CN102479896A - 一种发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管芯片，通过将完整的N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层、P型电流扩展层分割为尺寸较小的5个块状区域，使P型电流扩展层与GaAs临时基板和其它外延结构间存在的内应力得到释放，提高键合工艺的成品率，降低键合工艺的技术难度；同时，本发明选择性地在块状区域范围内设置P型欧姆接触触点，即只在位于周边的4个块状区域内设置P型欧姆接触触点，使其成为发光区域，而位于中心的1个块状区域内不设置P型欧姆接触触点，使其成为不发光区域，把N型欧姆接触电极和焊线电极设置在不发光的沟槽和不发光的块状区域上，不会遮挡发光的块状区域的光线，从而提高了发光二级管的光提取效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光二极管芯片，属于半导体照明器件领域。
背景技术
发光二极管(LED)，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。
LED被称为新一代照明光源或绿色光源，它相对于传统光源有着不可比拟的优势：
(1)亮度和色彩的动态控制容易：这是LED目前相对于传统光源最大的优势。
(2)外形尺寸小：这给室内空间的照明设计提供了新的思路。
(3)长寿命：在某些需要24小时点亮和维护不方便的场合使用具有很大优势。
(4)光束中不含红外线和紫外线：可满足特定物品对展示照明的特殊要求。
(5)有很强的发光方向性：易于LED灯具的外观设计和配光分布的控制。
(6)节能：在色彩照明领域，LED已经表现出了很明显的节能优势。
提高发光二极管芯片出光效率的方法很多，如专利US 2002、0017652A1针对全反射原理，提出一种修改出光面角度的方法，使得出光表面满足多角度光线射出的条件，提高发光二极管表面光提取效率，但仍未有效利用射向发光二极管内部的光线；另一种方法是制作薄膜(thin film)发光二极管，图1所示的是普通薄膜发光二极管芯片结构，虽然由于内部金属反射镜面的存在提升了一部分出光效率，但是仍然存在如下缺点：其一，焊线电极被布置在光线射出一侧，焊线电极下方的光线由于被遮挡而无法射出，从而降低了发光二极管的光提取效率；其二，由于P型电流扩展层与其它结构间存在较大的内应力，导致金属反射镜与永久基板的键合工艺难度增大，键合良率下降。如中国专利CN101452988A公布了一种薄膜型LED制作方法，其中介绍的薄膜发光二极管便存在典型的焊线电极遮挡光线的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了将完整的N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层、P型电流扩展层分割为尺寸较小的数个块状区域，同时，本发明选择性地在块状区域范围内设置P型欧姆接触触点，即只在位于周边的块状区域内设置P型欧姆接触触点，使其成为发光区域，把N型欧姆接触电极和焊线电极设置在不发光的沟槽和不发光的块状区域上，不会遮挡发光的块状区域的光线。
本发明的技术方案为：
一种发光二极管芯片，其结构自上而下依次为：焊线电极，N型欧姆接触电极，N型电流扩展层，N型限制层，多层量子阱结构，P型限制层，P型电流扩展层，介质层，P型欧姆接触触点，金属反射镜，键合金属层，第一基板接触电极，永久基板和第二基板接触电极；发光二极管芯片内设置有沟槽，沟槽贯穿N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层、P型电流扩展层，将所述N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层、P型电流扩展层分割为5-10个块状区域，其中中心的1个块状区域被周围其余块状区域环绕；所述其余块状区域下方的介质层中有P型欧姆接触触点分布，P型欧姆接触触点两端分别与P型电流扩展层和金属镜面层接触；
其中，所述沟槽的深度等于所述N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层和P型电流扩展层厚度的总和；所述沟槽的截面可以为方形、梯形或U型。
所述介质层是透明且不导电的SiO2、Si3N4、TiO2或Al2O3。
所述永久基板是GaAs、GaN、Si或SiC；
所述第一基板接触电极和第二基板接触电极优选为完整覆盖于基板表面的面状电极。
