CN102916101A - 一种倒装结构的发光二极管芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发光器件技术，尤其涉及一种倒装结构的发光二极管芯片，其包括有衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层，还包括用于外露n型半导体层的n极刻蚀孔，n极刻蚀孔的底部和内壁设置有与n型半导体层连接的n极接触层，p型半导体层表面设置有与p型半导体层连接的p极接触层，其中，本发明通过n极绝缘透明层隔开n极刻蚀孔边沿与p极金属层，使p极金属层的电流较难扩散至n极刻蚀孔边沿，从而减少n极刻蚀孔边沿的电流密度，提高芯片整体的有效的辐射复合的效率，即提高发光二极管芯片的发光效率。

Description

一种倒装结构的发光二极管芯片

技术领域

本发明涉及发光器件技术，尤其涉及一种倒装结构的发光二极管芯片。 

背景技术

随着发光二极管（即LED）光效的不断提高，在某些领域，如液晶背光、汽车照明光源等，已逐渐显露出发光二极管代替传统发光器件的趋势。在通用照明领域，大功率发光二极管也同样具有取代传统光源的巨大潜力。 

一般发光二极管主要包括用于发光的芯片、用于封装及散热的支架（或散热基板），芯片封装固定于支架。其中，传统发光二极管的芯片一般采用正装结构，在这种结构中，n型半导体层、有源层、p型半导体层依次沉积在衬底上，然后采用半导体微加工工艺制造n接触孔、n电极及p电极。但是，这种正装结构的发光二极管芯片，其存在的问题是：首先，通过支架封装芯片时，需要打线实现n电极、p电极与支架的电连接，而打线往往会存在虚焊等问题，因此导致发光二极管的可靠性差；其次衬底一般厚度较大且导热性差，影响发光二极管整体的导热性能；再者，由于p型半导体层导电性能差，一般须在p型半导体层表面引入电流扩散层，而电流扩散层会吸收部分光而降低发光二极管的光效。 

为了解决正装结构的发光二极管的问题，有些厂家提出了倒装结构的发光二极管。倒装结构的发光二极管是将发光二极管芯片倒转封装固定于倒装基板，倒装结构的发光二极管无需在出光面制造电极及电流扩散层，因此具有更高的出光效率。 

请参考图1，现有技术中倒装结构的发光二极管的发光二极管芯片通常是在衬底101的表面依序沉积n型半导体层102、有源层103、p型半导体层104，然后，蚀刻部分区域的p型半导体层104和有源层103，使得该部分区域的n型半导体层102外露，接着，在外露部分的n型半导体层102表面依次沉积n极接触层105a、n极电极层106a，在外露部分的p型半导体层104表面依次沉积p极接触层105b、p极电极层106b，从而形成发光二极管芯片。其中，由于p极接触层105b与n型半导体层102相比具有更加优良的导电特性，所以，发光二极管芯片在发光时，电流倾向于选择电阻最小的路径流动，即沿p极接触层105b扩散至n极刻蚀孔107（p型半导体层104和有源层103的蚀刻部分区域）边沿，再往下经过p型半导体层104、有源层103和n型半导体层102到达n极电极层106a，显然，这种结构的发光二极管芯片的电流路径会造成n极刻蚀孔107边沿电流拥挤，即n极刻蚀孔107边沿的电流密度较大，而n极刻蚀孔107边沿的电流密度较大会导致该区域产生大量的热量，进而增大该区域非辐射复合的几率，降低发光二极管芯片的发光效率。 

另外，现有技术中倒装结构的发光二极管通常存在“波导效应”，即半导体材料层（n型半导体层和p型半导体层）较大的折射率导致光线从半导体材料层出射时会产生较强的全反射。请参考图2，以蓝光发光二极管芯片最常用的GaN（氮化镓）基材料（即n型半导体层、p型半导体层等半导体层均是以GaN为基材料）为例，其折射率为2.3左右，而常用的蓝宝石衬底折射率为1.7，因此光线在GaN-蓝宝石界面出射时，全反射临界角约为47.7度，这意味着约有50%的光线在GaN-蓝宝石界面由于全反射而无法出射，并且由于p极接触层对光线基本为镜面反射，所以，大于临界角47.7度的光线将在发光二极管芯片内部不断反射并最终被吸收消失，即降低了发光二极管芯片的发光效率。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种可减少n极刻蚀孔边沿的电流密度、提高发光效率的倒装结构的发光二极管芯片。 

