[发明专利]一种高出光效率的发光二极管芯片及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件领域，特别涉及一种发光二极管芯片及其制作方法，尤其涉及一种折射率梯度变化的ITO薄膜层的发光二极管芯片及其制作方法。

技术背景

半导体照明是一项新兴技术，它具有绿色环保、节能安全等突出优点，是新一代照明的希望之星。发光二极管（LED）是一种将电能转化为光能的发光器件，广泛用于指示、显示、装饰、照明等诸多领域。并且，由于其突出的节能环保特性和日益提高的发光效率，越来越多的被用于通用照明领域和LCD背光源领域。但要想获得更广阔的发展空间就必须要在发光效率上不断提高以突显其节能特性。

更为重要的是，由于通常III族氮化物半导体材料折射率都远大于1，所以半导体内部产生的部分光在出射时会在界面处发生全反射现象，折射率差越大则被反射回的光越多，从而造成大量的光无法出射，导致发光二极管芯片发光效率低下。

以常规的氮化物发光二极管为例，GaN材料的折射率大约为2.5，SiO₂的折射率为1.47左右，而通常ITO的折射率为1.8。因此，当光由GaN正表面出射时会在GaN/ITO及ITO/SiO₂的分界面处分别发生全反射，造成一部分光无法出射，这就大大影响了芯片的发光效率。

为了克服折射率差异所带来的全反射问题，很多研究工作已经被广泛开展起来，主要包括表面粗糙化处理技术（surface roughness），通过增加随机出射光的方式来减小全反射带来的影响；也有在氮化物表面制作图形化结构以减轻全反射效应来增加出光的方法。但目前仍然没有一项技术可以较好地解决这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高出光效率的发光二极管芯片及其制作方法，能够减轻分界面处的全反射，提高出光效率。

为了解决上述问题，本发明提出一种高出光效率的发光二极管芯片，包括在衬底上依次设置的N型半导体层、有源层、P型半导体层、电流扩展层以及绝缘覆盖层，其中，电流扩散层的折射率值处于在P型半导体层与绝缘覆盖层两者的折射率值之间，并且沿着垂直于电流扩散层表面的方向上梯度分布，使电流扩散层与绝缘覆盖层的界面，以及电流扩散层与P型半导体层的界面处的折射率差降低，从而减轻界面处的全反射。

其中，电流扩展层使用的材料为透射率高及导电性好的ITO膜、GZO（ZnO:Ga）膜、AZO（ZnO:Al）膜和IZO（ZnO：In）膜等透明导电材料。在这些材料中，可以通过在上述各种薄膜的生长过程中调整O₂的流量、蒸发速率或者改变镀膜源材料中各组分的相对含量及其他掺杂金属的质量百分比来形成梯度变化的折射率，减缓与其相邻的上下两个异质层之间的折射率差异。

可选的，N型半导体层、有源层和P型半导体层可以采用氮化物材料，例如GaN、AlN、InN，或者上述三者之间组合而成的多元化合物。绝缘覆盖层的材料例如可以是二氧化硅。

若N型半导体层、有源层和P型半导体层的材料为GaN，其折射率为2.4，绝缘覆盖层的材料为是二氧化硅，其折射率为1.47，则电流扩展层，例如ITO膜，的折射率应当在2.4和1.47之间梯度变化。

本发明进一步提供了一种上述芯片的制作方法，包括以下步骤：在衬底上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层；在P型半导体层上制作用于实现欧姆接触的电流扩展层，在生长过程中逐渐改变反应条件从而形成一折射率梯度变化的电流扩展层；在薄膜层表面生长绝缘覆盖层。

以上生长电流扩展层的步骤中，对于大部分含氧的化合物，可以通过改变反应过程中O₂气体的流量来改变折射率。蒸发速率对电流扩展层的微观结构、光电性质都有影响，故也可以通过改变镀膜时的蒸发速率来形成折射率梯度变化的电流扩展层。在反应过程中，蒸发速率的变化范围为0.01～0.5nm/s。

可选的，电流扩展层为ITO薄膜的情况下，SnO₂与In₂O₃的质量比为1：9～0.5：9.5，可以是高密块状ITO源，也可以是陶瓷烧结的低密度ITO源。在生长ITO薄膜的过程中，蒸发源中可掺入低熔点的高价金属氧化物烧结剂如Nb₂O₅、Ta₂O₅、Sb₂O₅、Bi₂O₅和TiO₂、ZrO₂、ZnO等中的一种或多种。