CN107527982A - Led芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种LED芯片，包括：衬底；成形在衬底上、且由N型半导体层、发光层和P型半导体层组成的外延层；分别与N型半导体层和P型半导体层电连接的N型电极和P型电极；所述LED芯片还包括在LED芯片背面位于所述衬底表面的光致发光膜层和/或滤光膜层，所述LED芯片与PCB基板电气连接能够实现光子从所述衬底端经由所述光致发光膜层和/或滤光膜层出射发光。本发明还提供了一种LED芯片的制作方法。本发明通过在LED芯片背面的衬底表面设置光致发光膜层，LED芯片发出的光通过衬底经由光致发光膜出射发光，在LED所发出的波长在蓝绿色区的光的激发下发射出波长更加集中的单色绿色、蓝色的光，从而单色出光效率更高。

Description

LED芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体芯片领域，尤其是一种LED芯片及其制作方法。

背景技术

发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其它单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线以及紫外线，光度也提高到相当的光度。由于其具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗、低热、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域。

关于蓝绿光色区的LED芯片，因目前传统蓝宝石衬底的蓝绿光LED芯片，通过在蓝宝石衬底上依次生长n-GaN、InGaN/AlGaN量子阱、p-GaN，为异质结外延结构，存在严重的自发极化和压电极化，因此很难生长出波长单色性很好的高质量蓝绿光外延，通常芯片的波长半波宽大于15nm+，发光光谱宽，发光效率低，尤其在封装白光时，对应荧光粉的激发效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED芯片，该LED芯片可以实现蓝绿光色区的芯片更高效率的单色出光。

本发明的目的还在于提供一种LED芯片的制作方法，该LED芯片的制作方法制作工艺简单，制作出的LED芯片能够实现蓝绿光色区的芯片更高效率的单色出光。

为实现上述发明目的，本发明提供一种LED芯片，包括：衬底；成形在衬底上、且由N型半导体层、发光层和P型半导体层组成的外延层；分别与N型半导体层和P型半导体层电连接的N型电极和P型电极；所述LED芯片还包括在LED芯片背面位于所述衬底表面的光致发光膜层和/或滤光膜层，所述LED芯片与PCB基板电气连接能够实现光子从所述衬底端经由所述光致发光膜层和/或滤光膜层出射发光。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述LED芯片还包括位于所述P型半导体层表面的带有反光作用的电流传导膜层，所述P型电极位于所述电流传导膜层上并通过电流传导膜层与所述P型半导体层电连接。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述电流传导膜层构造为反光TCL电流传输层。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述外延层上设有露出所述N型半导体层的N型半导体台面，所述N型电极位于所述N型半导体台面上。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述LED芯片背面位于所述衬底表面的为光致发光膜层，所述光致发光膜层的制成材料至少包括无机、有机或有机无机复合物。

本发明还提供了一种LED芯片的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：

S1、提供一衬底；

S2、在所述衬底上外延生长形成N型半导体层、发光层和P型半导体层组成的外延层；

S3、刻蚀外延层形成N型半导体台面；

S4、在外延层的P型半导体层上生长具有反光作用的电流传导膜层；

S5、在电流传导膜层上形成与P型半导体层电连接的P型电极，在N型台面上形成与N型半导体层电连接的N型电极；

S6、在LED芯片背面的衬底表面形成光致发光膜层和/或滤光膜层。

作为本发明一实施方式的进一步改进，在所述步骤S3中，通过MESA刻蚀、ICP或者湿法腐蚀出所述N型半导体台面。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述湿法腐蚀为使用KOH溶液或用H2SO4:H3PO4=3:1的溶液对外延层进行腐蚀。

作为本发明一实施方式的进一步改进，在所述步骤S4中，通过电子束蒸发、溅射或ALD中的一种或多种工艺在外延层的P型半导体层上生长具有反光作用的电流传导膜层，通过光刻工艺，制作反光TCL电流传输层。