本发明的目的通过以下技术措施实现：一种倒装结构的发光二极管芯片，包括有衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层，所述n型半导体层覆盖在所述衬底的表面，所述有源层覆盖在所述n型半导体层的表面，所述p型半导体层覆盖在所述有源层的表面，还包括用于外露n型半导体层的n极刻蚀孔，所述n极刻蚀孔的底部和内壁设置有与所述n型半导体层连接的n极接触层，所述p型半导体层表面设置有与所述p型半导体层连接的p极接触层； 

所述n极接触层包括有n极绝缘透明层、n极金属层，所述n极绝缘透明层覆盖在所述n极刻蚀孔的内壁，所述n极金属层覆盖在所述n极绝缘透明层的表面和n极刻蚀孔的底部，所述n极金属层的表面设置有n极电极层，所述n极电极层通过所述n极金属层与所述n型半导体层电连接；

所述p极接触层包括有p极绝缘透明层、p极金属层，所述p极绝缘透明层覆盖在所述p型半导体层的表面，且所述p极绝缘透明层开设有p极接触孔，所述p极金属层覆盖在所述p极绝缘透明层的表面，且所述p极金属层通过所述p极接触孔与所述p型半导体层电连接，所述p极金属层的表面设置有p极电极层，所述p极电极层与所述p极金属层电连接。

所述n极刻蚀孔、p极接触孔均为倒锥台型。 

所述n极刻蚀孔的孔壁与所述n型半导体层表面的夹角为35～55度。 

所述p极接触孔的孔壁与所述p型半导体层表面的夹角为35～55度。 

所述n极刻蚀孔的边沿与p极接触孔的边沿的距离大于10μm。 

所述n极刻蚀孔位于所述n型半导体层的中央，所述p极接触孔为圆环状，且p极接触孔以n极刻蚀孔为圆心。 

所述n极刻蚀孔的边沿与p极接触孔的边沿的距离为11～30μm。 

所述p极接触孔为至少两个。 

所述n极接触层的表面、p极接触层的表面均覆盖有钝化层，所述钝化层开设有用于供n极电极层和p极电极层凸出的窗口。 

所述钝化层呈圆环状，且钝化层以所述n极电极层为圆心围绕着n极电极层，所述p极电极层围绕着所述钝化层，且p极电极层的外边缘呈矩形。 

本发明有益效果在于：本发明包括有衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层，还包括用于外露n型半导体层的n极刻蚀孔，n极刻蚀孔的底部和内壁设置有与n型半导体层连接的n极接触层，p型半导体层表面设置有与p型半导体层连接的p极接触层，其中，本发明通过n极绝缘透明层隔开n极刻蚀孔边沿与p极金属层，使p极金属层的电流较难扩散至n极刻蚀孔边沿，从而减少n极刻蚀孔边沿的电流密度，提高芯片整体的有效的辐射复合的效率，即提高发光二极管芯片的发光效率。 

而且，p极接触孔为圆环状，且p极接触孔以n极刻蚀孔为圆心，从而可以在相同电流扩散长度的条件下，增大电流扩散面积，减少电流密度，提高发光二极管芯片的发光效率；进一步，倒锥台型的n极刻蚀孔、p极接触孔可以减弱“波导效应”，减少由于全反射而无法出射的光线，从而提高发光二极管芯片的发光效率。 

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。 

图1是现有技术的发光二极管芯片的结构示意图。 

图2是现有技术的发光二极管芯片的“波导效应”的部分光线走向示意图。 

图3是本发明的一种倒装结构的发光二极管芯片的剖面结构示意图。 

图4是本发明的一种倒装结构的发光二极管芯片的俯视方向的钝化层、n极电极层和p极电极层的结构示意图。 

图5是本发明的一种倒装结构的发光二极管芯片的衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层、n极绝缘透明层和p极绝缘透明层的剖面结构示意图。 

