CN103022070B

CN103022070B - 一种具有新型发光单元结构的大尺寸led芯片

Info

Publication number: CN103022070B
Application number: CN201210476298.4A
Authority: CN
Inventors: 黄华茂; 王洪; 杨洁; 耿魁伟
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: CN103022070A

Abstract

本发明公开一种具有新型发光单元结构的大尺寸LED芯片，其衬底为长方体，而外延层分割成多个发光单元，发光单元侧壁制备有微结构，微结构呈随机分布或周期分布。对于导电型衬底，所述发光单元为圆柱形、正圆台形或倒圆台形，发光单元以并联的形式组成单个的大功率LED芯片；对于绝缘型衬底的大尺寸LED芯片，所述发光单元台形结构的台基和台面分别为圆柱形、正圆台形或倒圆台形，发光单元以串联或并联的形式组成单个的大功率LED芯片。本发明保持简单的芯片切割工艺，而对芯片内部的发光单元应用塑形技术和侧面粗化技术，并对电极优化设计，增强各发光单元的光提取效率和电注入效率，从而提高大尺寸LED芯片的发光效率。

Description

一种具有新型发光单元结构的大尺寸LED芯片

技术领域

本发明涉及LED芯片领域，特别是涉及一种提高大尺寸LED芯片发光效率的新型结构。

背景技术

虽然LED芯片及器件已经开始商品化，但是限制其广泛应用的主要问题仍然是高成本与低发光效率，单位流明/瓦的价格偏高。提高LED发光效率的途径是提高其内量子效率和光提取效率。由于工艺进步及结构优化，LED芯片的内量子效率达到80%以上，已没有太大的提升空间。而受全反射作用的限制，传统LED芯片的光提取效率很低，成为高能效LED的主要瓶颈。例如，在蓝光440nm波长处，GaN（折射率n₁=2.5）和空气（折射率n₂=1）分界面的全反射角为θ=arcsin(n₂/n₁)=23.6°，大约只有4%的光能够从该界面透射出去。留在器件内部的光线，经不同材料的分界面多次反射后，最终被有源层、金属电极、焊点以及衬底吸收，转化为热能。因此，设计新的芯片结构改善光提取效率是提高LED发光效率的主要途径。

一般的LED芯片外形都是长方体，光线从折射率较高的半导体材料向折射率较低的空气出射，在六个面都有受全反射角限制的可透射区域。为了增强侧向传播的光线的出光效率，已有文献报道异型结构的单个LED芯片，包括倒金字塔结构（Krames,M.R.,etal.(1999).AppliedPhysicsLetters75(16):2365-2367）、从三角形到七边形的多边形结构（Wang,X.H.,etal.(2010).JournalofAppliedPhysics108(2):023110）和圆柱形结构（Wang,X.H.,etal.(2009).Opt.Express17(25):22311-22319）。但是，由于蓝宝石衬底的硬度很高，倒金字塔结构的加工难度大、成本高。对于传统的长方体结构，工业上的芯片切割工艺只需多次横向切割和纵向切割即可完成；而对于大部分的多边形结构和圆柱形结构，切割工艺复杂，良率也低。

为便于工业上的芯片切割，可保持衬底为长方体。仅对外延层进行塑形，也可增强侧面传播的光线的出光效率，已有文献报道包括倒金字塔结构（Chih-Chiang,K.,etal.(2005).PhotonicsTechnologyLetters,IEEE17(1):19-21）和正圆台结构（Jae-Soong,L.,etal.(2006).PhotonicsTechnologyLetters,IEEE18(15):1588-1590）。

此外，在传统小尺寸LED芯片上的侧面粗化技术（Chang,C.S.,etal.(2004).PhotonicsTechnologyLetters,IEEE16(3):750-752）可进一步增强侧面传播的光线的出光效率。

芯片塑形技术和侧面粗化技术对小尺寸的芯片具有较好的效果。但由于半导体材料的吸收，对于大尺寸的LED芯片，这两种技术仅对芯片边缘的光线有效。为提高大尺寸LED芯片的发光效率，一个办法就是将大尺寸的LED芯片划分为多个小尺寸的发光单元，以减少光线的逃逸路径。对每个发光单元应用塑形技术和侧面粗化技术，可有效地增强大尺寸LED芯片的光提取效率。

