CN110246944A - 一种电流均匀的led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流均匀的LED芯片，包括衬底，设置在衬底上的外延层，设置在外延层上的透明导电层、第一电极和第二电极，以及设置在透明导电层上导电薄膜层，所述导电薄膜层位于芯片发光不均匀处，所述导电薄膜层由导电材料制成，所述导电材料的电阻率为1*10‑8‑3*10‑8欧姆/米，透光率大于95％，且所述导电薄膜层的厚度小于500埃。相应地，本发明还提供了一种电流均匀的LED芯片的制作方法。本发明通过在芯片的发光不均匀处设置一层导电薄膜层，使得芯片电流分布均匀，提高芯片的亮度均匀性，使芯片发光更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种电流均匀的LED芯片及其制作方法。
背景技术
发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)由于具有节能环保、安全耐用、光电转化率高、可控性强等特点，被广泛应用于显示器、汽车照明、通用照明背光源等相关领域。
现有的正装LED芯片，P-GaN表面横向传导率差，电子飘移率只有5m/s，因此导致电流分布不均匀，造成LED芯片封装后，LED器件波长、色温不均，LED灯珠老化不良，芯片容易烧毁失效。其中，在遇到外在电压波动较大的区域，LED芯片更容易出现死灯、漏电、击穿等不良情况，也容易造成能耗的损失。然而，现有正装LED芯片只能靠透明导电层(ITO)与扩展条(finger)来增加电流扩散，但是，扩展条多虽然可以增加电流散布，但会阻挡光线射出，降低芯片的出光效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电流均匀的LED芯片及其制作方法，芯片电流分布均匀，芯片的亮度均匀性好。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种电流均匀的LED芯片，包括衬底，设置在衬底上的外延层，设置在外延层上的透明导电层、第一电极和第二电极，以及设置在透明导电层上导电薄膜层，所述导电薄膜层位于芯片发光不均匀处，芯片发光不均匀处的亮度比芯片的整体亮度低5％及以下，所述导电薄膜层由导电材料制成，所述导电材料的电阻率为1*10-8-3*10-8欧姆/米，且所述导电薄膜层的厚度小于500埃，透光率大于95％。
作为上述方案的改进，芯片发光不均处位于芯片的边缘区域。
作为上述方案的改进，所述导电薄膜层的厚度小于100埃；所述导电材料由Au、Ag、Cu、Al、石墨烯、ITO、ZnO和AzO中的一种或几种组成。
作为上述方案的改进，所述导电材料由银和铝组成，其中，铝和银的比例为(85:15)-(95:5)。
作为上述方案的改进，所述导电薄膜层的截面形状为圆形、方形、三角形、同心圆或不规则形。
相应地，本发明还提供了一种电流均匀的LED芯片的制作方法，包括：
在衬底上形成外延层、透明导电层、第一电极和第二电极，得到LED晶圆；
采用微点亮点测方法测出LED晶圆发光不均匀处，芯片发光不均匀处的亮度比芯片的整体亮度低5％及以下；
在透明导电层上形成导电薄膜层，所述导电薄膜层位于LED晶圆发光不均匀处，所述导电薄膜层由导电材料制成，所述导电材料的电阻率为1*10-8-3*10-8欧姆/米，且所述导电薄膜层的厚度小于500埃，透光率大于90％。
作为上述方案的改进，在形成导电薄膜层后，对LED晶圆进行退火，以将导电薄膜层渗入透明导电层中形成合金层，其中，退火温度为300-600℃。
作为上述方案的改进，所述微点亮点测方法包括：采用1uA、10uA、5mA的电流作为具体测试电流参数，采用20mA、60mA、100mA、120mA、150mA的电流作为芯片使用电流，同时观察芯片的发光分布，以测出芯片发光不均匀处。
作为上述方案的改进，所述导电材料由银和铝组成，其中，铝和银的比例为(85:15)-(95:5)。
作为上述方案的改进，所述导电薄膜层的厚度小于100埃。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供了一种电流均匀的LED芯片，包括衬底，设置在衬底上的外延层，设置在外延层上的透明导电层、第一电极和第二电极，以及设置在透明导电层上导电薄膜层，所述导电薄膜层位于芯片发光不均匀处，所述导电薄膜层由导电材料制成，所述导电薄膜层由导电材料制成，所述导电材料的电阻率为1*10-8-3*10-8欧姆/米，且所述导电薄膜层的厚度小于500埃，透光率大于90％。