作为本发明一实施方式的进一步改进，在所述步骤S5中，通过电子束蒸发、溅射、ALD中的一种或多种工艺在电流传导膜层和N型半导体台面上生长导电金属薄膜，通过光刻工艺，制作芯片电极层，从而形成与P型半导体层电连接的P型电极、与N型半导体层电连接的N型电极。

作为本发明一实施方式的进一步改进，在所述步骤S6中，通过物理气相、化学气相、溶胶-凝胶、涂敷、金属有机化学气相沉积中的一种或多种工艺在所述LED芯片背面衬底表面制备光致发光膜层，然后通过掩模、光刻、剥离、热与激光转印、激光剥离或印刷中的一种或多种工艺制作成图形。

作为本发明一实施方式的进一步改进，在所述步骤S6之后，通过锡焊层将所述LED芯片与PCB基板上的金属线路电气连接，实现光子从衬底端经由所述光致发光膜出射发光。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过在LED芯片背面的衬底表面设置光致发光膜层，LED芯片发出的光通过高透过率衬底经由光致发光膜出射发光。LED芯片通过在衬底上附加滤光膜或者光致发光膜或者两者的组合来实现单色或彩色出光。该光致发光膜具有选择性吸收光的功能，在LED所发出的波长在蓝绿色区的光的激发下发射出波长更加集中的单色绿色、蓝色的光，从而单色出光效率更高。

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是本发明优选的实施方式中LED芯片的侧剖示意图；

图2-图6是图1中的LED芯片制作方法的工艺步骤图，其中：

图2中示出在衬底上生长外延层；

图3中示出在外延层上形成N型半导体台面；

图4中示出在外延层上生长具有反光作用的电流传导膜层；

图5中示出在电流传导膜层上形成P型电极，在N型半导体台面上形成N型电极；

图6中示出在LED芯片背面的衬底表面形成光致发光膜层和/或滤光膜层；

图7是图1中的LED芯片与PCB基板电气连接的示意图。

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，下面将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明公开了一种LED芯片，如图1所示，该LED芯片包括衬底10、位于衬底10上的外延层及位于外延层上的电流传导膜层14、P型电极15a及N型电极15b，其中，外延层包括自衬底由下往上依次设置的N型半导体层11、发光层12以及P型半导体层13，P型电极15a位于电流传导膜层14上且通过电流传导膜层14与P型半导体层13电性连接，N型半导体层11上设有N型半导体台面111，N型电极15b位于N型半导体台面上111。另外，LED芯片还包括在LED芯片背面位于衬底10表面的滤光膜层或者光致发光膜层或者两者的组合，这样，当LED芯片与PCB基板电气连接能够实现光子从衬底10端经由光致发光膜层和/或滤光膜层出射发光。以下的实施例以LED芯片背面位于衬底表面的是光致发光膜层16进行具体说明。

具体地，衬底10可以是蓝宝石、Si（硅）、SiC（碳化硅）、GaN（氮化镓）、ZnO（氧化锌）等，在本实施方式中，衬底10的材料优选为高透光蓝宝石Al2O3衬底。外延层材料选自AlN、GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN中的任意一种或几种的结合，具体优选地，外延层的主体材料为GaN，更具体地，可以通过气相沉积、蒸镀等任意一种现有公知方法在衬底制作成形外延层。外延层中N型半导体层11位于衬底10的上方，N型半导体层11的材料为GaN。发光层12位于N型半导体层11的上方，发光层12构造为多周期量子阱层，量子阱层的材料为GaN，即InGaN/AlGaN量子阱，在其他实施方式中也可以为InGaN 等材料。P型半导体层13位于发光层12的上方，P型半导体层13的材料也为GaN。