对于具备多个发光单元的大尺寸LED芯片，包括大功率的高压LED芯片，芯片与芯片之间的分割需要考虑衬底的切割问题，故可保持衬底为长方体；但发光单元与发光单元的分割只需要经过光刻工艺和刻蚀工艺，所以发光单元可为任意的形状。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供具有新型发光单元结构的大尺寸LED芯片。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有新型发光单元结构的大尺寸LED芯片，包括衬底和外延层，所述衬底为长方体，所述外延层分割成多个发光单元，发光单元的侧壁具有微结构。

进一步改进的，所述发光单元的横截面中最大宽度为100μm-500μm，各发光单元的横截面的尺寸相同或者不同，发光单元的排列呈随机分布或周期分布。

进一步改进的，所述发光单元的侧壁具有的微结构的横截面形状包括但不限于三角形、矩形、半圆形、抛物线型、正弦形，微结构的横截面中最大宽度为0.15μm-10μm，微结构在发光单元侧壁的排列呈随机分布或周期分布。

进一步改进的，所述发光单元的电极形状包括但不限于圆盘形、圆环形、矩形、十字形、目字形或田字形，发光单元通过电极连接桥并联或者串联。

进一步改进的，所述衬底为导电型衬底（如碳化硅、磷化镓、砷化镓、氮化镓等导电型衬底），所述发光单元为圆柱形、正圆台形或倒圆台形，发光单元以并联的形式组成单个的大功率LED芯片。

进一步改进的，所述衬底为绝缘型衬底（如蓝宝石衬底），所述发光单元为台形结构，台形的台基为圆柱形、正圆台形或倒圆台形中的一种，台面为圆柱形、正圆台形或倒圆台形中的一种，发光单元以串联或并联的形式组成单个的大功率LED芯片。

进一步改进的，所述正圆台形和倒圆台形的侧壁与垂直方向的夹角为0°-60°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明保持衬底为长方体，而外延层分割成多个小尺寸的圆柱形、正圆台形或倒圆台形发光单元，既使得芯片与芯片之间的切割工艺较为简单，又能增强各发光单元侧面传播的光线的出光效率；

2、本发明发光单元的侧壁制备有微结构，这种侧面粗化的微结构在发光单元和台形结构的制程中一并制作完成，既不增加芯片制作的工序，又能有效地提高发光单元的出光效率；

3、本发明发光单元的尺寸较小，且电极单独设计，电流分布更均匀，能有效地提高发光单元的电注入效率，从而增强发光单元的发光效率。

附图说明

图1导电型衬底，发光单元为圆柱形的大尺寸LED芯片结构示意图；

图2导电型衬底，发光单元为圆柱形的大尺寸LED芯片的横截面结构示意图；

图3导电型衬底，圆柱形发光单元有半圆形侧面微结构的大尺寸LED芯片结构示意图；

图4导电型衬底，发光单元为正圆台形的大尺寸LED芯片结构示意图；

图5导电型衬底，发光单元为倒圆台形的大尺寸LED芯片结构示意图；

图6导电型衬底，圆柱形发光单元并联的大尺寸LED芯片的俯视图；

图7导电型衬底，圆柱形发光单元并联的大尺寸LED芯片的横截面结构示意图。

图8绝缘型衬底，发光单元台基和台面均为圆柱形的大尺寸LED芯片结构示意图；

图9绝缘型衬底，发光单元台基和台面均为圆柱形的大尺寸LED芯片的横截面结构示意图；

图10绝缘型衬底，台基和台面均为圆柱形的发光单元有半圆形侧面微结构的大尺寸LED芯片结构示意图；

图11绝缘型衬底，发光单元台基为正圆台形且台面为圆柱形的大尺寸LED芯片结构示意图；

图12绝缘型衬底，发光单元台基为倒圆台形且台面为圆柱形的大尺寸LED芯片结构示意图；

图13绝缘型衬底，台基和台面均为圆柱形的发光单元串联的大尺寸LED芯片的俯视图；

图14绝缘型衬底，台基和台面均为圆柱形的发光单元串联的大尺寸LED芯片的横截面结构示意图；

图15绝缘型衬底，台基和台面均为圆柱形的发光单元并联的大尺寸LED芯片的俯视图；

图16绝缘型衬底，台基和台面均为圆柱形的发光单元并联的大尺寸LED芯片的横截面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