当然，块状区域的数目也可以适当增加或减少，优选为5-9个，进一步优选为5个，即中心1个块状区域，四周4个块状区域。
本发明的优点：通过蚀刻沟槽的方法将完整的N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层、P型电流扩展层分割为数个尺寸较小的块状区域，使P型电流扩展层与临时基板和其它外延结构间存在的内应力得到释放，提高键合工艺的成品率，降低键合工艺的技术难度；同时，本发明选择性地在块状区域范围内设置P型欧姆接触触点，即只在位于周边的块状区域内设置P型欧姆接触触点，使其成为发光区域，而位于中心的1个块状区域内不设置P型欧姆接触触点，使其成为不发光区域，把N型欧姆接触电极和焊线电极设置在不发光的沟槽和不发光的块状区域上，不会遮挡发光的块状区域的光线，从而使发光二级管芯片的光提取效率提高30％以上。
附图说明
图1为普通薄膜发光二极管芯片结构侧视图；
图2为本发明外延结构侧视图；
图3为本发明完成步骤3后的结构侧视图；
图4为本发明完成步骤3后的结构俯视图；
图5为本发明发光二极管芯片俯视图；
图6为本发明发光二极管芯片沿图5中直线AB剖面图；
其中：
100、临时基板
101、N型电流扩展层
102、N型限制层
103、多层量子阱结构
104、P型限制层
105、P型电流扩展层
201、1号块状区域
202、2号块状区域
203、3号块状区域
204、4号块状区域
205、5号块状区域
206、蚀刻的沟槽
300、永久基板
301、第一基板接触电极
302、键合金属层
303、金属反射镜
304、P型欧姆接触触点
305、介质层
306、N型欧姆接触电极
307、焊线电极
308、第二基板接触电极
具体实施方式
实施例1
如图5、图6所示，是本发明的第一优选实施例，一种发光二极管芯片，其结构包括：Ti/Pt/Au焊线电极307，AuGe/Ni/Au N型欧姆接触电极306，N型AlGaInP电流扩展层101，N型AlInP限制层102，多层量子阱结构103，P型AlInP限制层104，P型GaP电流扩展层105，SiO2介质层305，AuBe/AuP型欧姆接触触点304，Ag/Ni/Pt/Au金属反射镜303，In键合金属层302，Ti/Au第一基板接触电极301，N型高掺杂Si永久基板300，Ti/Au第二基板接触电极308。如图4所示，其中，在一个发光二极管芯片的尺寸范围内，N型AlInP限制层102、多层量子阱结构103、P型AlInP限制层104和P型GaP电流扩展层105通过蚀刻沟槽的方法被分割为5个块状区域，其中中心的1号块状区域被周围4个块状区域环绕。不导电的SiO2介质层305覆盖于P型GaP电流扩展层105表面和沟槽的底部和侧面。AuBe/Au P型欧姆接触触点304分布于2、3、4、5号块状区域表面的介质层305中，其两端分别与P型GaP电流扩展层105和金属反射镜303接触，使2、3、4、5号块状区域有电性导通成为发光区域，1号块状区域和沟槽将不发光。AuGe/Ni/Au N型欧姆接触电极306主体被设置在不发光的1号块状区域表面，其伸出的引脚覆盖在不发光的沟槽表面，因此不会遮挡光线射出。
具体制造方法包括以下主要步骤：
(1)提供一GaAs临时基板100；
(2)使用MOCVD(金属有机物化学气相沉积)设备在GaAs临时基板上依次形成N型AlGaInP电流扩展层101，N型AlInP限制层102，多层量子阱结构103，P型AlInP限制层104，P型GaP电流扩展层105；
(3)使用ICP蚀刻设备由P型电流扩展层表面开始刻蚀沟槽，沟槽纵向贯穿N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层、P型电流扩展层，沟槽深度等于所述N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层、P型电流扩展层厚度总和，在一个发光二极管的尺寸范围内将所述N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层、P型电流扩展层分割为5个块状区域，其中中心的1号块状区域201被周围4个块状区域环绕，沟槽的截面为方形；
(4)使用PECVD设备在P型电流扩展层表面、沟槽底部和侧面沉积200nm不导电的SiO2介质层，光刻后使用ICP蚀刻设备在周边块状区域的介质层上蚀刻出孔洞，再通过金属剥离的方法在孔洞内填充圆柱形P型欧姆接触触点金属AuBe150nm/Au 150nm；