本发明通过在芯片的发光不均匀处设置一层导电薄膜层，从而将电流引导到芯片导流分布少的地方，在不影响芯片出光效率的情况下，使得芯片电流分布均匀，进而提高芯片的亮度均匀性，使芯片发光更加均匀。
此外，本发明对导电薄膜层的材料、电阻率、透光率和厚度进行限定，以保证导电薄膜层能够起到电流均匀分布的作用，又不影响芯片的出光效率。
与现有的正装芯片相比，本发明在芯片的发光不均匀处设置一层导电薄膜层，芯片的亮度分布均匀性能提高10-20％，电压能下降0.03-0.07V。
附图说明
图1是本发明LED芯片的结构示意图；
图2是本发明LED芯片的俯视图；
图3是现有LED芯片的发光分布图；
图4是本发明LED芯片的发光分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1和图2，本发明提供的一种电流均匀的LED芯片，包括衬底10，设置在衬底10上的外延层20，设置在外延层20上的透明导电层30、第一电极40和第二电极50，以及设置在透明导电层30上的导电薄膜层60。
本发明衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料。优选的，本发明的衬底10为蓝宝石衬底。
所述外延层20包括依次设置的第一半导体层21、有源层22和第二半导体层23。本发明提供的第一半导体层21为N型氮化镓基层，第二半导体层23为P型氮化镓基层，有源层22为MQW量子阱层。
所述透明导电层30的材质为铟锡氧化物，但不限于此。铟锡氧化物中铟和锡的比例为(70-99):(1-30)。优选的，铟锡氧化物中铟和锡的比例为95:5。这样有利提高透明导电层的导电能力，防止载流子聚集在一起，还提高芯片的出光效率。
所述第一电极40贯穿所述第二半导体层23和有源层22，并第一半导体层21导电连接，所述第二电极50设置在第二半导体层23上。第一电极40和第二电极50均由Cr、Ni、Al、Ti、Pt、Au和Sn中的一种或几种制成。
所述导电薄膜层60位于芯片发光不均匀处，其中，采用微点亮点测方法来测试芯片的发光情况，得知芯片哪里发光不均匀，芯片发光不均匀处的亮度比芯片的整体亮度低5％及以下。一般情况下，芯片发光不均处位于芯片的边缘区域。
参见图3和图4，本发明通过芯片发光分布情况，推导出芯片的电流分布，通过在芯片的发光不均匀处设置一层导电薄膜层，从而将电流引导到芯片导流分布少的地方，在不影响芯片出光效率的情况下，使得芯片电流分布均匀，进而提高芯片的亮度均匀性，使芯片发光更加均匀。
此外，本发明将导电薄膜层设置在透明导电层上，通过导电薄膜层和透明导电层的相互配合，使得芯片电流分布均匀。
与现有的正装芯片相比，本发明在芯片的发光不均匀处设置一层导电薄膜层，芯片的亮度分布均匀性能提高10-20％，电压能下降0.03-0.07V。
具体的，所述导电薄膜层60由导电材料制成，所述导电材料的电阻率为1*10-8-3*10-8欧姆/米，且导电薄膜层的厚度小于500埃，透光率大于95％。若导电材料的电阻率、电流密度和透光率超出上述范围，则影响导电薄膜层的光电性能，从而影响芯片的电流分布、亮度和电压。
需要说明的是，根据公式R＝ρL/S，其中，ρ是材料的电阻率，L为材料的长度，S为面积。可以看出，材料的电阻大小与材料的长度成正比，而与其截面积成反比。
由此可知，若导电薄膜层的厚度越厚，则导电薄膜层的电阻率越小，导电薄膜层的导电率越高，透光率越差，因此，导电薄膜层的厚度对芯片的光电性能起着重要的作用。若导电薄膜层的厚度大于500埃，则导电薄膜层的透光率小于95％，低于透明导电层的透光率，对有源层发出的光进行吸收或遮挡，降低芯片的出光效率。优选的，导电薄膜层的透光率大于97％。
为了保证导电薄膜层能够具有较低的电阻率和较高的透光率，本发明的导电材料由Au、Ag、Cu、Al、石墨烯、ITO、ZnO和AzO中的一种或几种组成。
优选的，所述导电材料由银和铝组成，其中，铝和银的比例为(85:15)-(95:5)。
由于蓝光(波长445-460nm)能够较好地穿透铝，因此铝的出光效率较佳，但铝的导电率较差；而紫光(波长280-365nm)能够较好地穿透银，且银的导电率远远由于铝。因此，本发明以铝为主要材料，同时配合一定比例的银，制成本发明的导电薄膜层。根据实验数据得出，铝和银的比例在(85:15)-(95:5)范围内，芯片的电流均匀性和出光效率最佳。若铝和银的比例小于85:15，则芯片的出光率会降低，若铝和银的比例大于95:5，则会影响芯片的电流分布，起不到电流均匀分布的作用。