以4×4周期分布的发光单元阵列为例，对于碳化硅、磷化镓、砷化镓、氮化镓等导电型衬底的大尺寸LED芯片，如图1是发光单元为圆柱形的大尺寸LED芯片结构示意图。衬底1是长方体，外延层通过光刻和刻蚀工艺形成圆柱形发光单元2。如图2是发光单元为圆柱形的大尺寸LED芯片横截面结构示意图。每个发光单元由缓冲层5、n型半导体材料6和7、多量子阱发光层8、p型半导体材料9、电流扩展层10组成。在所述发光单元的光刻工艺中，可修改掩模版，在发光单元的边缘处设计周期分布的半圆形微结构，并通过刻蚀工艺与发光单元一并制作完成。如图3所示，是圆柱形发光单元有半圆形侧面微结构的大尺寸LED芯片结构示意图。

导电型衬底的大尺寸LED芯片的发光单元还可以是其它形状。如图4所示，发光单元为正圆台形。如图5所示，发光单元为倒圆台形。

对于导电型衬底的大尺寸LED芯片，发光单元以并联的形式组成单个的大功率LED芯片。每个发光单元都工作在小电流小电压状态，如20mA、3.2V；而整个LED芯片工作在大电流小电压状态，如320mA、3.2V。如图6所示，是圆柱形发光单元并联的大尺寸LED芯片的俯视图。每个发光单元的p型电极11设计为圆盘形或圆环形。芯片边缘处的其中两个发光单元的p型电极为圆盘形，作为器件封装中焊线工艺的焊盘；其它发光单元的p型电极为圆环形，以减少对出射光的反射和吸收。发光单元的p型电极11之间采用电极连接桥12连接。如图7所示，是圆柱形发光单元并联的大尺寸LED芯片的横截面结构示意图。电极连接桥12分布在二氧化硅绝缘隔离层14的表面。二氧化硅绝缘隔离层的制备方法是，采用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积二氧化硅，并采用化学机械抛光（CMP），使得二氧化硅的表面与发光单元的表面齐平。由于衬底导电，在衬底的底部制备n型电极13。单个大尺寸LED芯片制备一个n型电极，其形状为目字形。

对于蓝宝石等绝缘型衬底的大尺寸LED芯片，在制备出相互隔离的发光单元之后，还需经过光刻和刻蚀工艺制备出台形（Mesa）结构，以暴露出n型半导体材料6，进行n型电极设计。如图8所示，发光单元2制备出台形结构后，外延层台形结构的台基部分3和台面部分4均为圆柱形的大尺寸LED芯片结构示意图。如图9是发光单元台基和台面均为圆柱形的大尺寸LED芯片的横截面结构示意图。每个发光单元由缓冲层5、台基部分的n型半导体材料6、台面部分的n型半导体材料7、多量子阱发光层8、p型半导体材料9、电流扩展层10组成。在所述发光单元和台形结构的光刻工艺中，可修改掩模版，在发光单元台形结构的台基和台面的边缘处设计周期分布的半圆形微结构，并通过刻蚀工艺与发光单元或台形结构一并制作完成。如图10所示，是台基和台面均为圆柱形的发光单元有半圆形侧面微结构的大尺寸LED芯片结构示意图。

绝缘型衬底的大尺寸LED芯片的发光单元的台形结构还可以是其它形状。如图11所示，发光单元的台基为正圆台形，台面为圆柱形。如图12所示，发光单元的台基为倒圆台形，台面为圆柱形。