进一步的，N型半导体层11上设有N型半导体台面111，N型半导体台面111优选通过光刻工艺，制作出发光区MESA图形，用ICP(感应等离子耦合刻蚀设备)对外延层进行刻蚀或者使用KOH溶液或用H2SO4:H3PO4=3:1的溶液对外延层进行腐蚀出MESA台阶，刻蚀深度超过MQWS（采用InGaN/GaN多量子阱结构），暴露出N型半导体层11，从侧面来看是蚀刻出平台(MESA)，即为N型半导体台面111。电流传导膜层14位于P型半导体层13的上方，该电流传导膜层14为具有反光结构的电流传导膜层，也就是说电流传导膜层14具有反光作用，可以通过电子束蒸发、溅射、ALD等来生长反射率较高的电流传导薄膜，通过光刻工艺，制作反光TCL(Trapped-Charge-Limited)电流传输层。P型电极15a位于电流传导膜层14上且通过电流传导膜层14与P型半导体层13电性连接，N型电极15b位于N型半导体台面111上，可以通过电子束蒸发、溅射、ALD等工艺生长导电金属薄膜(如Cr、Pt、Ti、Ni、Au、Ag、W、Al、V等金属中不同组合的合金)，通过光刻工艺，制作P型电极15a和N型电极15b。

本实施例中优选的，LED芯片背面透光衬底表面的光致发光膜层，通过物理气相、化学气相、溶胶- 凝胶(Sol-Gel)、涂敷、金属有机化学气相沉积等方法成膜，然后通过掩模、光刻、剥离(lift off)、热与激光转印、激光剥离或印刷等方法制作成图形，其中印刷方法可以为接触式或非接触式如喷墨打印或其他已知的方法。

相应地，本发明还公开了一种LED芯片的制作方法，该制作方法具体包括以下步骤：

S1、提供一衬底10；

S2、在衬底10上外延生长形成N型半导体层11、发光层12和P型半导体层13组成的外延层；

S3、刻蚀外延层形成N型半导体台面111，用于生长N型电极15b；

S4、在外延层的P型半导体层13上生长具有反光作用的电流传导膜层14；

S5、在电流传导膜层14上形成与P型半导体层13电连接的P型电极15a，在N型半导体台面13上形成与N型半导体层11电连接的N型电极15b；

S6、在LED芯片背面的衬底10表面形成光致发光膜层和/或滤光膜层。

具体的，步骤S1中，提供的衬底10的材料优选为高透光蓝宝石Al2O3衬底，当然也可以是蓝宝石、Si、SiC、GaN、ZnO等。

配合参照图2所示，在步骤S2中，在高透光蓝宝石通过MOCVD（有机金属化学气相磊晶Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）制备GaN外延层，GaN外延层为N-GaN/MQW/P-GaN结构，包括N型GaN层、多量子阱GaN层、P型GaN层。

配合参照图3所示，在步骤S3中，通过光刻工艺，制作出发光区MESA图形，用ICP(感应等离子耦合刻蚀设备)对外延层进行刻蚀或者使用KOH溶液或用H2SO4:H3PO4=3:1的溶液对外延层进行腐蚀出MESA台阶，刻蚀深度超过MQWS，暴露出N型半导体层N-GaN。

配合参照图4所示，在步骤S4中，通过电子束蒸发、溅射、ALD等工艺在外延层的P型半导体层13上生长反射率较高的电流传导膜层14，通过光刻工艺，制作反光TCL电流传输层。

配合参照图5所示，在步骤S5中，通过电子束蒸发、溅射、ALD等工艺在电流传导膜层和N型半导体台面11上生长导电金属薄膜，导电金属薄膜可以是Cr、Pt、Ti、Ni、Au、Ag、W、Al、V等金属中不同组合的合金，通过光刻工艺，制作芯片电极层，即形成与P型半导体层13电连接的P型电极15a、与N型半导体层11电连接的N型电极15b。

配合参照图6所示，在步骤S6中，本实施例中以LED芯片背面透光衬底表面的为光致发光膜层16进行具体说明，通过物理气相、化学气相、溶胶-凝胶(Sol-Gel)、涂敷、金属有机化学气相沉积等方法制备光致发光膜层，然后通过掩模、光刻、剥离(lift off)、热与激光转印、激光剥离或印刷等方法制作成图形。其中印刷方法可以为接触式或非接触式如喷墨打印或其他已知的方法。

