CN110767788B - 一种高结温led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高结温LED芯片及其制作方法，所述芯片包括衬底、设于衬底上的第一半导体层、设于第一半导体层上的有源层和第一电极、设于有源层上的第二半导体层、以及设于第二半导体层上的第二电极，第一电极和第二电极均依次包括反射层、阻绝层和打线接触层，所述反射层由第一金属制成，所述阻绝层由第二金属制成，所述打线接触层由第三金属制成，其中，所述第一金属的金属活性小于Cr的金属活性，且第一金属的反射率大于80％，所述阻绝层用于阻挡反射层的金属迁移。本发明通过对电极的结构进行重新设计，控制电极金属活性，减少电极金属在高温时的迁移，有效将芯片的结温Tj(忍受度)从140度，提升到200～250度。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种高结温LED芯片及其制作方法。
背景技术
LED的基本结构是一个半导体的P-N结。实验指出，当电流流过LED元件时，P-N结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度定义为LED结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。
LED芯片的最高结温可以用来计算在给定功耗下LED封装器件外壳至环境的热阻，这可以用来选定合适的散热装置。如果LED封装器件工作温度超过LED芯片的最高结温，LED封装器中的晶体管就容易被破坏，LED封装器也随之失效。
LED芯片结温的估计值(Tj)的计算方法如下：
Tj＝Ta+(RθJA×PD)，
Ta＝封装的环境温度(℃)，
RθJA＝P-N结至环境的热阻(℃/W)，
PD＝封装的功耗(W)。
若提高LED芯片结温的最大额定值，即使环境温度非常高，芯片也能正常工作。
近年来，LED应用范围普及化，已经大部分取代目前的生活照明。在特殊大功率的应用中，LED所产生的高温与Droop效应，影响了LED的应用。现有的LED芯片结温(Tj)在140℃以下，已经不足以满足封装的需求。市场上对LED芯片的结温要求在200℃以上。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高结温LED芯片及其制作方法，有效提高芯片的结温。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高结温LED芯片，包括衬底、设于衬底上的第一半导体层、设于第一半导体层上的有源层和第一电极、设于有源层上的第二半导体层、以及设于第二半导体层上的第二电极，第一半导体层和第一电极之间设有第一接触层，第二半导体层和第二电极之间设有第二接触层，第一电极和第二电极均依次包括反射层、阻绝层和打线接触层，所述反射层由第一金属制成，所述阻绝层由第二金属制成，所述打线接触层由第三金属制成，其中，所述第一金属的金属活性小于Cr的金属活性，且第一金属的反射率大于80％，所述阻绝层用于阻挡反射层的金属迁移。
作为上述方案的改进，所述第二金属的金属活性＜第一金属的金属活性。
作为上述方案的改进，所述第三金属的金属活性＜第二金属的金属活性＜第一金属的金属活性。
作为上述方案的改进，所述第一金属为Rh，所述第二金属为Pt或Pd，所述第三金属为Au。
作为上述方案的改进，所述第一金属为Rh，所述第二金属为W或TiW，所述第三金属为Au。
作为上述方案的改进，所述第一接触层和第二接触层均为透明导电层，所述透明导电层由氧化铟锡或铟锌氧化物制成，所述透明导电层的厚度为300～3000埃。
作为上述方案的改进，所述反射层的厚度为1000～5000埃，所述阻绝层的厚度为300～3000埃。
相应地，本发明还提供了一种高结温LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
一、在衬底上依次形成第一半导体层、有源层和第二半导体层；
二、对第二半导体层进行刻蚀，刻蚀至第一半导体层，形成裸露区域；
三、在裸露出来的第一半导体层上形成第一接触层和第一电极，在第二半导体层上形成第二接触层和第二电极；
第一电极和第二电极均依次包括反射层、阻绝层和打线接触层，所述反射层由第一金属制成，所述阻绝层由第二金属制成，所述打线接触层由第三金属制成，其中，所述第一金属的金属活性小于Cr的金属活性，且第一金属的反射率大于80％。
