CN102231413A - 发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管芯片，其包括一个导热基板及依次在导热基板表面形成的半导体层、透明电极层和电极接触垫。该半导体层包括p型半导体层、活性层及n型半导体层。透明电极层和电极接触垫设置在n型半导体层的表面。在n型半导体层表面设置有蚀刻孔洞，蚀刻孔洞的分布密度和尺寸沿着远离电极接触垫的方向逐渐变小。在p型半导体层表面设置有电流阻挡层。本发明通过在n型半导体层表面设置渐变分布密度和尺寸的蚀刻孔洞，并配合n型半导体层表面具有互补形状的电流阻挡层，使电流在活性层的分布更加均匀，从而提高芯片的发光效率。本发明还提供了一种发光二极管芯片的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管芯片，尤其涉及一种可提高发光效率的发光二极管芯片以及该发光二极管芯片的制作方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种可将电流转换成特定波长范围的光的半导体元件。发光二极管以其亮度高、工作电压低、功耗小、易与集成电路匹配、驱动简单、寿命长等优点，从而可作为光源而广泛应用于照明领域。
LED通常包括p型半导体层、活性层及n型半导体层。在LED两端施加电压，空穴和电子将会在活性层复合，辐射出光子。LED在应用过程中所面临的一个问题是其出光效率问题。由于在活性层中有电流通过才能产生光子，因此LED的出光效率与电流在LED器件表面的分布均匀性有很大关系。一种提高LED出光效率的方法是在电极下方外延生长一层电流扩展层，利用电流扩展层使注入电流横向扩展，从而使电流在器件表面分布均匀，从而提高其出光效率。这种方法的一个不足之处在于，电流扩展层的厚度与LED器件的面积成正比关系，LED器件的面积越大，所需电流扩展层就越厚。由于现有的外延生长技术较难获得厚度较大，掺杂浓度较高的电流扩展层，使到电流扩展层的横向电流扩展能力有限。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有较高发光效率的发光二极管芯片。
一种发光二极管芯片，其包括一个导热基板及依次在导热基板表面形成的半导体层、透明电极层和电极接触垫。该半导体层包括在导热基板上依次层叠设置的p型半导体层、活性层及n型半导体层。透明电极层和电极接触垫设置在n型半导体层的表面。在n型半导体层与活性层相对的表面设置有多个蚀刻孔洞，在最靠近电极接触垫的地方蚀刻孔洞的分布密度最高，沿远离电极接触垫的方向上蚀刻孔洞的分布密度逐渐变小且蚀刻孔洞的尺寸也逐渐变小。在p型半导体层与活性层相对的表面上设置有电流阻挡层，该电流阻挡层的图案与蚀刻孔洞的图案成互补关系。
一种发光二极管芯片的制作方法，其步骤为：
提供一个蓝宝石基板；
在蓝宝石基板上依次形成n型半导体层、活性层及p型半导体层；
在p型半导体层表面蚀刻出电流阻挡层所需的图案，然后在图案中填充电绝缘介质，形成电流阻挡层；
在p型半导体层表面沉积一层反射层；
将p型半导体层与导热基板结合，移除蓝宝石基板；
对n型半导体层的表面进行蚀刻，形成所需的蚀刻孔洞，该蚀刻孔洞的图案与电流阻挡层的图案成互补关系；
在n型半导体层表面制作透明电极层；
在透明电极层表面制作电极接触垫。
与现有技术相比，本发明通过在靠近电极接触垫的地方设置分布密度较高和尺寸较大的蚀刻孔洞，而在远离电极接触垫的地方设置分布密度较低和尺寸较小的蚀刻孔洞，来驱使电流朝远离电流接触垫的方向流动，使电流分布均匀。原因在于靠近电极接触垫的地方，因为蚀刻孔洞的分布密度较高即阻值较大，从而驱动电流朝蚀刻孔洞分布密度较小即阻值较小的地方扩散。从而使电流沿着电流接触垫向周围扩散。同时，为了使正对着被蚀刻部分的活性层也有电流流过，在p型半导体层表面设置与蚀刻孔洞图案成互补关系的电流阻挡层，使电流因为电流阻挡层的作用往两边扩散，即让电流在活性层上分布均匀，从而提高整个器件的发光效率。
附图说明
图1是本发明实施例的发光二极管芯片的结构示意图。
图2是本发明实施例中的蚀刻孔洞的图案形状。
图3A图3J是本发明实施例的发光二极管芯片的制作过程中的剖面示意图。
具体实施方式
下面以具体的实施例对本发明作进一步地说明。
请参见图1，本发明实施例的发光二极管芯片100包括一个导热基板11及依次在导热基板11表面形成的半导体层12、透明电极层13和电极接触垫14。
导热基板11由具有高导热率的材料制成，其可以是采用铜、铝、镍、银、金等金属材料或者任意两种以上金属所形成的合金所制成的基板，或者是采用导热性能好的陶瓷基板如硅基板、锗基板。在本实施例中，导热基板11为具有高导热效率的金属镍层。
