CN104638086A - 一种含高电流密度三维电极结构的led芯片 - Google Patents

一种含高电流密度三维电极结构的led芯片 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含高电流密度三维电极结构的LED芯片，属于发光器件领域。包括外延片和导电基板，所述外延片包括贯穿反射层、p型掺杂GaN或AlGaN、多量子阱（MQW），在n型掺杂GaN或AlGaN中形成盲孔的n型填充孔，在反射层形成盲孔的p型填充孔，所述n型填充孔中填充金属形成n型欧姆接触电极，所述p型填充孔中填充金属形成p型欧姆接触电极；所述导电基板上有金属通孔，在金属通孔中依次有基板绝缘层，种子层和金属填充电极，所述金属填充电极与外延片中p型欧姆接触电极连接。该芯片的结构特点能够实现超高电流密度下LED芯片的电流扩展均匀性能和光效、光形可控性和优良的芯片散热性能。

Description

一种含高电流密度三维电极结构的LED芯片
技术领域
本发明涉及一种含高电流密度三维电极结构的LED芯片，属于发光器件领域。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diodes，LEDs）具有电光转换效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点，基于LED的半导体照明被认为是二十一世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固体冷光源和最具发展前景的高新技术领域之一。半导体照明广泛应用的关键是提高氮化物LED芯片发光效率。
大尺寸功率型LED芯片的发光效率与电流注入效率和注入电流在芯片内部的均匀扩展有密切的关系。LED的电流聚集有两种方式：一种是聚集在p电极附近（n-GaN的方块电阻值远小于p-GaN上的透明导电薄膜的方块电阻），一种是聚集在n电极附近（n-GaN的方块电阻值远大于p-GaN上的透明导电薄膜的方块电阻）。由于ITO工艺的不断进步，而n-GaN厚度与掺杂受到外延工艺的制约，使得ITO的方块电阻值小于n-GaN的方块电阻，电流在n电极聚集。为使电流在n电极均匀分布，有必要提出新的n电极的电流注入方式来改善电流分布均匀性。并进一步，通过在芯片上制造光子晶体结构，优化LED芯片的取光效率和发散角度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种含电流分布均匀的高电流密度三维电极结构的LED芯片。
本发明采用倒装形式的电连接结构，3D填充孔电极结构，电极预固化下填料。采用微加工技术在LED发光器件结构内形成周期性或非周期性分布的孔洞结构，并通过在孔洞内填充导电金属的方式形成n型欧姆接触电极，从而增强大尺寸功率型LED发光器件的电流扩展性能，从而提高LED发光器件的发光效率和可靠性。
本发明采用如下技术方案实现上述目的：
一种含高电流密度三维电极结构的LED芯片，包括外延片和导电基板，所述外延片包括蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上依次有n型掺杂GaN或AlGaN、多量子阱（MQW）、p型掺杂GaN或AlGaN、反射层；还包括贯穿反射层、p型掺杂GaN或AlGaN、多量子阱（MQW），在n型掺杂GaN或AlGaN中形成盲孔的n型填充孔，在反射层形成盲孔的p型填充孔，所述n型填充孔中填充金属形成n型欧姆接触电极，所述p型填充孔中填充金属形成p型欧姆接触电极；
所述导电基板上有金属通孔，在金属通孔中依次有基板绝缘层，种子层和金属填充电极，所述金属填充电极与外延片中p型欧姆接触电极连接。
所述n型填充孔和p型填充孔为周期性或非周期性分布。
    所述蓝宝石衬底背面有光子晶体。光子晶体为纳米有序阵列，其材料分别为Al2O3，SiO2, Si3N4, 或者AlN。纳米有序阵列通过丝网印刷，卷对卷，自组装等工艺实现。
所述p型填充孔和n型填充孔的侧壁上有填充孔绝缘层。
所述导电基板与外延片连接一面有芯片键合层，在另一面有后续封装键合层。
本发明的外延片包括蓝宝石衬底，n型掺杂的GaN或AlGaN 、多量子阱（MQW）、p型掺杂的GaN或AlGaN ；采用溅射方式在p型掺杂的GaN或AlGaN  上形成反射层，该反射层对紫外光和可见光均具有较高的反射率；采用光刻和干法刻蚀或者是湿法腐蚀的方法对反射层、p型掺杂GaN或AlGaN 、多量子阱（MQW）、n型掺杂GaN或AlGaN进行微加工，形成周期性分布或非周期性分布的n型填充孔和p型填充孔。n型填充孔贯穿反射层, p型掺杂的氮化镓或铝镓氮、多量子阱（MQW），并在n型掺杂的氮化镓或铝镓氮中形成盲孔；p型填充孔在反射层和电流扩散层中形成盲孔。
然后，通过等离子体增强的化学气相沉积（PECVD）方法在孔洞内部形成填充孔绝缘层，该绝缘层材料是SiO2、Si3N4或AlN；采用光刻和干法刻蚀或者是湿法腐蚀的方法对填充孔绝缘层进行加工，去除孔洞底部的绝缘层，只保留孔洞侧壁的绝缘层；采用溅射、蒸镀或电镀的方式在n型填充孔中形成n型欧姆接触金属电极；在p型填充孔上形成p型欧姆接触金属电极，填充孔中材料可以为金、铜和银等高导电金属材料。