作为上述方案的改进，所述第三金属的金属活性＜第二金属的金属活性＜第一金属的金属活性；所述第一金属为Rh，所述第二金属为Pt或Pd，所述第三金属为Au。
作为上述方案的改进，所述第一金属为Rh，所述第二金属为W或TiW，所述第三金属为Au。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的一种高结温LED芯片，电极包括反射层、阻绝层和打线接触层，所述反射层由第一金属制成，所述阻绝层由第二金属制成，所述打线接触层由第三金属制成，其中，所述第一金属的金属活性小于Cr的金属活性，所述第一金属的反射率大于80％。
本发明通过对电极的结构进行重新设计，本发明选用金属活性比Cr小且反射率大的金属作为底层结构和反射结构，通过控制电极金属活性，减少电极金属在高温时的迁移，有效将芯片的结温Tj(忍受度)从140度，提升到200～250度。
此外，本发明电极中的反射层用于反射电极下方光，防止光被电极本身吸收，阻绝层用于阻挡反射层的金属迁移，接触层用于封装打线。本发明的电极通过多层结构的相互配合，在提高芯片结构的同时并提高芯片的出光效率和稳定性。
进一步地，本发明在第一半导体层和第一电极之间设置一层接触层，不仅可以将电流更好地扩散到第一半导体层，还可以提高第一电极和第一半导体层的欧姆接触。
附图说明
图1是本发明LED芯片的结构示意图。
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，本发明提供的一种高结温LED芯片，包括衬底10、设于衬底10上的第一半导体层20、设于第一半导体层20上的有源层30和第一电极60、设于有源层30上的第二半导体层40、以及设于第二半导体层40之间的第二电极70。
本发明的第一半导体层20和第一电极60之间设有第一接触层51，第二半导体层40和第二电极70之间设有第二接触层52。
本发明的第一电极60和第二电极70均依次包括反射层61、阻绝层62和接触层63，所述反射层61由第一金属制成，所述阻绝层62由第二金属制成，所述接触层63由第三金属制成，其中，所述第一金属的金属活性小于Cr的金属活性，第一金属的反射率大于80％。
本发明通过对电极的结构进行重新设计，本发明选用金属活性比Cr小且反射率大的金属作为底层结构和反射结构，通过控制电极金属活性，减少电极金属在高温时的迁移，有效将芯片的结温Tj(忍受度)从140度，提升到200～250度。
需要说明的是，本发明电极中的反射层用于反射电极下方光，防止光被电极本身吸收；若第一金属的金属活性太高，反射层会容易形变，粗糙；若第一金属的金属活性太低，反射层的反射率会降低。本发明的阻绝层用于阻挡反射层的金属迁移，因此第二金属的金属活性要低于第一金属的金属活性。本发明的接触层用于封装打线，因此第三金属本身需要柔软稳定，本发明对第三金属的金属活性没有要求。本发明的电极通过多层结构的相互配合，在提高芯片结构的同时并提高芯片的出光效率和稳定性。
优选的，第二金属的金属活性＜第一金属的金属活性。为了进一步降低电极金属的迁移，所述第三金属的金属活性＜第二金属的金属活性＜第一金属的金属活性。
Rh的金属活性为反射率可达85％以上，本发明的第一金属优选为Rh。Rh作为电极的底层结构，且作为反射结构，可同时代替现有电极结构中的Cr层和Al层。Rh的金属活性远远低于现有电极中的Cr和Al，因此本发明的电极金属迁移率大大降低，有效将芯片的结温Tj(忍受度)从140度，提升到200～250度。
进一步地，本发明的第二金属优选为Pt或Pd，第三金属优选为Au。
需要说明的是，所述第二金属还可以为W或TiW。W与TiW不是靠金属活性低来阻挡第一金属迁移，而是依靠金属本身的刚硬度。
优选的，所述第一金属为Rh，所述第二金属为W或TiW，所述第三金属为Au。
现有芯片的电极结构一般为Cr/Al/Ti/Pt/Au，其中，第一电极中的Cr直接形成在第一半导体层上，由于Cr的金属活性高，容易发生迁移，本发明的第一电极通过透明导电层设置在第一半导体层上，透明导电层的活性较低，也可以当N-GaN接触层。
优选的，本发明第一电极和第二电极的结构为Rh/W/Au或Rh/TiW/Au，其中，第一电极和第二电极的结构可以相同，也可以不相同。
需要说明的是，Rh的金属活性为W的金属活性为/>Au的金属活性为/>透明导电层(ITO)的金属活性为/>
金属Rh的反射率可以达到85％以上，且金属活性相对稳定，因此可以本发明选用Rh作为反射层。由于本发明选用了Rh作为反射层，因此阻绝层的金属活性要低于Rh，才能压制Rh，避免其发生迁移，由此本发明选用了稳定性好的W或TiW合金作为阻绝层。