半导体层12包括在导热基板11上依次层叠的p型半导体层121、活性层122及n型半导体层123。该半导体层12的制作材料包括氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓。在本实施例中，该半导体层12由氮化镓材料制成。
透明电极层13设置在n型半导体层123的表面，该透明电极层13采用ITO(Indium TinOxide)透明导电膜制成。使用该透明电极层13不会阻挡本发光二极管芯片100的出射光线，从而提高发光二极管芯片100的出光效率。在本实施例中，透明电极层13的形状与n型半导体层123的表面形状相一致。
电极接触垫14设置在透明电极层13的表面，作为发光二极管芯片100与外界电源的连接区域。该n型接触垫14由银、金、铜、铝等金属材料制成。在本实施例中，电极接触垫14设置在发光二极管芯片100的中心位置。
在n型半导体层123与活性层122相对的表面上设置有多个蚀刻孔洞124，如图2所示。在离电极接触垫14最近的地方，蚀刻孔洞124的分布密度最高。沿远离电极接触垫14的方向，蚀刻孔洞124的分布密度和尺寸逐渐变小，形成一个具有渐变的分布密度和尺寸的图案。在本实施例中，蚀刻孔洞124分布在电极接触垫14的周围，蚀刻孔洞124围成多个不同半径的圆环型图案。每个圆环型图案由相同大小和形状蚀刻孔洞124组成。本实施例的蚀刻孔洞124的形状为圆形，该圆形的蚀刻孔洞124在靠近电极接触垫14的地方上直径最大。在远离电极接触垫14的方向上，蚀刻孔洞124的直径逐渐变小。并且，沿远离电极接触垫14的方向上，各圆环型图案之间的距离也越来越大，组成同一个圆环型图案的蚀刻孔洞124之间的距离也越来越大。
在n型半导体层123表面设置多个蚀刻孔洞124的作用在于，由于蚀刻孔洞124在靠近电极接触垫14的分布密度较大即阻值较大，在远离电极接触垫14的地方分布密度较小即阻值较小，从而驱使电流从蚀刻孔洞124分布密度较大的地方流向蚀刻孔洞124分布密度较小的地方，即使电流朝远离电极接触垫14的方向流动，使电流分布均匀，提高发光二极管芯片100的发光效率。
根据需要，组成圆环型图案的蚀刻孔洞124的图案也可以为正三角形、正方形、正六边形、正多边形或者其他规则或者不规则的形状。该蚀刻孔洞124的尺寸沿着远离电极接触垫14的方向逐渐变小。
蚀刻孔洞124的深度约为n型半导体层123厚度的1/3到2/3。其目的在于不能使蚀刻孔洞124太过靠近活性层122。如果蚀刻孔洞124过于靠近活性层122的话，在蚀刻孔洞124相应位置上的活性层122将没有电流通过，使到器件的发光效率降低。因此在蚀刻孔洞124与活性层122之间设置一定的间距使电流分散。以厚度为3μm的n型半导体层123为例，蚀刻孔洞124的厚度最好在1μm到2μm之间，即蚀刻孔洞的深度最好在1μm到2μm之间。
活性层122设置在p型半导体层121与n型半导体层123之间，当在p型半导体层121与n型半导体层123之间施加电压时，活性层122将会有电流通过，即p型半导体层121中的空穴和n型半导体层123中的电子复合，从而辐射出光子。
p型半导体层121处于活性层122与导热基板11之间。在p型半导体层121与导热基板11相接触的表面设置有电流阻挡层125，该电流阻挡层125由绝缘材料组成。本实施例中电流阻挡层125的材料为二氧化硅材料。该电流阻挡层125图案与蚀刻孔洞124所组成的图案成互补关系，即在n型半导体层123表面设置有蚀刻孔洞124的地方，在p型半导体层121的相应位置上就没有设置电流阻挡层125；而在没有设置蚀刻孔洞124的地方，在p型半导体层121的相应位置上就设置有电流阻挡层125。
设置电流阻挡层125的作用在于，使到被蚀刻孔洞124遮挡的活性层122部分也有电流通过。如果没有电流阻挡层125，当整个发光二极管芯片100在通电时，电流将直接从未被蚀刻的n型半导体层123通向其下方相对应的活性层122，然后到达p型半导体层，使到旁边蚀刻孔洞124所对应的活性层122电流较少。如果在未被蚀刻的n型半导体层123的对应位置设置具有绝缘性能的电流阻挡层125，电流将会在电流阻挡层125的作用下往两边扩散，使到旁边蚀刻孔洞124所对应的活性层122也有电流通过，使电流在整个活性层122分布均匀，提高器件的发光效率。
该电流阻挡层125的厚度约为p型半导体层121厚度的1/3到2/3。与n型半导体层123中的蚀刻孔洞124类似，电流阻挡层125不能太过靠近活性层122，原因在于电流阻挡层125与活性层122之间需要预留一定的间距使电流均匀分布。以厚度为0.3μm的p型半导体层121为例，其电流阻挡层125的厚度最好在0.1μm至0.2μm之间。