在上述步骤S6之后，参照图7所示，通过锡焊层17将LED芯片与PCB基板19上的金属线路18电气连接，实现光子从衬底10端经由光致发光膜16出射发光。

本发明通过在LED芯片背面的衬底表面设置光致发光膜层，LED芯片发出的光通过高透过率衬底经由光致发光膜出射发光。LED芯片通过在衬底上附加滤光膜或者光致发光膜或者两者的组合来实现单色或彩色出光。该光致发光膜具有选择性吸收光的功能，在LED所发出的波长在蓝绿色区的光的激发下发射出波长更加集中的单色绿色、蓝色的光，从而单色出光效率更高。

上述实施方式基于最基本的传统LED芯片的电容结构设计，但是本领域技术人员能够理解，本发明的实现不需要限制于上述实施例。其它的发光二极管芯片结构(比如倒装、垂直、高压等发光二极管)中也可同理增加光致发光膜层，实现同样的原理结构和作用。

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，各实施方式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。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种LED芯片，包括：衬底；成形在衬底上、且由N型半导体层、发光层和P型半导体层组成的外延层；分别与N型半导体层和P型半导体层电连接的N型电极和P型电极；

其特征在于：所述LED芯片还包括在LED芯片背面位于所述衬底表面的光致发光膜层和/或滤光膜层，所述LED芯片与PCB基板电气连接能够实现光子从所述衬底端经由所述光致发光膜层和/或滤光膜层出射发光。

2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片还包括位于所述P型半导体层表面的带有反光作用的电流传导膜层，所述P型电极位于所述电流传导膜层上并通过电流传导膜层与所述P型半导体层电连接。

3.根据权利要求2所述的LED芯片，其特征在于，所述电流传导膜层构造为反光TCL电流传输层。

4.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述外延层上设有露出所述N型半导体层的N型半导体台面，所述N型电极位于所述N型半导体台面上。

5.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片背面位于所述衬底表面的为光致发光膜层，所述光致发光膜层的制成材料至少包括无机、有机或有机无机复合物。

6.一种LED芯片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：

S1、提供一衬底；

S2、在所述衬底上外延生长形成N型半导体层、发光层和P型半导体层组成的外延层；

S3、刻蚀外延层形成N型半导体台面；

S4、在外延层的P型半导体层上生长具有反光作用的电流传导膜层；

S5、在电流传导膜层上形成与P型半导体层电连接的P型电极，在N型台面上形成与N型半导体层电连接的N型电极；

S6、在LED芯片背面的衬底表面形成光致发光膜层和/或滤光膜层。

7.根据权利要求6所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，在所述步骤S3中，通过MESA刻蚀、ICP或者湿法腐蚀出所述N型半导体台面。

8.根据权利要求7所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述湿法腐蚀为使用KOH溶液或用H2SO4:H3PO4=3:1的溶液对外延层进行腐蚀。

9.根据权利要求6所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过电子束蒸发、溅射或ALD中的一种或多种工艺在外延层的P型半导体层上生长具有反光作用的电流传导膜层，通过光刻工艺，制作反光TCL电流传输层。

10.根据权利要求6所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，在所述步骤S5中，通过电子束蒸发、溅射、ALD中的一种或多种工艺在电流传导膜层和N型半导体台面上生长导电金属薄膜，通过光刻工艺，制作芯片电极层，从而形成与P型半导体层电连接的P型电极、与N型半导体层电连接的N型电极。

11.根据权利要求6所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，在所述步骤S6中，通过物理气相、化学气相、溶胶-凝胶、涂敷、金属有机化学气相沉积中的一种或多种工艺在所述LED芯片背面衬底表面制备光致发光膜层，然后通过掩模、光刻、剥离、热与激光转印、激光剥离或印刷中的一种或多种工艺制作成图形。

12.根据权利要求6所述的LED芯片的制作方法，其特征在于，在所述步骤S6之后，通过锡焊层将所述LED芯片与PCB基板上的金属线路电气连接，实现光子从衬底端经由所述光致发光膜出射发光。