CN104064647A - 一种新型发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的第一目的在于提供一种新型发光二极管芯片，由下至上依次设置的N型半导体层、发光层、P型半导体层、透明导电层、P电极以及N电极，P型半导体层的上表面上设有凹槽，凹槽位于所述P电极的正下方。本发明技术方案通过沟槽的设计，破坏了P电极下的欧姆接触，能够起到电流阻挡的作用，同时使P电极注入的电流横向扩展到电极下方以外的发光区，能够使P电极下方的电流扩散更均匀，提高了LED芯片的热稳定性能的同时也能延长器件的使用寿命。本发明的第二目的在于提供一种新型发光二极管芯片的制作方法，包括刻蚀形成芯片体、镀透明导电层、镀P电极以及N电极、沉积保护层等过程，工艺步骤精简，工艺参数易于控制，适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别地，涉及一种新型发光二极管芯片及其制作方法。
背景技术
目前，发光二极管(LED)芯片结构有正装结构，垂直结构和倒装焊结构，正装结构由于LED芯片的电流积聚效应，即电流主要集中在电极正下方的发光层部分区域，横向扩展比较小，电流分布很不均匀，导致局部电流密度过大，热量过高，大大降低了芯片的使用效率和寿命。同时，在此区域电流密度最大，自然发光强度也最大，但此区域出射的光绝大部分会被正上方的不透明电极所遮挡吸收，导致LED的出光效率降低。
为了解决上述问题，行业内的普遍方法是在P型半导体层和P型电极之间直接镀上一层绝缘介质作电流阻挡层。这样虽然能够减少电极下方的电流比例，在一定程度上增加电流的扩散性，但增加的电流阻挡层也势必会吸收一部分的光线，降低发光二极管的出光效率。
因此，设计一种具有高的热稳定性、电流扩散性好、出光效率高的发光二极管具有重要的意义。
发明内容
本发明的第一目的在于提供具有高的热稳定性、电流扩散性好、出光效率高的发光二极管芯片，具体技术方案如下：
一种新型发光二极管芯片，包括N型半导体层、发光层、P型半导体层、透明导电层、P电极以及N电极，所述N型半导体层、发光层、P型半导体层以及透明导电层沿轴线方向由下至上依次设置；所述P电极设置在所述透明导电层上；所述N电极设置在所述N型半导体层上；
所述P型半导体层的上表面上设有凹槽，所述凹槽位于所述P电极的正下方；
所述凹槽在垂直于所述轴线上的横截面的面积为所述P电极在垂直于所述轴线上的横截面的面积的1.0-5.0倍，所述凹槽在轴线方向的深度为所述P型半导体层在轴线方向的厚度的0.1-0.8倍。
以上技术方案中优选的，所述凹槽在垂直于所述轴线上的横截面的面积为所述P电极在垂直于所述轴线上的横截面的面积的1.0-2.0倍，其表面粗糙度为0-100。
以上技术方案中优选的，所述凹槽在轴线方向的深度为100nm。
以上技术方案中优选的，所述P电极以及所述N电极的结构均为反射电极结构。
以上技术方案中优选的，所述反射电极结构为镍/铝或镍/银，其连接线为金属线，其焊线的材质为金。
以上技术方案中优选的，所述透明导电层为氧化铟锡薄膜。
以上技术方案中优选的，还包括衬底、缓冲层以及保护层，所述缓冲层设置在所述N型半导体层的下方；所述衬底设置在所述缓冲层的下方；所述保护层设置在所述透明导电层的上方，所述P电极贯穿所述保护层设置。
以上技术方案中优选的，所述保护层为二氧化硅保护层。
使用本发明的新型发光二极管芯片具有以下技术效果：
(1)在P型半导体层的上表面上设有凹槽，凹槽位于P电极的正下方，通过沟槽的设计，破坏了P电极下的欧姆接触，沟槽边缘能够对电流起到阻挡作用，降低电流向P电极积聚程度，能够起到电流阻挡的作用，同时使P电极注入的电流横向扩展到电极下方以外的发光区，减少了电流积聚在P电极下方时产生的热量，能够使P电极下方的电流扩散更均匀，提高了LED芯片的热稳定性能的同时也能延长器件的使用寿命。
(2)本发明中凹槽的横截面的尺寸与P电极的横截面的尺寸之间以及凹槽的深度与P型半导体层的厚度均存在一定的倍数关系，结构设计合理，使得电流扩散均匀，整体热稳定性好。
(3)本发明中P电极以及N电极的结构均采用反射电极结构，最好是镍/铝或镍/银结构，由金属线连接，其焊线的材质为金，与现有的Cr/Pt/Au电极相比较，发光层发出的光发射到电极下面不会被下面的Cr吸收掉，因此，不会产生光损失，使用本发明的反射电极光会被反射回去，经过背面的DBR层或支架的反射效果，再反射出去，增加了出光效率。