在本实施例的发光二极管芯片100中，设置在n型半导体层123上的蚀刻孔洞124所组成的图案与设置在p型半导体层123表面的电流阻挡层125的图案成互补关系。因此在发光二极管芯片100的制作过程中需要精确定位。一种定位的方法在发光二极管芯片100的任何位置设置定位孔，该定位孔的作用在于确定电流阻挡层125图案的位置，然后在n型半导体层123上制作蚀刻孔洞124时，使蚀刻孔洞124的图案与电流阻挡层125的图案保持互补关系。该定位孔从p型半导体层121延伸到n型半导体层123。事实上，本定位方法并不限于定位孔，其也可以使用其他定位方法，只要使到蚀刻孔洞124所组成的图案与电流阻挡层125的图案成互补关系即可。
根据需要，在p型半导体层121与导热基板11之间还可以设置一层具有高反射率的反射层15，该反射层15可以是布拉格反射层，也可以是由银、镍、铝、铜、金等金属所制成的金属镜面反射层。该反射层15的目的在于将活性层122所发出的，朝向p型半导体层121的光线反射，使其从n型半导体层123表面发出，提高整个发光二极管芯片100的出光效率。
下面对上述发光二极管芯片100的制作方法进行描述。
图3A-图3I为本实施例发光二极管芯片100的制作方法，其步骤包括：
参见图3A，首先提供一个蓝宝石基板16；
参见图3B，采用金属有机化学气相沉积法(MOCVD，metal organic chemical vapourdeposition)在蓝宝石基板16上依次形成n型GaN层123、活性层122和p型GaN层121。
参见图3C，采用感应耦合式电浆(ICP，Inductive Couple Plasma)蚀刻系统在p型GaN层121的表面蚀刻出所需的电流阻挡层125的图案凹孔。其蚀刻方法可以是先在p型GaN层121的表面涂上光阻层，然后采用曝光显影的方法在去除相应的光阻层，然后用ICP蚀刻的方法蚀刻未被光阻层覆盖的部分，从而在p型GaN层121的表面形成所需电流阻挡层125的图案。在凹孔上沉积二氧化硅绝缘材料，以形成电流阻挡层125，如图3D所示。该电流阻挡层125的深度约为p型GaN层121厚度的1/3到2/3。
此时，可以采用ICP蚀刻方法在半导体层的任意位置制作一个定位孔，该定位孔从p型GaN层121延伸到n型GaN层123，用于后续电流阻挡层125与n型GaN层123中蚀刻图案125的精确定位所用。
根据需要，此时可以在p型GaN层121上沉积一层具有高反射率的反射层15，如图3E所示。该反射层15可以是布拉格反射层，也可以是由银、镍、铝、铜、金等金属所制成的金属镜面反射层。该反射层15的目的在于将活性层122所发出的，朝向p型GaN层121的光线反射，使其从n型GaN层123表面发出，提高整个发光二极管芯片100的出光效率。在本实施例中，反射层15为银层。金属层的沉积方法可以通过电子束、溅射、真空蒸镀或者电镀的方式来实现。
参见图3F，将p型GaN层121通过反射层15与导热基板11相结合。其结合的方式可以通过高温高压的方式与Si基板或者金属基板结合，或者是采用电镀的方式来形成导热基板11。在本实施例中，采用电镀的方式在反射层15上电镀上一层金属镍层。采用这层金属镍层作为导热基板11。
参见图3G，将蓝宝石基板16与上述结构剥离。其剥离方法可以采用机械切割或者采用电磁辐射使半导体层分解又或者是激光切割的方法。在本实施例中，采用准分子激光切割的方法剥离蓝宝石基板16。使n型GaN层123显露出来。
参见图3H，采用ICP蚀刻方法在n型GaN层123的表面蚀刻出具有渐变的分布密度和尺寸的蚀刻孔洞124，该蚀刻孔洞124所组成的图案与电流阻挡层125的图案成互补关系。即在n型半导体层123表面设置有蚀刻孔洞124的地方，在p型半导体层121的相应位置上就没有设置电流阻挡层125；而在没有设置蚀刻孔洞124的地方，在p型半导体层121的相应位置上就设置有电流阻挡层125。该图案层125蚀刻的深度约为n型GaN层123厚度的1/3到2/3。
参见图3I，在n型GaN层123的表面沉积透明电极层13，该透明电极层13的完全覆盖n型GaN层123的表面，透明电极层13的图案形状与n型GaN层123的表面形状相一致，同时也与电流阻挡层125的图案相一致。即具有透明电极层13图案的地方，在p型半导体层121相应的位置上就设置有电流阻挡层125。
事实上，也可以先在n型GaN层123的表面沉积透明电极层13，然后再通过ICP蚀刻方法在n型GaN层123的表面蚀刻出渐变密度和尺寸的蚀刻图案125。