图6是图5俯视方向的结构示意图。 

图7是本发明的一种倒装结构的发光二极管芯片的半边剖面结构示意图的部分光线走向示意图。 

在图3～7中包括有： 

11——衬底                12——n型半导体层

13——有源层              14——p型半导体层

151a——n极绝缘透明层     151b——p极绝缘透明层

152a——n极金属层         152b——p极金属层

153a——n极刻蚀孔         153b——p极接触孔

16——钝化层              17a——n极电极层

17b——p极电极层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。 

本发明的一种倒装结构的发光二极管芯片，如图3～6所示，其包括有衬底11、n型半导体层12、有源层13、p型半导体层14，n型半导体层12覆盖在衬底11的表面，有源层13覆盖在n型半导体层12的表面，p型半导体层14覆盖在有源层13的表面，还包括用于外露n型半导体层12的n极刻蚀孔153a，n极刻蚀孔153a的底部和内壁设置有与n型半导体层12连接的n极接触层，p型半导体层14表面设置有与p型半导体层14连接的p极接触层。 

n极接触层包括有n极绝缘透明层151a、n极金属层152a，n极绝缘透明层151a覆盖在n极刻蚀孔153a的内壁，其中，在本实施例中，所述n极刻蚀孔153a两侧部分的p型半导体层14也覆盖了n极绝缘透明层151a，使n极刻蚀孔153a边沿与p极金属层152b更好地隔离。n极金属层152a覆盖在n极绝缘透明层151a的表面和n极刻蚀孔153a的底部，n极金属层152a的表面设置有n极电极层17a，n极电极层17a通过n极金属层152a与n型半导体层12电连接。 

p极接触层包括有p极绝缘透明层151b、p极金属层152b，p极绝缘透明层151b覆盖在p型半导体层14的表面，且p极绝缘透明层151b开设有p极接触孔153b，p极接触孔153b贯穿p极绝缘透明层151b；p极金属层152b覆盖在p极绝缘透明层151b的表面，且p极金属层152b通过p极接触孔153b与p型半导体层14电连接，即部分的p极金属层152b填充在p极接触孔153b中，从而与p型半导体层14电连接；p极金属层152b的表面设置有p极电极层17b，p极电极层17b与p极金属层152b电连接，即p极电极层17b通过p极金属层152b与p型半导体层14电连接。 

从上述结构可以看出，本发明通过n极绝缘透明层151a有效地隔开了n极刻蚀孔153a边沿与p极金属层152b，使p极金属层152b的电流较难扩散至n极刻蚀孔153a边沿，从而减少n极刻蚀孔153a边沿的电流密度，提高芯片整体的有效的辐射复合的效率，即提高发光二极管芯片的发光效率。 

n极刻蚀孔153a、p极接触孔153b均为倒锥台（由上至下，逐渐由宽变窄）型，其中，n极刻蚀孔153a的孔壁与n型半导体层12表面的夹角小于90度，p极接触孔153b的孔壁与p型半导体层14表面的夹角小于90度，更具体地说，本发明优选n极刻蚀孔153a的孔壁与n型半导体层12表面的夹角为35～55度，p极接触孔153b的孔壁与p型半导体层14表面的夹角为35～55度。 

本发明p极接触孔153b为圆环状，且p极接触孔153b以n极刻蚀孔153a为圆心，相比于现有技术中n极刻蚀孔与P极电极相对设置的发光二极管芯片，本发明这种结构可以在相同电流扩散长度的条件下，增大电流扩散面积，减少电流密度，提高发光二极管芯片的发光效率。 

进一步，这种倒锥台型的n极刻蚀孔153a、p极接触孔153b可以减弱“波导效应”，减少由于全反射而无法出射的光线，请参考图7，为本发明半边剖面（为了清楚表示光线走向，并未标识剖面线）结构示意图的部分光线走向示意图，当光线从有源层13发出后，穿过p极绝缘透明层151b后，经过有一定角度的p极金属层152b的反射，可以改变出射角度，从而小于n型半导体层12与衬底11界面的全反射临界角度，穿过衬底11而出射。因此，本发明锥台型的n极刻蚀孔153a、p极接触孔153b可以减少由于全反射而无法出射的光线，从而提高发光二极管芯片的发光效率。 

n极刻蚀孔153a的边沿与（最近的）p极接触孔153b的边沿的距离（d）大于10μm，使n极刻蚀孔153a边沿与p极金属层152b具有较好的隔离效果，以减少n极刻蚀孔153a边沿的电流密度，更具体地说，本发明优选n极刻蚀孔153a的边沿与p极接触孔153b的边沿的距离为11～30μm。 

n极刻蚀孔153a位于n型半导体层12的中央，p极接触孔153b为圆环状，且p极接触孔153b以n极刻蚀孔153a为圆心，即p极接触孔153b围绕着n极刻蚀孔153a，其中，p极接触孔153b为至少两个，即p极接触孔153b为多个同心圆环状，使p极金属层152b可以通过至少两个p极接触孔153b与p型半导体层14均匀接触，具有较好的电连接效果。 

