CN104409598A - Led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种LED芯片，包括：衬底；n型GaN层，设置在衬底上，远离衬底的n型GaN层的表面包括第一表面和第二表面；LED芯片还包括n型电极，n型电极包括：第一n型电极部，设置在n型GaN层的第二表面上；第二n型电极部，与第一n型电极部连接且向n型GaN层内部延伸设置。本发明提供的LED芯片在锥形槽中蒸镀电极。首先增加了电极接触面积，降低了接触电阻，相同电压条件下，得到更高的电流密度；其次，设置锥型槽后，能使得电子迁移路径缩短，提高电流的横向扩展能力。使得电流在芯片的横向面上分布更加均匀。进而使得MQW有源区中复合发光的强度和面积也更加均匀，有效复合电子浓度也可以得到相应的增加。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)领域，特别地，涉及一种LED芯片。
背景技术
参见图1和2，现有的发光二极管LED的制作方法包括：在衬底10’上设置外延层结构，该外延层结构包括依次叠置的n型GaN层20’、MQW(多量子阱)层30'和P型GaN层40’；将P型GaN层40’的一侧蚀刻至n型GaN层20’上，在该蚀刻后的n型GaN层20’区域表面上设置n型电极61’；在未蚀刻的P型GaN层40'顶面上设置p型电极62’，并在未蚀刻的P型GaN层40'顶面除p型电极62'外的区域上设置透明导电层50’。所用衬底材料和与之对应的外延层结构的不同，所发出的光颜色也不同。以绝缘的蓝宝石为衬底外延生长GaN结构发蓝光与绿光。因为蓝宝石不导电，LED芯片的正负电极均设置于其正面；所以生长完外延层结构后，还需经电极的制作、n电极区域的刻蚀等工艺处理。
现有LED芯片中金属电极是采用二维分布的方式蒸镀在nGaN表面上，参见图3，电流密度集中于电极下，扩散至MQW层30’的较少且不均匀，因而容易导致LED芯片表面发光不均匀。而n电极和p电极的现有结构固定了电流的走向，这种走向无法进一步调动更多的自由电子参与到复合发光中。
发明内容
本发明目的在于提供一种LED芯片，以解决现有技术中LED芯片表面发光不均匀的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种LED芯片，包括：衬底；n型GaN层，设置在衬底上，远离衬底的n型GaN层的表面包括第一表面和第二表面；LED芯片还包括n型电极，n型电极包括：第一n型电极部，设置在n型GaN层的第二表面上；第二n型电极部，与第一n型电极部连接且向n型GaN层内部延伸设置。
进一步地，第二n型电极部与第一n型电极部的接触面积为S1，第一n型电极部与第二表面的接触面积为S2，S1小于S2。
进一步地，第二n型电极部为6～9个。
进一步地，第二n型电极部为9个。
进一步地，第二n型电极部为一个或相互隔离的多个。
进一步地，第二n型电极部的平行于第二表面的横截面面积沿远离第二表面的方向减小。
进一步地，第二n型电极部的形状为倒锥体。
进一步地，第二n型电极部的形状倒圆锥体。
进一步地，第二n型电极部的远离第二表面的一端与第二表面的距离为0.1～2.0μm。
进一步地，LED芯片还包括：有源层，设置在n型GaN层的远离衬底的第一表面上；p型GaN层，设置在有源层的远离所述衬底的表面上；p型电极，设置在所述p型GaN层的远离所述衬底的表面上。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的LED芯片在锥形槽中蒸镀电极。首先增加了电极接触面积，降低了接触电阻，相同电压条件下，得到更高的电流密度；其次，设置锥型槽后，能使得电子迁移路径缩短，提高电流的横向扩展能力。使得电流在芯片的横向面上分布更加均匀。进而使得MQW有源区中复合发光的强度和面积也更加均匀，有效复合电子浓度也可以得到相应的增加。
由于n型电极是粘贴并钉进n型GaN中，因而二者的附着力得到增强。
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是现有技术中LED芯片的俯视示意图；
图2是图1沿A-A线剖视示意图；
图3是现有技术中LED芯片的电流密度分布示意图；
图4是本发明优选实施例的LED芯片的俯视示意图；
图5是图4沿A-A线剖视示意图；
图6是本发明优选实施例的LED芯片的电流密度分布示意图；
图7是本发明优选实施例的LED芯片的俯视示意图；
图8是图7沿A-A线剖视示意图；
图9是本发明优选实施例的LED芯片的电流密度分布示意图；以及
图10是本发明优选实施例的LED芯片的俯视示意图。
图例说明：