(4)本发明中透明导电层采用氧化铟锡薄膜，提高导电性能。
(5)本发明中衬底、缓冲层以及保护层，整体结构完整；保护层的设计延长其使用寿命。
本发明的第二目的在于提供一种上述新型发光二极管芯片的制作方法，具体包括以下步骤：
步骤一：沿轴线方向，将所述缓冲层设置在所述衬底上，将所述N型半导体层设置在所述缓冲层上；将所述发光层设置在所述N型半导体层上，将所述P型半导体层设置在所述发光层上；
步骤二：采用电感耦合等离子体将芯片进行刻蚀形成芯片体，所述刻蚀过程的工艺参数为：ICP功率为500W，RF功率为80W，腔体压力为5mtorr，BCl3流量为10sccm，Cl2流量为50sccm，刻蚀时间为1.5-2.5min；
步骤三：将所述透明导电层通过蒸发台或者溅射镀膜法镀在所述P型半导体层上后，依次经过匀胶、软烤、曝光、显影以及坚膜过程；用ITO蚀刻液腐蚀出现图形后放入去胶液中浸泡15min，将芯片表面的光刻胶洗净，冲水甩干，得到第一芯片体；
步骤四：将所述P电极以及所述N电极分别通过蒸发台或者溅射镀膜法分别设置在所述透明导电层以及所述N型半导体层上，得到第二芯片体；
步骤五：将所述第二芯片体的上部通过等离子体增强化学气相沉积法沉积出保护层。
以上技术方案中优选的，所述透明导电层是通过蒸发台或者溅射镀膜法镀在所述P型半导体层上。
本发明方法工艺步骤精简，工艺参数易于控制，适合工业化生产。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例1的新型发光二极管芯片的结构示意图；
1-N型半导体层，2-发光层，3-P型半导体层，31-凹槽，4-透明导电层，5-P电极，6-N电极，7-衬底，8-缓冲层，9-保护层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
一种新型发光二极管芯片，详见图1，包括衬底7、缓冲层8、N型半导体层1、发光层2、P型半导体层3、透明导电层4、P电极5、N电极6以及保护层9。
所述衬底7、缓冲层8、N型半导体层1、发光层2、P型半导体层3、透明导电层4以及保护层9沿轴线L方向由下至上依次设置。
所述P电极5设置在所述透明导电层4上，且贯穿所述保护层9设置；所述N电极6设置在所述N型半导体层1上，所述P电极5以及所述N电极6的结构均为反射电极结构，最好是镍/铝或镍/银结构，由金属线连接，其焊线的材质为金。
所述P型半导体层3的上表面上设有凹槽31，所述凹槽31位于所述P电极5的正下方，所述凹槽31在垂直于所述轴线L上的横截面的面积为所述P电极5在垂直于所述轴线L上的横截面的面积的1.0-5.0倍，最好是1.0-2.0倍；所述凹槽31在轴线L方向的深度h为所述P型半导体层3在轴线L方向的厚度H的0.1-0.8倍，最好是100nm；所述凹槽31的表面粗糙度为0-100。
所述透明导电层4为氧化铟锡薄膜，提高导电性能。
所述保护层9为二氧化硅保护层，保护效果好，延长其使用寿命。
上述新型发光二极管芯片的制作方法，包括以下步骤：
第一步：沿轴线L方向，将所述缓冲层8设置在所述衬底7上，将所述N型半导体层1设置在所述缓冲层8上；将所述发光层2设置在所述N型半导体层1上，将所述P型半导体层3设置在所述发光层2上；
第二步：将芯片清洗后，依次经过匀胶、软烤、曝光、显影、坚膜后采用电感耦合等离子体刻蚀形成芯片体，所述刻蚀过程的工艺参数为：ICP功率为500W，RF功率为80W，腔体压力为5mtorr，BCl3流量为10sccm，Cl2流量为50sccm，刻蚀时间为1.5-2.5min；然后取出放入去胶液中浸泡15min，将芯片表面的光刻胶洗净，冲水甩干；
第三步：将所述透明导电层4通过蒸发台或者溅射镀膜法镀在所述P型半导体层3上，然后经过匀胶、软烤、曝光、显影以及坚膜后，用ITO蚀刻液腐蚀出现图形，然后放入去胶液中浸泡15min，将芯片表面的光刻胶洗净，冲水甩干得到第一芯片体；
第四步：然后第一芯片体经过匀胶、软烤、曝光、硬烤以及显影制作出图形，将所述P电极5以及所述N电极6分别通过蒸发台或者溅射镀膜法分别设置在所述透明导电层4以及所述N型半导体层1上，然后通过金属剥离的方法去除不需要金属的部分的金属，然后放入去胶液中浸泡15min，将芯片表面的光刻胶洗净，冲水甩干，得到第二芯片体；
第五步：将所述第二芯片体的上部通过等离子体增强化学气相沉积法沉积出保护层9，最后通过匀胶、软烤、曝光、显影以及坚膜后用BOE腐蚀出图形，然后放入去胶液中浸泡15min，将第二芯片体的表面上的光刻胶洗净，冲水甩干，得到芯片产品；