对于绝缘型衬底的大尺寸LED芯片，发光单元以串联或并联的形式组成单个的大功率LED芯片。发光单元串联时，每个发光单元都工作在小电流小电压状态，如20mA、3.2V；而整个LED芯片工作在小电流大电压状态，如20mA、51.2V。如图13所示，是台基和台面均为圆柱形的发光单元串联的大尺寸LED芯片的俯视图。每个发光单元的p型电极11设计为圆盘形或圆环形。第一个发光单元的p型电极为圆盘形，作为器件封装中焊线工艺的焊盘；其它发光单元的p型电极为圆环形，以减少对出射光的反射和吸收。第一个发光单元的n型电极13与第二个发光单元的p型电极11采用电极连接桥12连接，第二个发光单元的n型电极13与第三个发光单元的p型电极11采用电极连接桥12连接，所有发光单元都以此规则按照顺序依次相连。每个发光单元的n型电极设计为圆盘形或圆环形，但在电极连接桥处留有缺口。最后一个发光单元的n型电极为圆环与圆盘的复合结构，其中圆盘作为器件封装中焊线工艺的焊盘；这个发光单元的台形结构也因此在n型电极附近有一个圆形缺口。如图14所示，是台基和台面均为圆柱形的发光单元串联的大尺寸LED芯片的横截面结构示意图。由于前一个发光单元的n型电极和后一个发光单元的p型电极不在同一水平面上，电极需要在垂直方向上连接。先采用PECVD工艺和CMP工艺使得发光单元间的二氧化硅绝缘隔离层14的表面与发光单元的表面齐平，再经过刻蚀工艺制备通向n型电极的孔洞，然后采用电子束蒸发工艺制备电极连接桥12。

发光单元并联时，每个发光单元都工作在小电流小电压状态，如20mA、3.2V；而整个LED芯片工作在大电流小电压状态，如320mA、3.2V。如图15所示，是台基和台面均为圆柱形的发光单元并联的大尺寸LED芯片的俯视图。每个发光单元的p型电极11设计为圆盘形或圆环形。芯片边缘处的其中一个发光单元的p型电极为圆盘形，作为器件封装中焊线工艺的焊盘；其它发光单元的p型电极为圆环形，以减少对出射光的反射和吸收。发光单元的p型电极11之间采用电极连接桥12连接，n型电极13之间也采用电极连接桥12连接。每个发光单元的n型电极13设计为圆盘形或圆环形。芯片边缘处的其中一个发光单元的n型电极为圆环与圆盘的复合结构，其中圆盘作为器件封装中焊线工艺的焊盘，这个发光单元的台形结构也因此在n型电极附近有一个圆形缺口。如图16所示，是台基和台面均为圆柱形的发光单元并联的大尺寸LED芯片的横截面结构示意图。p型电极11位于发光单元台形结构的台面部分4的表面，因此p型电极之间的电极连接桥就分布在二氧化硅绝缘隔离层14的表面。n型电极13位于发光单元台形结构台基3的表面，因此，先采用PECVD工艺和CMP工艺使得发光单元间的二氧化硅绝缘隔离层14的表面与发光单元台形结构台面4的表面齐平，再经过刻蚀工艺制备通向n型电极的孔洞，然后采用电子束蒸发工艺制备电极连接桥12，则n型电极之间的电极连接桥也分布在二氧化硅绝缘隔离层14的表面。p型电极之间的电极连接桥与n型电极之间的电极连接桥要相互错开，避免短路。

Claims

1.一种具有新型发光单元结构的大尺寸LED芯片，包括衬底和外延层，其特征在于所述衬底为长方体，所述外延层分割成多个发光单元，发光单元的侧壁均具有微结构；所述发光单元为台形结构，所述侧壁包括台基和台面的侧壁，台形的台基为圆柱形、正圆台形或倒圆台形中的一种，台面为圆柱形、正圆台形或倒圆台形中的一种，发光单元以串联或并联的形式组成单个的大功率LED芯片。

2.如权利要求1所述的大尺寸LED芯片，其特征在于所述发光单元的横截面中最大宽度为100μm-500μm，各发光单元的横截面的尺寸相同或者不同，发光单元的排列呈随机分布或周期分布。

3.如权利要求1所述的大尺寸LED芯片，其特征在于所述发光单元的侧壁具有的微结构的横截面形状为三角形、矩形、半圆形、抛物线型、正弦形中的一种以上，微结构的横截面中最大宽度为0.15μm-10μm，微结构在发光单元侧壁的排列呈随机分布或周期分布。

4.如权利要求1所述的大尺寸LED芯片，其特征在于所述发光单元的电极为圆盘形、圆环形、矩形、十字形、目字形或田字形，发光单元通过电极连接桥并联或者串联。

5.如权利要求1所述的大尺寸LED芯片，其特征在于所述正圆台形和倒圆台形的侧壁与垂直方向的夹角为0°-60°。