CN103390710A - Led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片及其制备方法，所述LED芯片包括衬底以及依次位于衬底上的N型半导体层、发光层、P型半导体层、透明导电层以及位于透明导电层上与透明导电层电连接的P电极和位于透明导电层旁侧与N型半导体层电连接的N电极，所述透明导电层上设有若干非均匀分布的开孔图形，所述开孔图形的疏密分布与电流的疏密分布相对应设置。本发明利用透明导电层图形化技术能够使得电流尽量均匀地注入整个LED芯片，使其工作于均匀发光的状态，提高了LED芯片的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光器件技术领域，特别是涉及一种LED芯片及其制备方法。
背景技术
在LED领域，由于二极管表面的P型半导体导电性能较差，而不可避免地需要使用到透明导电薄膜，将电流扩展至整个LED发光区域，并且不会遮挡光线。目前使用最多的即为ITO薄膜，它在一定程度上解决了P极电流传导的问题。
透明导电薄膜虽然名为透明，但其对可见光的透射率并不是100%，依然存在少量的吸收。LED芯片所发出的光将会有一部分被其吸收，使芯片亮度降低，透明导电薄膜对光的吸收强度随着其厚度成指数增加，所以要增加透射率就要将它做得尽量薄，但这是会带来另一个问题：薄膜越薄，方块电阻越高，芯片的功耗就会增加。所以技术上需要在透射率与导电性之间取得折中，使芯片的光电转换效率取得最高。早期的透明导电薄膜性能优化手法比较单一，仅仅是依靠改变薄膜的厚度来实现。近年来出现了一种图形化技术，将薄膜开出均匀的蜂窝状或者井状排列孔洞，对光的吸收减少，一定程度上提高了芯片的发光效率。
透明导电薄膜的电阻同样影响着LED芯片的性能，具体表现在与N型半导体导电层电阻的匹配上。二者的方块电阻不匹配时，芯片将会出现局部注入电流密度过高的情况，电流的不均匀分布将导致芯片性能的下降。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的LED芯片及其制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高了电流分布均匀性的LED芯片及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种LED芯片，所述LED芯片包括衬底以及依次位于衬底上的N型半导体层、发光层、P型半导体层、透明导电层以及位于透明导电层上与透明导电层电连接的P电极和位于透明导电层旁侧与N型半导体层电连接的N电极，所述透明导电层上设有若干非均匀分布的开孔图形，所述开孔图形的疏密分布与电流的疏密分布相对应设置。
作为本发明的进一步改进，所述非均匀分布的开孔图形包括：
当透明导电层方阻大于N型半导体层方阻时，开孔图形在P电极周围密集分布，在N电极周围稀疏分布、或者没有开孔图形；
当透明导电层方阻小于N型半导体层方阻时，开孔图形在N电极周围密集分布，在P电极周围稀疏分布、或者没有开孔图形。
作为本发明的进一步改进，所述透明导电层为ITO、ZnO、CdO、Cd2SnO4中的一层或多层的组合。
作为本发明的进一步改进，所述开孔图形包括圆、多边形中的一种或两种。
作为本发明的进一步改进，所述开孔图形的尺寸为2～15μm，开孔图形间距为5～50μm。
作为本发明的进一步改进，所述开孔图形的排列为蜂窝状、井状或不规则排列。
作为本发明的进一步改进，所述P电极下方全部或部分设有与P型半导体层接触的电流阻隔层，所述电流阻隔层为圆形或圆环形。
相应地，一种LED芯片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1、提供一衬底；
S2、在所述衬底上依次形成N型半导体层、发光层、P型半导体层；
S3、在P型半导体层上沉积透明导电层；
S4、使用掩膜版对透明导电层进行光刻，所述掩膜版上设置非均匀分布的开孔图形，光刻后透明导电层上设有若干非均匀分布的开孔图形；
S5、制作N电极和P电极。
作为本发明的进一步改进，所述S5中掩膜版的设置方法包括：
制备一定厚度的非图形化透明导电层；
在额定驱动电流下，利用LED光电测试系统测试出LED芯片表面各区域的出光强度；
根据出光强度在掩膜版上设计对应的开孔图形，出光强度高处，表示注入的电流密度大，需要制作密集的开孔图形，出光强度低处，表示注入的电流密度小，需要制作稀疏的开孔图形、或不制作开孔图形。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中透明导电层的制备方法包括CVD、PVD或旋涂。