10、衬底；20、n型GaN层；30、MQW层；40、P型GaN层；50、钝化层；62、p型电极；61、n型电极；611、锥型导电槽；70、导电层。
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，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明提供了一种LED芯片，包括衬底；n型GaN层，设置在衬底上，远离衬底的n型GaN层的表面包括第一表面和第二表面；LED芯片还包括n型电极，n型电极包括：第一n型电极部，设置在n型GaN层的第二表面上；第二n型电极部，与第一n型电极部连接且向n型GaN层内部延伸设置。
n型GaN层的表面包括第一表面和第二表面。第二表面为刻蚀形成的台阶面。第二表面上设置了n型电极。本发明中，n型电极包括位于第二表面上的第一n型电极部和从第二表面向n型GaN层内部延伸形成的第二n型电极部。第二n型电极部可以通过在第二表面上设置不贯通n型GaN层的凹槽来容纳。
优选的，第二n型电极部为一个或相互隔离的多个。第二n型电极部的个数与设置于n型GaN层第二表面上的凹槽个数相等。更优选为6～9个凹槽和与锥型槽数量相等，且位置对应的第二n型电极部时，具有较优的发光亮度。最优选的为9个凹槽和第二n型电极部时，亮度达到350mA下363mw的亮度。
第二n型电极部与第一n型电极部的接触面积为S1，第一n型电极部与第二表面的接触面积为S2。当然S1也可以等于S2。优选的，S1小于S2。此时发光效果较好。但S1不可以大于S2。这主要是来源于工艺要求。
第二n型电极部的形状可以为条状、矩形、三角形等多种形状。优选第二n型电极部的形状为倒锥体，优选倒圆锥体。此时电流从第二n型电极部与凹槽相接面均匀流出。避免了电流在电极下的堆积。提高电流的扩散性，从而使得LED芯片的发光效率得到提高。
优选的，第二n型电极部的远离第二表面的一端与第二表面的距离为0.1～2.0μm。此时锥型槽增加LED亮度的效果最优。
优选地，LED芯片还包括：有源层，设置在n型GaN层的远离衬底的第一表面上；p型GaN层，设置在有源层的远离衬底的表面上；p型电极，设置在p型GaN层的远离衬底的表面上。
参见图4和5，本发明提供的LED芯片包括衬底10和依次叠置于衬底10顶面上的n型GaN层20、MQW层30和P型GaN层40。P型GaN层40的一侧蚀刻至n型GaN层20上，在该蚀刻形成的n型GaN层20区域表面上设置n型电极61。在未蚀刻的P型GaN层40顶面上设置p型电极62，并在未蚀刻的P型GaN层40顶面除p型电极62外的区域上设置钝化层50。最后在LED芯片的表面非p型电极62和非n型电极61区域设置导电层70。还包括至少一个锥型槽611。锥型槽611的底面于被蚀刻形成的n型GaN层20的顶面上并于n型电极61相对。锥型槽611的尖部设置于n型GaN层20内。本实施例中锥型槽611为一个。锥型槽611可以为圆锥型也可以为任何具有尖部的锥型槽，如底部为矩形，尖部收缩的锥型槽。n型电极61的底面上设置锥型凸起，锥型凸起插入锥型槽内。锥型凸起就是n型电极61的延伸，所用材料相同，起到对锥型槽填充的作用，同时锥型凸起与锥型槽紧密贴合，实现导通。当然导电层70和钝化层50可以根据所制备的LED芯片的类型进行选择。
锥型槽的底面最长边比n型电极的最长边短10～40μm。参见图6，按此设置锥型槽能增加n型电极与n型GaN层的接触面积，降低了接触电阻。即在同样的电压下，具有锥型槽的LED芯片具有更高的电流密度。其次，从n型电极流入的电子在迁移时能沿锥型槽表面进行扩散，提高电子在数量和横向分布面积的分布量。能有效提高电流的横向扩展能力。从而改变集中于n型电极下方过于密集的电流，使其能沿锥型槽壁均匀的形成横向扩展，提高电流的分布均匀性。这样，能提高进入MQW层的电子数量，有效复合电子的浓度相应增加，从而提高从MQW层中所发光的强度。并提供从LED芯片上出光的均匀性。
参见图2，现有LED芯片中n型电极61’与n型GaN层20'层的粘贴面为平面，粘结强度较低。参见图5本发明所提供LED芯片中的n型电极61通过锥型凸起伸入n型GaN层20中，形成粘贴和嵌套，因此n型电极61与n型GaN层20的附着力明显增强。
锥型槽深只要不超出n型GaN层均可，优选锥型槽的深0.1～2.0μm。此时锥型槽增加LED亮度的效果最优。
优选当锥型槽仅设置一个时，显然锥型槽的侧壁靠近MQW层30的能有效提高LED芯片的发光亮度。