通过选择剥离和不剥离蓝宝石基底形成两种新的芯片结构。随后在导电基板上制备预固化填料层。
     n型填充孔可以均匀和非均匀地分布，间隔范围为1mm-20nm, 数目1-100个；p型填充孔可以分布于芯片一侧，四周或者对角；n型填充孔和p型填充孔的形状可以为圆形，半圆形和方形等其他多边形，填充孔可以是垂直于芯片顶面或者与之有一定倾斜夹角。
由于本发明所设计LED发光器件结构中n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极分布于整个器件，并可以随着LED发光器件尺寸的扩展而随之扩展，而且n型欧姆接触电极嵌入在LED发光器件内部，因此，本发明可以改善大电流驱动条件下的大尺寸功率型LED发光器件的电流扩展性能，散热性能。同时通过引入光子晶体结构，无金线倒装结构以及预固化下填料可以大大改善芯片的出光效率和光形分布，长期使用可靠性。
附图说明
图1是LED外延片生长工艺流程图；
图2是LED外延片上制造填充孔的工艺流程图；
图3是导电基板中通孔工艺流程图；
图4是导电基板和含通孔电极外延片键合后芯片结构图；
图5是在导电材料下层基板上制备预固化填料层芯片结构图；
图6是p电极位于芯片单侧的侧视图；
图7是p电极位于芯片两侧的俯视图；
图8是p电极位于芯片三侧的俯视图；
图9是p电极位于芯片四侧的俯视图；
图10是p电极为半圆形位于芯片单侧的侧视图；
图11是p电极为半圆形芯片位于双侧的俯视图；
图12蓝宝石剥离后p电极位于芯片单侧的侧视图；
附图标记说明：
1001：蓝宝石衬底
1002：光子晶体
1003：n型掺杂GaN或AlGaN
1004：多量子阱
1005：p型掺杂GaN或AlGaN
1006：反射层
1007：n 型填充孔
1008：p 型填充孔
2001: 填充孔绝缘层
2002: n型欧姆接触电极
2003: p型欧姆接触电极
3001: 基板绝缘层
3002：种子层
3003：金属通孔
3004：金属填充电极
3005：导电基板
3006：与芯片键合层
3007：与后续封装键合层
4001: 预固化填料层。
具体实施方式
一种高电流密度三维电极结构的LED芯片，包括外延片和导电基板，所述外延片包括蓝宝石衬底1001，在蓝宝石衬底上依次有n型掺杂GaN或AlGaN1003、多量子阱（MQW）1004、p型掺杂GaN或AlGaN 1005、反射层1006；还包括贯穿反射层1006、p型掺杂GaN或AlGaN 1005、多量子阱（MQW）1004，在n型掺杂GaN或AlGaN 1003中形成盲孔的n型填充孔1007，在反射层形成盲孔的p型填充孔1008，所述n型填充孔中填充金属形成n型欧姆接触电极2002，所述p型填充孔中填充金属形成p型欧姆接触电极2003；
    所述导电基板3005上有金属通孔3003，在金属通孔3003中依次有基板绝缘层3001，种子层3002和金属填充电极3004，所述金属填充电极3004与外延片中p型欧姆接触电极2003连接。
   下面结合图1至图11，对本发明作进一步的说明。
(1) 如图1所示，在背面含有光子晶体的1002蓝宝石衬底1001上依次生长n型掺杂GaN或AlGaN1003、多量子阱（MQW）1004、p型掺杂GaN或AlGaN 1005、反射层1006。
(2) 如图2所示，采用光刻和干法刻蚀或者是湿法腐蚀的方法对反射层1006、p型掺杂GaN或AlGaN 1005、多量子阱（MQW）1004、n型掺杂GaN或AlGaN 1003进行微加工，形成周期性分布或非周期性分布的孔洞结构，部分孔洞结构贯穿p型掺杂的氮化镓或铝镓氮半导体材料1005、多量子阱（MQW）1004，并在n型掺杂的氮化镓或铝镓氮半导体材料1003中形成n 型填充孔1007；p 型填充孔1008只在反射层形成盲孔。然后，通过等离子体增强的化学气相沉积方法在孔洞内部和周围形成填充孔绝缘层2001，该绝缘层材料是SiO2、Si3N4或AlN。随后采用光刻和干法刻蚀或者是湿法腐蚀的方法对填充孔绝缘层2001进行加工，去除孔洞底部的绝缘层，只保留孔洞侧壁的绝缘层。采用溅射、蒸镀或电镀的方式在孔洞中形成n型欧姆接触电极2002和形成n型欧姆接触电极2003.
(3) 如图3所示，在导电基板3005中形成通孔、在通孔侧壁沉积绝缘层、种子层，在通孔中填充导电、导热材料，从而在导电基板中形成导电通孔。
(4) 将制作的含导电通孔的导电基板与含三维电极结构的外延片键合形成如图4所示芯片结构；
(5) 在导电基板的背面旋涂方式涂覆聚合物，并进行预固化，其结构如图5所示；
     芯片上p型欧姆接触电极可以是分布于芯片一侧，两侧和三侧或者四周，其芯片结构俯视图如图6-9所示；
     芯片上p型欧姆接触电极形状可以是半圆形，并分布于芯片单侧和两侧，其其芯片结构俯视图如图10-11所示；
(6) 芯片上蓝宝石和三维光子晶体结构可以选择通过激光剥离，剥离后芯片的结构如图12所示。