需要说明的是，由于银和铝具有特殊的光学性能，若导电薄膜层的厚度大于1000埃，则由银铝合金制成的导电薄膜层会变成金属反射层，起到反射光线的作用，若导电薄膜层的厚度小于500埃，则由银铝合金制成的导电薄膜层的透光率能大于95％，不仅不会反射光线，还起到电流均匀分布的作用。优选的，导电薄膜层的厚度小于100埃。
本发明的导电薄膜层60的截面形状为圆形、方形、三角形、同心圆或不规则形。
相应地，本发明还提供了一种电流均匀的LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
S101、在衬底上形成外延层；
本发明衬底10的材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料。优选的，本发明的衬底10为蓝宝石衬底。
具体的，采用MOCVD设备在衬底10表面形成外延层，所述外延层包括设于衬底10上的第一半导体层21，设于第一半导体层21上的有源层22、以及设于有源层22上的第二半导体层23。
具体的，本发明提供的第一半导体层21为N型氮化镓基层，第二半导体层23为P型氮化镓基层，有源层22为MQW量子阱层。
需要说明的是，在本申请的其他实施例中，所述衬底10与所述第一半导体层21之间设有缓存冲层等叠层。
S102、在外延层上形成透明导电层；
具体的，在第二半导体层23上形成一层透明导电层30。本发明透明导电层30的材质为铟锡氧化物，但不限于此。铟锡氧化物中铟和锡的比例为70-99:1-30。优选的，铟锡氧化物中铟和锡的比例为95:5。这样有利提高透明导电层的导电能力，防止载流子聚集在一起，还提高芯片的出光效率。
S103、形成第一电极和第二电极，得到LED晶圆；
对所述透明导电层30和外延层20进行刻蚀，形成贯穿透明导电层30、第二半导体层23和有源层22的第一裸露区域，形成贯穿透明导电层30的第二裸露区域，第一裸露区域将第一半导体层裸露出来，第二裸露区域将第二半导体层裸露出来；
采用电子束蒸发法或者磁控溅射法，在第一半导体层上沉积金属形成第一电极，在第二半导体层上沉积金属，形成第二电极。所述第一电极40和第二电极50均由Cr、Ni、Al、Ti、Pt、Au和Sn中的一种或几种制成。
S104、采用微点亮点测方法测出LED晶圆发光不均匀处；
采用1uA、10uA、5mA的电流作为具体测试电流参数，采用20mA、60mA、100mA、120mA、150mA的电流作为芯片使用电流，同时观察芯片的发光分布，以测出芯片发光不均匀处，芯片发光不均匀处的亮度比芯片的整体亮度低5％及以下。
需要说明的是，所述导电薄膜层60位于芯片发光不均匀处，其中，采用微点亮点测方法来测试芯片的发光情况，得知芯片哪里发光不均匀。一般情况下，芯片发光不均处位于芯片的边缘区域。
S105、在透明导电层上形成导电薄膜层，所述导电薄膜层位于LED晶圆发光不均匀处。
采用蒸镀或溅射方式在透明导电层上形成导电薄膜层。具体的，将导电材料放置入柑锅之中，将加热电子枪的光束集中到导电材料上，使导电材料蒸发，蒸发后的导电材料镀在透明导电层上。
具体的，所述导电薄膜层由导电材料制成，所述导电材料的电阻率为1*10-8-3*10-8欧姆/米，且导电薄膜层的厚度小于500埃，透光率大于95％。若导电材料的电阻率、电流密度和透光率超出上述范围，则影响导电薄膜层的光电性能，从而影响芯片的电流分布、亮度和电压。
需要说明的是，根据公式R＝ρL/S，其中，ρ是材料的电阻率，L为材料的长度，S为面积。可以看出，材料的电阻大小与材料的长度成正比，而与其截面积成反比。
由此可知，若导电薄膜层的厚度越厚，则导电薄膜层的电阻率越小，导电薄膜层的导电率越高，透光率越差，因此，导电薄膜层的厚度对芯片的光电性能起着重要的作用。若导电薄膜层的厚度大于500埃，则导电薄膜层的透光率小于95％，低于透明导电层的透光率，对有源层发出的光进行吸收或遮挡，降低芯片的出光效率。优选的，导电薄膜层的透光率大于97％。
为了保证导电薄膜层能够具有较低的电阻率和较高的透光率，本发明的导电材料由Au、Ag、Cu、Al、石墨烯、ITO、ZnO和AzO中的一种或几种组成。
优选的，所述导电材料由银和铝组成，其中，铝和银的比例为(85:15)-(95:5)。
由于蓝光(波长445-460nm)能够较好地穿透铝，因此铝的出光效率较佳，但铝的导电率较差；而紫光(波长280-365nm)能够较好地穿透银，且银的导电率远远由于铝。因此，本发明以铝为主要材料，同时配合一定比例的银，制成本发明的导电薄膜层。根据实验数据得出，铝和银的比例在(85:15)-(95:5)范围内，芯片的电流均匀性和出光效率最佳。若铝和银的比例小于85:15，则芯片的出光率会降低，若铝和银的比例大于95:5，则会影响芯片的电流分布，起不到电流均匀分布的作用。