本发明提供的另一实施例中，锥型槽为多个。如图7～8所示，该实施例与上一实施例去并在于与n型电极61n型GaN层20中设置9个锥型槽611。9个锥型槽以3×3队列排布于n型电极61对应的n型GaN层20中。9个锥型槽底面面积相同，横截面面积相同。当设置多个锥型槽611时，每个锥型槽611横截面相同，按一定规律均布于n型GaN层20中时，能有效提高电子分布密度的均匀性。优选为设置9个锥型槽，此时效果达到最优。
图9为设置多个锥型槽611后的电流密度分布示意图，由此可见，通过设置9个锥型槽，每个锥型槽内表面均能与n型电极61接触导通，增加了电极接触面积，降低了接触电阻，即在同样的电压下，可以得到更高的电流密度。其次，电子在迁移时会选择最短最容易的通道，基于锥形槽的设计，这样的通道不管是在数量还是在横向分布面积上都会有一个较大幅度的提高，对电流的横向扩展能力是一个有效的增益。电流的横向扩展能力增加，即指在芯片的横向面积上电流不是集中在一个区域，而是分布更加均匀。在MQW有源区中复合发光的强度和面积也会更加均匀，当然有效复合电子的浓度也会相应增加。多个n型电极的凸起粘贴并钉进n型GaN中，故可增强二者的附着力。
当锥型槽为多个时，锥型槽可以以任何方式排布，参见图10，如以一个锥型槽611为圆心余下锥型槽611环绕其排布；以矩形排布(如12个锥型槽611，每个锥型槽611的直径7000nm、深900nm，等距的按4×3矩形方式排布)；以三角形排布；以梯形排布。优选锥型槽均布于被蚀刻形成的n型GaN层内。此时n型电极下的电流分布最均匀。
本发明的另一方面还提供了一种上述LED芯片的制备方法，包括在衬底上设置n型GaN层的步骤以及在n型GaN层上设置n型电极的步骤，其特征在于，在n型GaN层上设置n型电极的步骤包括：在掩膜的保护下，对n型GaN层的部分表面进行刻蚀，形成凹槽；在刻蚀后的n型GaN层表面沉积电极材料；对电极材料进行刻蚀，形成n型电极，n型电极包括，设置在n型GaN层的表面上第一n型电极部；以及设置在凹槽中的第一n型电极部。
包括以下步骤：1)在LED芯片上刻蚀形成的n型GaN层面上，向n型GaN层20内刻蚀形成锥形槽；2)在锥形槽内沉积n型电极材料至n型GaN层顶面，并沉积形成n型电极。
具体的，该制备方法包括：1)在刻蚀形成的n型GaN层20面上，向n型GaN层20内刻蚀形成锥形槽611；2)在锥形槽611内沉积n型电极61材料至n型GaN层20顶面，并沉积形成n型电极61。
其他制备方法可以与常规LED芯片制备方法相同。刻蚀可以为各类常用刻蚀方法如ICP(感应耦合等离子体)刻蚀。锥形槽611的形状可以根据需要通过刻蚀得到。
实施例
以下实施例中所用物料和仪器均为市售。
实施例1
制备如图4～5中所示结构的LED芯片，包括以下步骤：
1)制作P型GaN层40，具体为；a、制作氮化物半导体结构，在衬底10上外延生长n型GaN层20；在n型GaN层20上外延生长MQW层30；在MQW层30上外延生长P型GaN层40，形成氮化物半导体结构；b、将氮化物半导体结构进行清洗，用光阻剂作为掩蔽层，ICP刻蚀掉部分P型GaN层40和MQW层30直至n型GaN层20，形成具有P型GaN层40的氮化物半导体结构，刻蚀气体为BCl3/Cl2/Ar；c、继续用光阻剂作为掩蔽层，在n型GaN层20与n型电极61相接面上，从相接面向n型GaN层20内采用ICP刻蚀出1个直径60000nm、深2000nm的锥形槽611，刻蚀气体为BCl3/Cl2/Ar。
2)沉积电流阻挡钝化层50，具体包括：a、使用PECVD沉积SiO2当电流阻挡钝化层，其中，功率为50W，压力为850mTorr，温度为200℃，N2O为1000sccm，N2为400sccm，5％SiH4/N2为400sccm；b、通过ICP刻蚀或湿法腐蚀工艺蚀刻掉多余的SiO2；c、进行去掉光阻剂过程。
3)沉积导电层70，采用电子束蒸镀法在P型GaN层40及刻蚀形成的n型GaN层20上表面上镀上厚度为30-300nm的导电层70，导电层70沉积于锥形槽611内。
4)沉积n型电极61以及p型电极62，将p型电极62从锥型槽611内开始沉积，并在刻蚀形成的n型GaN层20上沉积形成n型电极61；将n型电极62的下端面设置在P型GaN层40的上表面上，得到LED芯片。
5)将LED芯片放入炉管或者快速退火炉中进行后处理，具体工艺参数为：炉管内的温度为260℃，时间为15分钟。芯片固晶后，在p、n金属电极上焊线，再经过灌胶与烘烤，即形成LED发光芯片。
实施例2
制备如图7～8所示的LED大尺寸芯片的方法，该方法与实施例1的区别在于：1)中的c步骤中继续用光阻剂作为掩蔽层，在n型GaN层20n型电极处ICP刻蚀出9个底面直径为10000nm、深1000nm的锥形槽611，9个锥形槽的分布如图所示，刻蚀气体为BCl3/Cl2/Ar。锥形槽611内未设置导电层70，可通过刻蚀去除后继续后续工艺。最后在芯片固晶后，在p、n金属电极上焊线，再经过灌胶和烘烤，即形成LED发光芯片。