与现有技术相比，本发明LED芯片及其制备方法通过在透明导电层上设置非均匀分布的开孔图形，开孔图形的疏密分布与电流的疏密分布相对应设置，在电流密集处，开孔图形密集；在电流稀疏处，开孔图形稀疏、或没有开孔图形。本发明利用透明导电层图形化技术能够使得电流尽量均匀地注入整个LED芯片，使其工作于均匀发光的状态，提高了LED芯片的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施方式中LED芯片的纵剖面结构示意图；
图2为本发明另一实施方式中LED芯片的纵剖面结构示意图；
图3为LED芯片光功率随电流密度的变化关系图；
图4为本发明一实施方式中LED芯片的俯视结构示意图；
图5为本发明另一实施方式中LED芯片的俯视结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明中一实施方式中的LED芯片包括：
衬底10，如蓝宝石衬底、Si衬底、SiC衬底、GaN衬底、ZnO衬底等；
N型半导体层20，如N型GaN等；
发光层30，如GaN、InGaN等；
P型半导体层40，如P型GaN等；
透明导电层50，透明导电层50一般为ITO、ZnO、CdO、Cd2SnO4中的一层或多层的组合；
位于透明导电层50上与透明导电层50电连接的P电极61，位于透明导电层50旁侧与N型半导体层20电连接的N电极62。
优选地，在透明导电层50上还可以设置钝化层(未图示)，钝化层一般采用SiO2等绝缘材料。
参图2所示，在本发明的另一实施方式中，P电极61下方部分设有与P型半导体层40接触的电流阻隔层611，本实施方式中电流阻隔层611为的截面为圆环形，其他实施方式中P电极下方可以全部设有电流阻隔层，如此电流阻隔层的截面为圆形。电流阻隔层一般选用SiO2等绝缘材料。电流阻隔层可以阻隔与P电极相对应的透明导电层与P型半导体层的电连接，仅通过P电极外的透明导电层与P型半导体层进行电连接，有利于控制注入电流。
如图3所示，LED的光输出功率随着其注入电流的增大而趋于饱和，也就是其效率随着输入功率的增加而降低。对于用恒定电流驱动的LED芯片来说，电流均匀注入时发光效率最高。而传统均匀的透明导电层方阻[Rs(TCL)]与N型半导体层方阻[Rs(N)]很难做到匹配，不能保证芯片上每一点的注入电流密度相等，存在电流疏密分布的问题，芯片的发光效率低下。
如图3中，对于电流非均匀分布的LED来说，电流稀疏处处于A状态，电流密集处处于B状态，其等效状态为D，而C则为电流均匀分布时的状态，显然C的光输出功率要大于D，电流均匀分布时发光效率最高。
因此，本发明中透明导电层50上设有若干非均匀分布的开孔图形51，开孔图形的疏密分布与电流的疏密分布相对应设置。
本发明中非均匀分布的开孔图形包括两种情况：
当透明导电层方阻大于N型半导体层方阻，即Rs(TCL)>Rs(N)时，可以将N型半导体层看作良导体，此时电流将聚集在P电极附近，开孔图形51在P电极周围密集分布，距离P电极较远处稀疏分布、或者没有开孔图形，如图4所示；
当透明导电层方阻小于N型半导体层方阻，即Rs(TCL)<Rs(N)时，可以将透明导电层看作良导体，此时电流将在N电极附近分布密集，开孔图形51在N电极周围密集分布，距离N电极较远处稀疏分布、或者没有开孔图形，如图5所示。
进一步地，本发明中开孔图形包括圆、多边形等图形中的一种或多种，开孔图形排列为蜂窝状、井状或其他不规则排列。优选地，开孔图形的尺寸为2～15μm，开孔图形间距为5～50μm。
本发明中的透明导电层开孔将减少其与P型半导体的接触面积，从而减小其注入的电流，非均匀分布的开孔图形将协调各个区域的注入电流密度分布，使电流尽量均匀分布于LED芯片。
LED芯片制程中，在ICP蚀刻出N型半导体台面后，透明导电层通过CVD、PVD或者旋涂的方法沉积于芯片表面。再通过光刻、湿法蚀刻的方法去除掉N型半导体区的导电膜。制作本发明中的非均匀图形化透明导电膜，只需要将此步光刻的掩膜版上作出相应的图形，开孔图形即可自然转移至LED芯片上。此后再完成芯片的P、N金属电极制作、以及钝化层的制作。
具体地，本发明的LED芯片制备方法具体包括以下步骤：
S1、提供一衬底；
S2、在所述衬底上依次形成N型半导体层、发光层、P型半导体层；
S3、在P型半导体层上沉积透明导电层，透明导电层的制备方法包括CVD、PVD或旋涂等；
S4、使用掩膜版对透明导电层进行光刻，所述掩膜版上设置非均匀分布的开孔图形，光刻后透明导电层上设有若干非均匀分布的开孔图形；
S5、制作N电极和P电极。
进一步地，本发明中N电极和P电极制作之前还需提前制备N电极区和P电极区。具体为：