根据需要，还可以在透明电极层13表面制作一个n型接触垫14，如图3J所示，作为发光二极管芯片100与外界电源的连接区域。该n型接触垫14由银、金、铜、铝、镍等金属或者以上任意两种金属所形成的合金制成。在本实施例中，n型接触垫14采用银层接触垫。
在上述的制作过程中，在离电极接触垫14最近的地方，蚀刻孔洞124的分布密度最高。在远离电极接触垫14的方向上，蚀刻孔洞124的分布密度和尺寸逐渐变小，形成一个具有渐变的分布密度和尺寸的图案。在本实施例中，蚀刻孔洞124分布在电极接触垫14的周围，蚀刻孔洞124围成多个不同半径的圆环型图案。每个圆环型图案由相同大小和形状蚀刻孔洞124组成。本实施例的蚀刻孔洞124的形状为圆形，该圆形的蚀刻孔洞124在靠近电极接触垫14的地方上直径最大。在远离电极接触垫14的方向上，蚀刻孔洞124的直径逐渐变小。并且，沿远离电极接触垫14的方向上，各圆环型图案之间的距离也越来越大，组成同一个圆环型图案的蚀刻孔洞124之间的距离也越来越大。
根据需要，组成圆环型图案的蚀刻孔洞124的图案也可以为正三角形、正方形、正六边形、正多边形或者其他规则或者不规则的形状。该蚀刻孔洞124的尺寸沿着远离电极接触垫14的方向逐渐变小。
应该指出，上述实施方式仅为本发明的较佳实施方式，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管芯片，其包括：一个导热基板及依次在导热基板表面形成的半导体层、透明电极层和电极接触垫，该半导体层包括在导热基板上依次层叠设置的p型半导体层、活性层及n型半导体层，透明电极层和电极接触垫设置在n型半导体层的表面，在n型半导体层与活性层相对的表面设置有多个蚀刻孔洞，在最靠近电极接触垫的地方蚀刻孔洞的分布密度最高，沿远离电极接触垫的方向上蚀刻孔洞的分布密度逐渐变小且蚀刻孔洞的尺寸也逐渐变小，在p型半导体层与活性层相对的表面上设置有电流阻挡层，该电流阻挡层的图案与蚀刻孔洞的图案成互补关系。
2.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述电极接触垫设置在该发光二极管芯片的中心位置，在电极接触垫的周围分布有多个由蚀刻孔洞所围成的圆环形图案，沿远离该电极接触垫的方向，相邻圆环型图案之间的距离越大。
3.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述半导体层的制作材料包括氮化镓、氮化铝镓、氮化铟镓。
4.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，该发光二极体进一步包括一个定位孔，该定位孔从p型半导体层延伸到n型半导体层，该定位孔用于将电流阻挡层与蚀刻孔洞的图案精确对位。
5.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，该发光二极体进一步包括一个具有高反射率的反射层，该反射层设置于导热基板与p型半导体层之间。
6.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，该电流阻挡层由二氧化硅材料制成。
7.如权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，电流阻挡层的厚度为p型半导体层厚度的1/3～2/3，蚀刻孔洞的深度为n型半导体层厚度的1/3～2/3。
8.一种发光二极管芯片的制作方法，其步骤为：
提供一个蓝宝石基板；
在蓝宝石基板上依次形成n型半导体层、活性层及p型半导体层；
在p型半导体层表面蚀刻出电流阻挡层所需的图案，然后在图案中填充电绝缘介质，形成电流阻挡层；
在p型半导体层表面沉积一层反射层；
将p型半导体层与导热基板结合，并移除蓝宝石基板；
对n型半导体层与活性层相对的表面进行蚀刻，形成所需的蚀刻空洞，蚀刻孔洞所形成的图案与电流阻挡层的图案成互补关系；
在n型半导体层表面制作透明电极层；
在透明电极层表面制作电极接触垫。
9.如权利要求8所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，采用电镀的方式在p型半导体层形成一金属镍层作为导热基板。
10.如权利要求8所述的发光二极管芯片的制作方法，其特征在于，该制作方法包括制作一个定位孔，该定位孔从p型半导体层延伸到n型半导体层。
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