实施例3
与实施例2的区别在于，9个锥型槽611的排布方式为以一个锥型槽611为圆心余下锥型槽611环绕其排布。参见图10。
实施例4
与实施例2的区别在于，设置12个锥型槽611，每个锥型槽611的直径7000nm、深900nm，等距的按4×3矩形方式排布。
对比例1
本对比例提供了一种现有LED芯片的制作方法。使用同实施例1一样的LED外延片。制作方法与实施例1区别在于：删除1)中的c，即不在n型GaN层20的n型电极处刻蚀出锥凹槽611。最后在芯片固晶后，在p、n金属电极上焊线，再经过灌胶与烘烤，即形成LED发光芯片。
对比例2
本对比例为一种现有技术中常用的LED芯片的制作方法。如图1，使用同实施例2一样的LED外延片。制作方法与实施例1的区别在于：删除第一步c，即不在n型GaN层20的黏贴n型电极处刻蚀出锥形槽611。最后在芯片固晶后，在p、n金属电极上焊线，再经过灌胶与烘烤，即形成LED发光芯片。
测试：
将实施例1～4和对比例1、2共计6个样品LED芯片，采用积分球检测方法，分别在驱动电流为20mA下测试实施例1/对比例1。在驱动电流为350mA的条件下测试实施例2～4和对比例2的相关光电参数，测试结果请见表1。
表1实施例1、2和对比例1、2所得LED芯片的光电参数测试结果表
| 测试电流 | 平均电压 | 平均亮度 | |
| 实施例1 | 20mA | 3.08V | 23.2mw |
| 对比例1 | 20mA | 3.14V | 22.1mw |
| 实施例2 | 350mA | 3.14V | 362mw |
| 实施例3 | 350mA | 3.145V | 363mw |
| 实施例4 | 350mA | 3.17V | 359mw |
| 对比例2 | 350mA | 3.25V | 343mw |
从表1可以看出，与对比例1～2相比，本发明实施例1～4的电压分别下降0.06V、0.11V、0.105V和0.08V，亮度分别提高1.1mW、19mW、20mW和16mW。由此可知，通过在n型GaN层20蚀刻区与n型电极61相接面，设置至少一个向n型GaN层20内延伸的锥型槽611，能提高电流在n型电极61与n型GaN层20的相接面分布更均匀，避免电流集中，从而提高了LED芯片的亮度，并降低了电压。
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LED芯片，包括：
衬底；
n型GaN层，设置在所述衬底上，远离所述衬底的n型GaN层的表面包括第一表面和第二表面；
其特征在于，所述LED芯片还包括n型电极，所述n型电极包括：
第一n型电极部，设置在所述n型GaN层的第二表面上；
第二n型电极部，与所述第一n型电极部连接且向所述n型GaN层内部延伸设置。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述第二n型电极部与所述第一n型电极部的接触面积为S1，所述第一n型电极部与所述第二表面的接触面积为S2，所述S1小于所述S2。
3.根据权利要求2所述的LED芯片，其特征在于，所述第二n型电极部为一个或相互隔离的多个。
4.根据权利要求2所述的LED芯片，其特征在于，所述第二n型电极部为6～9个。
5.根据权利要求4所述的LED芯片，其特征在于，所述第二n型电极部为9个。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的LED芯片，其特征在于，所述第二n型电极部的平行于所述第二表面的横截面面积沿远离所述第二表面的方向减小。
7.根据权利要求6所述的LED芯片，其特征在于，所述第二n型电极部的形状为倒锥体。
8.根据权利要求7所述的LED芯片，其特征在于，所述第二n型电极部的形状为倒圆锥体。
9.根据权利要求8所述的LED芯片，其特征在于，所述第二n型电极部的远离所述第二表面的一端与所述第二表面的距离为0.1～2.0μm。
10.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片还包括：
有源层，设置在所述n型GaN层的远离所述衬底的第一表面上；
p型GaN层，设置在所述有源层的远离所述衬底的表面上；
p型电极，设置在所述p型GaN层的远离所述衬底的表面上。
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2014
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