步骤S2中还包括蚀刻出N电极区，蚀刻采用ICP(Inductive Coupled PlasmaEmission Spectrometer、感应耦合等离子)干法刻蚀，在经过步骤S3后，N电极区也沉积有透明导电层，因此在步骤S4中需将N电极区的透明导电层去除后，才能在N电极区制作N电极；
步骤S4中还包括制作P电极区，掩膜版上可以预先设置好P电极图形，进而可以去除部分透明导电层，形成P电极区，然后在P电极区上沉积一层电流阻隔层，如SiO2等，最后在制作P电极。
理论上，开孔图形的分布需要根据实际的N型半导体层和透明导电层的方块电阻而定，但是前者的测定往往比较困难，而且误差较大。本发明中开孔图形的在掩膜版上的设计具体为：
制备一定厚度的非图形化透明导电层；
在额定驱动电流下，利用LED光电测试系统测试出LED芯片表面各区域的出光强度；
根据出光强度在掩膜版上设计对应的开孔图形，出光强度高处，表示注入的电流密度大，需要制作密集的开孔图形，出光强度低处，表示注入的电流密度小，需要制作稀疏的开孔图形、或不制作开孔图形。
在掩膜版上作出相应的开孔图形后，光刻时开孔图形即可自然转移至LED芯片上。
由以上技术方案可以看出，本发明LED芯片及其制备方法通过在透明导电层上设置非均匀分布的开孔图形，开孔图形的疏密分布与电流的疏密分布相对应设置，在电流密集处，开孔图形密集；在电流稀疏处，开孔图形稀疏、或没有开孔图形。本发明利用透明导电层图形化技术能够使得电流尽量均匀地注入整个LED芯片，使其工作于均匀发光的状态，提高了LED芯片的发光效率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种LED芯片，所述LED芯片包括衬底以及依次位于衬底上的N型半导体层、发光层、P型半导体层、透明导电层以及位于透明导电层上与透明导电层电连接的P电极和位于透明导电层旁侧与N型半导体层电连接的N电极，其特征在于，所述透明导电层上设有若干非均匀分布的开孔图形，所述开孔图形的疏密分布与电流的疏密分布相对应设置。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述非均匀分布的开孔图形包括：
当透明导电层方阻大于N型半导体层方阻时，开孔图形在P电极周围密集分布，在N电极周围稀疏分布、或者没有开孔图形；
当透明导电层方阻小于N型半导体层方阻时，开孔图形在N电极周围密集分布，在P电极周围稀疏分布、或者没有开孔图形。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述透明导电层为ITO、ZnO、CdO、Cd2SnO4中的一层或多层的组合。
4.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述开孔图形包括圆、多边形中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述开孔图形的尺寸为2～15μm，开孔图形间距为5～50μm。
6.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述开孔图形的排列为蜂窝状、井状或不规则排列。
7.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述P电极下方全部或部分设有与P型半导体层接触的电流阻隔层，所述电流阻隔层为圆形或圆环形。
8.一种如权利要求1所述的LED芯片的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、提供一衬底；
S2、在所述衬底上依次形成N型半导体层、发光层、P型半导体层；
S3、在P型半导体层上沉积透明导电层；
S4、使用掩膜版对透明导电层进行光刻，所述掩膜版上设置非均匀分布的开孔图形，光刻后透明导电层上设有若干非均匀分布的开孔图形；
S5、制作N电极和P电极。
9.根据权利要求8所述的LED芯片的制备方法，其特征在于，所述S5中掩膜版的设置方法包括：
制备一定厚度的非图形化透明导电层；
在额定驱动电流下，利用LED光电测试系统测试出LED芯片表面各区域的出光强度；
根据出光强度在掩膜版上设计对应的开孔图形，出光强度高处，表示注入的电流密度大，需要制作密集的开孔图形，出光强度低处，表示注入的电流密度小，需要制作稀疏的开孔图形、或不制作开孔图形。
10.根据权利要求8所述的LED芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中透明导电层的制备方法包括CVD、PVD或旋涂。
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