n极接触层的表面、p极接触层的表面均覆盖有钝化层16，钝化层16开设有用于供n极电极层17a和p极电极层17b凸出的窗口，钝化层16具有绝缘效果，从而防止n极接触层和p极接触层与外界接触。其中，在本实施例中，钝化层16呈圆环状，且钝化层16以n极电极层17a为圆心围绕着n极电极层17a，p极电极层17b围绕着钝化层16，且p极电极层17b的外边缘呈矩形，此种结构，使n极电极层17a位于中心，而p极电极层17b具有对称性，所以，本发明在安装时，无需专门对准n极电极层17a或p极电极层17b，可以随意调整方向，从而使得发光二极管芯片的安装十分方便。当然，所述n极电极层17a和p极电极层17b也可以为其它形状，只要其具有安装方便的效果即可。 

其中，本发明的p极金属层152b为Ag（银）、Al（铝）、Ti（钛）、Ni（镍）、Au（金）、Cr（铬）中的一种或多种制成；本发明的n极金属层152a为Ag（银）、Al（铝）、Ti（钛）、Ni（镍）、Au（金）、Cr（铬）中的一种或多种制成；本发明的n极绝缘透明层151a和p极绝缘透明层151b均为高折射率透明层；本发明的n极刻蚀孔153a贯穿有源层13和p型半导体层14。 

本发明在安装时，可通过各向异性导电胶倒装固定在倒装基板上，形成发光二极管芯片倒装的发光二极管，使应用本发明的发光二极管的发光效率较高。 

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。 

Claims (10)

1.一种倒装结构的发光二极管芯片，包括有衬底、n型半导体层、有源层、p型半导体层，所述n型半导体层覆盖在所述衬底的表面，所述有源层覆盖在所述n型半导体层的表面，所述p型半导体层覆盖在所述有源层的表面，其特征在于：还包括用于外露n型半导体层的n极刻蚀孔，所述n极刻蚀孔的底部和内壁设置有与所述n型半导体层连接的n极接触层，所述p型半导体层表面设置有与所述p型半导体层连接的p极接触层；

所述n极接触层包括有n极绝缘透明层、n极金属层，所述n极绝缘透明层覆盖在所述n极刻蚀孔的内壁，所述n极金属层覆盖在所述n极绝缘透明层的表面和n极刻蚀孔的底部，所述n极金属层的表面设置有n极电极层，所述n极电极层通过所述n极金属层与所述n型半导体层电连接；

所述p极接触层包括有p极绝缘透明层、p极金属层，所述p极绝缘透明层覆盖在所述p型半导体层的表面，且所述p极绝缘透明层开设有p极接触孔，所述p极金属层覆盖在所述p极绝缘透明层的表面，且所述p极金属层通过所述p极接触孔与所述p型半导体层电连接，所述p极金属层的表面设置有p极电极层，所述p极电极层与所述p极金属层电连接。

2.根据权利要求1所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：所述n极刻蚀孔、p极接触孔均为倒锥台型。

3.根据权利要求2所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：所述n极刻蚀孔的孔壁与所述n型半导体层表面的夹角为35～55度。

4.根据权利要求2所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：所述p极接触孔的孔壁与所述p型半导体层表面的夹角为35～55度。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：所述n极刻蚀孔的边沿与p极接触孔的边沿的距离大于10 μm。

6.根据权利要求1～4任意一项所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：所述n极刻蚀孔位于所述n型半导体层的中央，所述p极接触孔为圆环状，且p极接触孔以n极刻蚀孔为圆心。

7.根据权利要求5所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：所述n极刻蚀孔的边沿与p极接触孔的边沿的距离为11～30 μm。

8.根据权利要求6所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：所述p极接触孔为至少两个。

9.根据权利要求6所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：所述n极接触层的表面、p极接触层的表面均覆盖有钝化层，所述钝化层开设有用于供n极电极层和p极电极层凸出的窗口。

10.根据权利要求9所述的倒装结构的发光二极管芯片，其特征在于：所述钝化层呈圆环状，且钝化层以所述n极电极层为圆心围绕着n极电极层，所述p极电极层围绕着所述钝化层，且p极电极层的外边缘呈矩形。

Images