(5)使用蒸发镀膜设备在SiO2介质层和P型欧姆接触触点上形成金属反射镜Ag500nm/Ni 20nm/Pt 100nm/Au 500nm，金属反射镜完全覆盖介质层和P型欧姆接触触点；
(6)使用蒸发镀膜设备在N型高掺杂Si永久基板一侧形成第一基板接触电极Ti 20nm/Au 500nm；
(7)使用蒸发镀膜设备在第一基板接触电极表面形成键合金属层In 4000nm；
(8)使用键合设备，将带有金属反射镜的GaAs临时基板与带有键合金属层和第一基板接触电极的N型高掺杂Si永久基板压合并键合在一起，键合时金属反射镜与键合金属层互相接触，键合压力100kg，键合温度220℃，键合时间30分钟；
(9)使用氨水与双氧水1∶1的混合溶液，腐蚀去掉GaAs临时基板，露出N型AlGaInP电流扩展层；
(10)通过金属剥离的方法在N型AlGaInP电流扩展层表面形成N型欧姆接触电极AuGe 150nm/Ni 10nm/Au 100nm，N型欧姆接触电极主体被设置在不发光的1号块状区域表面，其伸出的引脚覆盖在不发光的沟槽表面；
(11)使用蒸发镀膜设备在N型高掺杂Si永久基板另一侧形成第二基板接触电极Ti 20nm/Au 500nm；
(12)使用蒸发镀膜设备和金属剥离的方法在N型欧姆接触电极上形成焊线电极Ti 20nm/Pt 30nm/Au 2000nm；
(13)使用激光切割设备，将芯片切割为350×350微米尺寸。
本实施例可以使发光二级管芯片的光提取效率提高30％以上。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于步骤(3)中块状区域的数量为9个，中央1个，周围8个。
本实施例可以使发光二级管芯片的光提取效率提高30％以上。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于步骤(3)中块状区域的数量为10个，中央1个，周围9个，沟槽的截面为梯形。
本实施例可以使发光二级管芯片的光提取效率提高35％以上。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于，步骤(3)中块状区域的数量为7个，中央1个，周围6个，沟槽的截面为U形，N型欧姆接触电极为完整覆盖在N型AlGaInP电流扩展层表面的透明导电的氧化铟锡(ITO)薄膜。
本实施例可以使发光二级管芯片的光提取效率提高30％以上。
虽然本发明的一种图形化外延结构的发光二极管及其制造方法以优选实施例披露如上，然而本发明的保护范围并非限于上述优选实施例，而应当以权利要求书所界定的范围为准。因此，凡依本发明精神所作的任何等同变换，均在本发明的范围之内。
Claims (8)
1.一种发光二极管芯片，其结构自上而下依次为：焊线电极，N型欧姆接触电极，N型电流扩展层，N型限制层，多层量子阱结构，P型限制层，P型电流扩展层，介质层，P型欧姆接触触点，金属反射镜，键合金属层，第一基板接触电极，永久基板和第二基板接触电极；其特征在于：发光二极管芯片内设置有沟槽，沟槽贯穿N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层、P型电流扩展层，将所述N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层、P型电流扩展层分割为5-10个块状区域，其中中心的1个块状区域被周围其余块状区域环绕；所述其余块状区域下方的介质层中有P型欧姆接触触点分布，P型欧姆接触触点两端分别与P型电流扩展层和金属镜面层接触；其中，所述沟槽的深度等于所述N型限制层、多层量子阱结构、P型限制层和P型电流扩展层厚度的总和。
2.如权利要求1所述的一种发光二极管芯片，其特征在于：所述介质层是透明且不导电的SiO2、Si3N4、TiO2或Al2O3。
3.如权利要求1所述的一种图形化外延结构的发光二极管，其特征在于：所述永久基板是GaAs、GaN、Si或SiC。
4.如权利要求1、2或3所述的一种发光二极管芯片，其特征在于：所述第一基板接触电极和第二基板接触电极是完整覆盖于基板表面的面状电极。
5.如权利要求1所述的一种发光二极管芯片，其特征在于，所述沟槽的截面为方形、梯形或U型。
6.如权利要求1所述的一种发光二极管芯片，其特征在于，所述块状区域的数量为5-9个。
7.如权利要求1、2、3或5所述的一种发光二极管芯片，其特征在于，所述块状区域的数量为5个。
8.如权利要求1所述的一种发光二极管芯片，其特征在于，所述沟槽的截面为方形或U型。
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