以上方法中使用的溶液或仪器均为业内常规技术。
通过上述方法，得到具有电流阻挡层的八个产品，分别标号为D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7以及D8，此八个产品的不同点仅在于凹槽31的深度h的不同，详见表1。
采用现有技术，得到四个产品，分别标号为H1、H2、H3以及H4，此四个产品均无电流阻挡层，详见表1。
表1D1-D8与H1-H4的发光二极管芯片的亮度比较表
通过表1中的相关数据可知，本发明的新型发光二极管芯片具有高的热稳定性、电流扩散性好、出光效率高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种新型发光二极管芯片，其特征在于：包括N型半导体层(1)、发光层(2)、P型半导体层(3)、透明导电层(4)、P电极(5)以及N电极(6)，所述N型半导体层(1)、发光层(2)、P型半导体层(3)以及透明导电层(4)沿轴线(L)方向由下至上依次设置；所述P电极(5)设置在所述透明导电层(4)上；所述N电极(6)设置在所述N型半导体层(1)上；
所述P型半导体层(3)的上表面上设有凹槽(31)，所述凹槽(31)位于所述P电极(5)的正下方；
所述凹槽(31)在垂直于所述轴线(L)上的横截面的面积为所述P电极(5)在垂直于所述轴线(L)上的横截面的面积的1.0-5.0倍，所述凹槽(31)在轴线(L)方向的深度(h)为所述P型半导体层(3)在轴线(L)方向的厚度(H)的0.1-0.8倍。
2.根据权利要求1所述的新型发光二极管芯片，其特征在于：所述凹槽(31)在垂直于所述轴线(L)上的横截面的面积为所述P电极(5)在垂直于所述轴线(L)上的横截面的面积的1.0-2.0倍，其表面粗糙度为0-100。
3.根据权利要求1所述的新型发光二极管芯片，其特征在于：所述凹槽(31)在轴线(L)方向的深度为100nm。
4.根据权利要求1所述的新型发光二极管芯片，其特征在于：所述P电极(5)以及所述N电极(6)的结构均为反射电极结构。
5.根据权利要求4所述的新型发光二极管芯片，其特征在于：所述反射电极结构为镍/铝或镍/银，其连接线为金属线，其焊线的材质为金。
6.根据权利要求1所述的新型发光二极管芯片，其特征在于：所述透明导电层(4)为氧化铟锡薄膜。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的新型发光二极管芯片，其特征在于：还包括衬底(7)、缓冲层(8)以及保护层(9)，所述缓冲层(8)设置在所述N型半导体层(1)的下方；所述衬底(7)设置在所述缓冲层(8)的下方；所述保护层(9)设置在所述透明导电层(4)的上方，所述P电极(5)贯穿所述保护层(9)设置。
8.根据权利要求7所述的新型发光二极管芯片，其特征在于：所述保护层(9)为二氧化硅保护层。
9.一种如权利要求7所述的新型发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：沿轴线(L)方向，将所述缓冲层(8)设置在所述衬底(7)上，将所述N型半导体层(1)设置在所述缓冲层(8)上；将所述发光层(2)设置在所述N型半导体层(1)上，将所述P型半导体层(3)设置在所述发光层(2)上；
步骤二：采用电感耦合等离子体将芯片进行刻蚀形成芯片体，所述刻蚀过程的工艺参数为：ICP功率为500W，RF功率为80W，腔体压力为5mtorr，BCl3流量为10sccm，Cl2流量为50sccm，刻蚀时间为1.5-2.5min；
步骤三：将所述透明导电层(4)通过蒸发台或者溅射镀膜法镀在所述P型半导体层(3)上后，依次经过匀胶、软烤、曝光、显影以及坚膜过程；用ITO蚀刻液腐蚀出现图形后放入去胶液中浸泡15min，将芯片表面的光刻胶洗净，冲水甩干，得到第一芯片体；
步骤四：将所述P电极(5)以及所述N电极(6)分别通过蒸发台或者溅射镀膜法分别设置在所述透明导电层(4)以及所述N型半导体层(1)上，得到第二芯片体；
步骤五：将所述第二芯片体的上部通过等离子体增强化学气相沉积法沉积出保护层。
10.根据权利要求9所述的新型发光二极管芯片的制作方法，其特征在于：所述采用电感耦合等离子体刻蚀形成芯片体过程之前先将芯片依次进行清洗、匀胶、曝光、显影以及坚膜过程。
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