Claims (10)

1.一种含高电流密度三维电极结构的LED芯片，包括外延片和导电基板，所述外延片包括蓝宝石衬底（1001），在蓝宝石衬底上依次有n型掺杂GaN或AlGaN（1003）、多量子阱（1004）、p型掺杂GaN或AlGaN（1005）、反射层（1006），其特征在于，还包括贯穿反射层（1006）、p型掺杂GaN或AlGaN（1005）、多量子阱（1004），在n型掺杂GaN或AlGaN（1003）中形成盲孔的n型填充孔（1007），在反射层形成盲孔的p型填充孔（1008），所述n型填充孔（1007）中填充金属形成n型欧姆接触电极（2002），所述p型填充孔（1008）中填充金属形成p型欧姆接触电极（2003）；
所述导电基板(3005)上有金属通孔(3003)，在金属通孔(3003)中依次有基板绝缘层(3001)，种子层(3002)和金属填充电极(3004)，所述金属填充电极(3004)与外延片中p型欧姆接触电极(2003)连接。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述n型填充孔(1007)和p型填充孔(1008)为周期性或非周期性分布。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述蓝宝石衬底(1001)背面含光子晶体(1002)。
4.    根据权利要求3所述的LED芯片，其特征在于，所述光子晶体为纳米有序阵列，其材料为Al2O3，SiO2, Si3N4, 或者AlN。
5.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于所述p型填充孔（1008）和n型填充孔（1007）的侧壁上有填充孔绝缘层(2001)。
6.根据权利要求5所述的LED芯片，其特征在于填充孔绝缘层(2001)材料是SiO2、Si3N4或AlN, 在p型填充孔和n型填充孔中填充材料为金、铜或银。
7.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于所述导电基板(3005)与外延片连接一面有芯片键合层(3006)，在另一面有后续封装键合层(3007)。
8.    根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于 n型填充孔均匀和非均匀地分布，间隔范围为1mm-20nm, 数目1-100个。
9.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于p型填充孔分布于芯片一侧，四周或者对角。
10.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于n型填充孔和p型填充孔的形状为圆形，半圆形或者方形，n型填充孔和p型填充孔垂直于芯片顶面或者与之有一定倾斜夹角。
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