需要说明的是，由于银和铝具有特殊的光学性能，若导电薄膜层的厚度大于1000埃，则由银铝合金制成的导电薄膜层会变成金属反射层，起到反射光线的作用，若导电薄膜层的厚度小于500埃，则由银铝合金制成的导电薄膜层的透光率能大于95％，不仅不会反射光线，还起到电流均匀分布的作用。
本发明的导电薄膜层60的截面形状为圆形、方形、三角形、同心圆或不规则形。
S106、对LED晶圆进行退火；
本发明通过对LED晶圆进行退火，以将导电薄膜层渗入透明导电层中，形成合金层。具体的，退火温度为300-600℃。若退火温度低于300，则导电薄膜层容易脱落，不能与透明导电层形成合金层；若退火温度高于600，则温度过高，破坏外延层的晶体质量，使芯片电压过高。
本发明通过微点亮点测方法测出芯片发光分布情况，推导出芯片的电流分布，通过在芯片的发光不均匀处设置一层导电薄膜层，从而将电流引导到芯片导流分布少的地方，在不影响芯片出光效率的情况下，使得芯片电流分布均匀，进而提高芯片的亮度均匀性，使芯片发光更加均匀。
此外，本发明对导电薄膜层的材料、电阻率、透光率和厚度进行限定，以保证导电薄膜层能够起到电流均匀分布的作用，又不影响芯片的出光效率。
与现有的正装芯片相比，本发明在芯片的发光不均匀处设置一层导电薄膜层，芯片的亮度分布均匀性能提高10-20％，电压能下降0.03-0.07V。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (10)
1.一种电流均匀的LED芯片，其特征在于，包括衬底，设置在衬底上的外延层，设置在外延层上的透明导电层、第一电极和第二电极，以及设置在透明导电层上导电薄膜层，所述导电薄膜层位于芯片发光不均匀处，芯片发光不均匀处的亮度比芯片的整体亮度低5％及以下，所述导电薄膜层由导电材料制成，所述导电材料的电阻率为1*10-8-3*10-8欧姆/米，且所述导电薄膜层的厚度小于500埃，透光率大于95％。
2.如权利要求1所述的电流均匀的LED芯片，其特征在于，芯片发光不均处位于芯片的边缘区域。
3.如权利要求1所述的电流均匀的LED芯片，其特征在于，所述导电薄膜层的厚度小于100埃；
所述导电材料由Au、Ag、Cu、Al、石墨烯、ITO、ZnO和AzO中的一种或几种组成。
4.如权利要求3所述的电流均匀的LED芯片，其特征在于，所述导电材料由银和铝组成，其中，铝和银的比例为(85:15)-(95:5)。
5.如权利要求1所述的电流均匀的LED芯片，其特征在于，所述导电薄膜层的截面形状为圆形、方形、三角形、同心圆或不规则形。
6.一种电流均匀的LED芯片的制作方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成外延层、透明导电层、第一电极和第二电极，得到LED晶圆；
采用微点亮点测方法测出LED晶圆发光不均匀处，芯片发光不均匀处的亮度比芯片的整体亮度低5％及以下；
在透明导电层上形成导电薄膜层，所述导电薄膜层位于LED晶圆发光不均匀处，所述导电薄膜层由导电材料制成，所述导电材料的电阻率为1*10-8-3*10-8欧姆/米，且所述导电薄膜层的厚度小于500埃，透光率大于90％。
7.如权利要求6所述的电流均匀的LED芯片的制作方法，其特征在于，在形成导电薄膜层后，对LED晶圆进行退火，以将导电薄膜层渗入透明导电层中形成合金层，其中，退火温度为300-600℃。
8.如权利要求6所述的电流均匀的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述微点亮点测方法包括：采用1uA、10uA、5mA的电流作为具体测试电流参数，采用20mA、60mA、100mA、120mA、150mA的电流作为芯片使用电流，同时观察芯片的发光分布，以测出芯片发光不均匀处。
9.如权利要求6所述的电流均匀的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述导电材料由银和铝组成，其中，铝和银的比例为(85:15)-(95:5)。
10.如权利要求9所述的电流均匀的LED芯片的制作方法，其特征在于，所述导电薄膜层的厚度小于100埃。
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