CN101929610A - 一种大功率正装led芯片结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率正装LED芯片结构，包括透明钝化层、P压焊点、透明电极层、N电极、LED外延层、蓝宝石衬底、反射及焊料层，其中：所述的反射及焊料层表面上通过光学镀膜的方式形成有DBR光学反射层，所述的反射及焊料层底部设置有一高导热基座层；本发明所述的大功率正装LED芯片通过采用导热基座和DBR光学反射膜的结合，解决了大功率LED芯片在高电流密度小所遇到的散热及提高出光效率的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其是涉及一种高导热、高取光效率的大功率正装LED芯片结构。
背景技术
目前，蓝光、绿光等发光二极管(LED)的基本结构是在蓝宝石衬底上外延生长InGaN/GaN发光半导体材料，然后在外延层的上表面制作正/负电极用于注入电流使之将电能转换成光能。如图-1所示，其是典型的蓝光LED芯片的剖面结构示意图，该芯片主要由三部分组成，蓝宝石衬底11，外延层12，以及欧姆电极13(包含p、n两个电极)，正极欧姆电极是制作在p型GaN层上。为了改善电流注入的均匀性，通常需要在p型GaN层上先沉积一层透明导电接触层，负极欧姆电极是制作在n型GaN层上，这需要将部分p型GaN层刻蚀去除。这种将两个电极制作在同一侧的器件结构是因为蓝宝石衬底不导电，但是这种结构同时也局限了芯片表面发光区的面积，降低了芯片的发光效率。此外，蓝宝石衬底的低导热性使之作为芯片与外界的散热通道限制了芯片在大电流下的可靠性能，这是因为蓝宝石衬底的导热系数只有0.4W/K.cm。散热问题也成为阻碍大功率LED芯片发展的主要问题之一，因为量子阱的发光效率会随着量子阱温度的上升而急剧降低。
为了解决散热问题，现有技术中选择导热性能更优良的衬底作为原始芯片材料生长的基座，如SiC作为GaN-基LED的衬底，其由于衬底是导电的，可以实现单电极结构，还克服了双电极在表面阻挡出光的问题，提高了出光效率。但是SiC衬底由于成本问题始终没有被广泛采用，目前蓝宝石的成本只是SiC的1/10，优势明显，仍然是GaN基LED生产的主流。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的大功率LED散热性差、取光效率不高的问题，提供一种高导热、高出光效率的大功率正装LED芯片结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：提供一种大功率正装LED芯片结构，包括透明钝化层、P压焊点、透明电极层、N电极、LED外延层、蓝宝石衬底、反射及焊料层，其中：所述的反射及焊料层表面上通过光学镀膜的方式形成有DBR(分布式布拉格反射镜)光学反射层，所述的反射及焊料层底部设置有一高导热基座层。
与现有技术相比，本发明所述的大功率正装LED芯片通过采用导热基座和DBR光学反射膜的结合，解决了大功率LED芯片在高电流密度小所遇到的散热及提高出光效率的问题，采用这种结构的芯片还具有以下优点：
1、利用DBR光学反射膜使得LED外延层向下发出的光能够被高效反射并从芯片的发光区出射，提高出光效率，薄膜厚度的DBR光学反射薄膜能够特定波长的光反射率提高至99％以上，这将为提高芯片的外量子效率提供的基础。
2、本发明所述的芯片结构通过设置高散热导热基座，使得芯片散热能力显著改善，由于LED外延层的电-光转换效率是随着温度的增加而降低，本发明的LED芯片在散热性能上的改善使得芯片可以在大电流下仍然维持较高的电-光转换效率，实现大功率高亮度。
附图说明
图1是现有技术中LED的芯片结构示意图；
图2是本发明实施例的正装芯片结构剖面示意图；
图2a-g是本发明实施例的正装芯片结构制备过程的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明提供一种大功率正装LED芯片结构，包括透明钝化层21、P压焊点22、透明电极层23、N电极24、LED外延层25、蓝宝石衬底26、反射及焊料层28，其中：所述的反射及焊料层28表面上通过光学镀膜的方式形成有DBR光学反射层27，所述的反射及焊料层28底部设置有一高导热基座层29。
本发明实施例大功率正装LED芯片结构所述的高导热基座29，它可以是金属Cu、CuW合金、AuAl、Si、GaAs、InP、AlN、金刚石、镍铁合金或镍等材料制成，它的厚度范围是在50-00微米内；所述的焊料反射层28，它可以是Ag、Al、Ag合金、Al合金、铟(In)、铟合金、Cu、金锡焊料、铅锡焊料、银浆或导电胶等，及包括但不局限于以上所述材料或是以上所述材料的任意组合；所述的DBR光学反射薄膜27，它可以是SiO2、TiO2和ZnO等光学薄膜，采用蒸发，溅射，涂布等光学镀膜方式采用包但不局限于上述材料交替沉积而成；所述的蓝宝石衬底26，厚度范围在5-100微米内，采用化学和机械方法减薄至所需厚度；所述的p型透明接触层23，采用Ni/Au、Pt、WSi、W、ITO等等透明导电材料；所述的LED芯片n电极24和p压焊点22，可以是Ti/Al/Ti/Au、Cr/Ni/Al或Cr/Ni/Au等多层金属结构；所述的透明钝化层21，可以是SiO2、Si3N4、SiNyOx等透明钝化材料采用蒸发，溅射，等离子体化学反应，涂布等薄膜制备方法使用。
