，倒梯台半导体层17的侧边与衬底8正面形成的夹角α为50～70°，按该角度范围设置可以更大可能地将光从LED晶片30内导出；所述半导体层的底部表面积比所述衬底正面的表面积小。最好是倒梯台衬底
23的侧边与垂直方向形成的夹角θ为38°，即倒梯台衬底23的侧边与水平面形成的夹角β为52°，倒梯台半导体层17的侧边与衬底8正面形成的夹角α为60°。为了使半导体层20与衬底8之间结合更好，提高LED 晶片30的良率及延长LED晶片30的使用寿命，在衬底8与N型半导体层6之间还设置有一层缓冲层7，缓冲层7与N型半导体层6形成倒梯台形状，缓冲层7的底部表面积比衬底8正面的表面积小。为了使光从LED晶片30的上表面出去，避免光从衬底8的底部及侧边导出，减少光损耗，使LED晶片30出来的光更集中，在倒梯台衬底23的背面及侧面设置有反射层25，所述反射层25为氧化物反射层、金属反射层或者氧化物反射层和金属反射层的混合，所述氧化物一般采用SiO2或TiO2。所述衬底8可以采用蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。

[0030] 参照附图1、图2、图3、图4、图5所述，本发明还提供一种高出光效率的LED晶片30制造方法，首先，通过金属有机化学气相沉积或分子束外延技术在衬底8上生长出半导体层20形成外延片13，半导体层20为依次在衬底8上生长的N型半导体层6、发光层5及P型半导体层2；接下来在外延片13的表面沉积SiO2保护层，通过图形曝光半导体平面工艺，使用电感耦合等离子体刻蚀半导体层20，使半导体层20形成凹形台面1及切割道，部分N型半导体层6外露凹形台面1，利用激光或钻石刀在外延片13的正面沿切割道切割，在外延片13的正面形成X轴切割槽3和Y轴切割槽4，所述X轴切割槽3和Y轴切割槽4的深度为5～40μm，将外延片13浸泡SiO2腐蚀溶液里，去除SiO2保护层；接下来将外延片13的背面研磨、精抛光，使衬底8的厚度为80～200μm，最佳厚度为120～150μm，该厚度方便切割，同时也防止LED晶片30内部结构损伤；接下来利用相互成夹角的双束激光头10a、10b，双束激光头10a、10b对应的激光束11a、11b形成交叉点14，在衬底8上切出V型槽15a，所述V型槽15a的位置与X轴切割槽3和Y轴切割槽4的位置对应，V型槽15a的夹角2θ为60～90°，V型槽15a的深度为20～80μm，V型槽15a的开口宽度为30～
500μm；接下来采用蓝膜16将双束激光头10a、10b切割的衬底8碎屑15粘走，用水冲洗外延片13，去除残留碎屑15；接下来将外延片13浸泡在酸性混合溶液里，将X轴切割槽3和Y轴切割槽4两侧形成的半导体层吸光物质18及切割V型槽时两侧碳化的衬底吸光物质12蚀刻去除，使衬底8为倒梯台形状，倒梯台衬底23的侧边与垂直方向形成的夹角θ为30～
45°，即倒梯台23的侧边与水平面形成的夹角β为45～60°，半导体层20呈倒梯台形状，倒梯台半导体层17的侧边与衬底8正面形成的夹角α为50～70°，所述半导体层20的底部表面积比所述衬底8正面的表面积小。最好是倒梯台衬底23的侧边与垂直方向形成的夹角θ为38°，即倒梯台衬底23的侧边与水平面形成的夹角β为52°，倒梯台半导体层17的侧边与衬底8正面形成的最佳夹角为60°。为了使半导体层20与衬底8之间结合更好，提高LED晶片30的良率及延长LED晶片30的使用寿命，在衬底8与N型半导体层
6之间还设置有一层缓冲层7，缓冲层7与N型半导体层6形成倒梯台形状，缓冲层7的底部表面积比衬底8正面的表面积小。所述酸性混合溶液为H2SO4和H3PO4的混合物，H2SO4与H3PO4在同一浓度时的体积比为(2～5)∶1，浸泡时所述混合物的温度为200～300℃，浸泡时间为5～30分钟；接下来在凹形台面1制作N电极，在P型半导体层2表面制作P电极；最后采用裂片机对外延片13进行裂片以及点测分选，完成高出光效率的LED晶片30制作过程。为了使光从LED晶片30的上表面出去，避免光从衬底8的底部及侧边导出，减少光损耗，使LED晶片30出来的光更集中，在倒梯台衬底23背面及侧面通过蒸镀或者其它方法形成一层反射层25，所述反射层25为氧化物反射层、金属反射层或者氧化物反射层和金属反射层的混合，所述氧化物一般采用SiO2或TiO2，所述金属为Au或Al或Ag。所述衬底
8可以采用蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。

[0031] 由于本发明将衬底8设置成倒梯台形状，并将半导体层20设置成倒梯台形状，半导体层20的底部表面积比衬底8正面的表面积小，这样设置可以增大半导体层20的侧面发光面积，而衬底8正面的表面积比半导体层20的底部表面积大，半导体层20侧面发出的光可以通过衬底8正面将光反射出去，这样可以减少光损耗及避免光在半导体层20内发生全反射，提高LED晶片30的出光效率；将衬底设置成倒梯台形状，这样设置可以增大衬底的侧面发光面积，半导体层20底部发出的光可以通过倒梯台衬底23改变光线的出光角度，减少光损耗及避免光在衬底8内发生全反射，提高LED晶片30的出光效率，将光线最大可能地从LED晶片30内导出，避免光能转化为热能，大大提高了LED晶片30的使用寿命。采用本发明制造方法还具有成本低、效率高及适合批量生产等优点。

[0032] 以上所述均以方便说明本发明，在不脱离本发明创作的精神范畴内，熟悉此技术的本领域的技术人员所做的各种简单的变相与修饰仍属于本发明的保护范围。