如图2a-g所示，其为本发明实施例所述的大功率正装LED芯片结构的制备过程：
1)p型透明电极层23的制备：采用蒸发，溅射，等离子体化学反应，涂布等薄膜制备方法.包括但不局限于以上所述方法.此时LED芯片包含透明电极层23，外延层25，蓝宝石衬底26，如图2a所示；
2)外延层25的刻蚀：在LED外延片5特定区域采用选择性刻蚀的方法暴露出n型外延层25.刻蚀方法包括干法刻蚀(等离子体刻蚀)、湿法腐蚀(化学腐蚀)和选择性刻蚀，该选择性刻蚀所采用的掩模包括但有机光敏性掩模和无机掩模，此时LED芯片包含透明电极层23，外延层25，蓝宝石衬底26，如图2b所示；
3)p压焊点22及n电极24的制备：采用蒸发，溅射，等离子体化学反应，涂布等薄膜制备方法制备在LED外延片25表面特定区域沉积形成p，n外延区域上相对应形成p，n压焊点，此时LED芯片包含p压焊点22，透明电极层23，n电极24，外延层25，蓝宝石衬底26，如图2c所示；
4)透明钝化层21的制备：采用蒸发，溅射，等离子体化学反应涂布等薄膜制备方法，并采用干法刻蚀或湿法腐蚀方法开出窗口，此时LED芯片包含透明钝化层21，p压焊点22，透明电极层23，n电极24，外延层25，蓝宝石衬底26，如图2d所示；
5)蓝宝石衬底26的减薄：由于蓝宝石衬底26是不良导热层，需要将其通过机械研磨的方式减薄至10-50微米尺寸范围内，如图2e所示；
6)清洗蓝宝石衬底26表面：采用丙酮，异丙醇，酒精等化学制剂，清洗减薄后的蓝宝石衬底26表面，去除表面脏污；
7)DRB光学反射层27的制备：采用蒸发，溅射，涂布，等离子体化学反应等光学薄膜制备方式，DBR光学发射层27采用的材料及薄膜厚度根据发光二极管出光波长来决定和计算，该DBR光学薄膜的厚度和薄膜材料的选择需要考虑LED发光波长，及相位，一般光学厚度为真空波长的1/4，实际生长厚度需要通过MATLAB等软件计算模拟。此时LED芯片包含透明钝化层21，p压焊点22，透明电极层23，n电极24，外延层25，蓝宝石衬底26，DBR光学反射层27，如图2f所示；
8)焊料层或反射层28制备：采用蒸发，溅射，电镀，刷涂或其他薄膜制备方法，此时LED芯片包含透明钝化层21，p压焊点22，透明电极层23，n电极24，外延层25，蓝宝石衬底26，DBR光学反射层27，焊料及反射层28，如图2g所示；
9)高导热基座29的制备：高导热基座29的制作采用LED外延片25粘接或电镀的方法，具体包括：1)焊料层28蒸镀，用于粘接外延圆片和高导热基座或作为电镀之预镀层；2)LED外延片25与高导热基座29的粘接；该高导热基座主要采用蒸发，溅射，电镀，刷涂，键合或其他薄膜制备方法，此时LED芯片包含透明钝化层21，p压焊点22，透明电极层23，n电极24，外延层25，蓝宝石衬底26，DBR光学反射层27，焊料及反射层28，导热基座29，如图2所示。
上述方法完成了本发明实施例所述的大功率正装LED的芯片结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种大功率正装LED芯片结构，包括透明钝化层、P压焊点、透明电极层、N电极、LED外延层、蓝宝石衬底、反射及焊料层，其特征在于：所述的反射及焊料层表面上通过光学镀膜的方式形成有DBR光学反射层，所述的反射及焊料层底部设置有一高导热基座层。
2.根据权利要求1所述的大功率正装LED芯片结构，其特征在于：所述的DBR光学反射层是通过蒸发，溅射或涂布的光学镀膜方式沉积而成。
3.根据权利要求2所述的大功率LED的芯片结构，其特征在于：所述的DBR光学反射层采用SiO2、TiO2，和ZnO材料交替镀膜沉积而成。
4.根据权利要求1所述的大功率正装LED芯片结构，其特征在于：所述的蓝宝石衬底的厚度为10一50微米。
5.根据权利要求1所述的大功率正装LED芯片结构，其特征在于：所述的高导热基座的厚度为50-500微米。
6.根据权利要求5所述的大功率正装LED芯片结构，其特征在于：所述的高导热基座采用Cu、CuW合金、AuAl、Si、GaAs、InP、AlN、金刚石、镍铁合金或镍材料制成。
7.根据权利要求6所述的大功率正装LED芯片结构，其特征在于：所述的高导热基座是采用芯片粘接或电镀的方法制备而成。
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