本发明对电极的结构进行重新设计，通过控制电极金属活性，减少电极金属在高温时的迁移，有效将芯片的结温Tj(忍受度)从140度，提升到200～250度。
本发明在第一半导体层20和第一电极60之间设置一层接触层51，不仅可以将电流更好地扩散到第一半导体层，还可以提高第一电极和第一半导体层的欧姆接触。
优选的，所述第一接触层和第二接触层均为透明导电层。所述透明导电层由氧化铟锡或铟锌氧化物制成。
本发明透明导电层的厚度优选为300～3000埃。若透明导电层的厚度大于3000埃，则应力太大，透明导电层容易断裂，影响芯片的光电性能；若透明导电层的厚度小于300埃，则芯片的结温提高不大。
本发明反射层的厚度优选为1000～5000埃。若反射层的厚度大于5000埃，则应力太大，反射层容易断裂，影响芯片的光电性能；若反射层的厚度小于1000埃，则反射率低。
本发明阻绝层的厚度为300～3000埃。阻绝层的厚度在300埃及以上，才能对反射层进行阻挡，若阻绝层的厚度大于3000埃，则应力太大，厚度太厚，造成浪费。
本发明的第一半导体层为N-GaN层，有源层为量子阱层，第二半导体层为P-GaN层。
相应地，本发明还提供了一种高结温LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
一、在衬底上依次形成第一半导体层、有源层和第二半导体层；
二、对第二半导体层进行刻蚀，刻蚀至第一半导体层，形成裸露区域；
三、在裸露出来的第一半导体层上形成第一接触层和第一电极，在第二半导体层上形成第二接触层和第二电极；
所述第一电极和第二电极均包括反射层、阻绝层和打线接触层。
具体的，反射层设置在第一接触层和第二接触层上，阻绝层设置在反射层上，打线接触层设置在阻绝层上。所述反射层由第一金属制成，所述阻绝层由第二金属制成，所述打线接触层由第三金属制成，其中，所述第一金属的金属活性小于Cr的金属活性，第一金属的反射率大于80％。
本发明通过对电极的结构进行重新设计，本发明选用金属活性比Cr小且反射率大的金属作为底层结构和反射结构，通过控制电极金属活性，减少电极金属在高温时的迁移，有效将芯片的结温Tj(忍受度)从140度，提升到200～250度。
需要说明的是，本发明电极中的反射层用于反射电极下方光，防止光被电极本身吸收；若第一金属的金属活性太高，反射层会容易形变，粗糙；若第一金属的金属活性太低，反射层的反射率会降低。本发明的阻绝层用于阻挡反射层的金属迁移，因此第二金属的金属活性要低于第一金属的金属活性。本发明的接触层用于封装打线，因此第三金属本身需要柔软稳定，本发明对第三金属的金属活性没有要求。本发明的电极通过多层结构的相互配合，在提高芯片结构的同时并提高芯片的出光效率和稳定性。
优选的，第二金属的金属活性＜第一金属的金属活性。为了进一步降低电极金属的迁移，所述第三金属的金属活性＜第二金属的金属活性＜第一金属的金属活性。
Rh的金属活性为反射率可达85％以上，本发明的第一金属优选为Rh。Rh作为电极的底层结构，且作为反射结构，可同时代替现有电极结构中的Cr层和Al层。Rh的金属活性远远低于现有电极中的Cr和Al，因此本发明的电极金属迁移率大大降低，有效将芯片的结温Tj(忍受度)从140度，提升到200～250度。
进一步地，本发明的第二金属优选为Pt或Pd，第三金属优选为Au。
需要说明的是，所述第二金属还可以为W或TiW。W与TiW不是靠金属活性低来阻挡第一金属迁移，而是依靠金属本身的刚硬度。
优选的，所述第一金属为Rh，所述第二金属为W或TiW，所述第三金属为Au。
现有芯片的电极结构一般为Cr/Al/Ti/Pt/Au，其中，第一电极中的Cr直接形成在第一半导体层上，由于Cr的金属活性高，容易发生迁移，本发明的第一电极通过透明导电层设置在第一半导体层上，透明导电层的活性较低，也可以当N-GaN接触层。
优选的，本发明第一电极和第二电极的结构为Rh/W/Au或Rh/TiW/Au，其中，第一电极和第二电极的结构可以相同，也可以不相同。
需要说明的是，Rh的金属活性为W的金属活性为/>Au的金属活性为/>透明导电层(ITO)的金属活性为/>
金属Rh的反射率可以达到85％以上，且金属活性相对稳定，因此可以本发明选用Rh作为反射层。由于本发明选用了Rh作为反射层，因此阻绝层的金属活性要低于Rh，才能压制Rh，避免其发生迁移，由此本发明选用了稳定性好的W或TiW合金作为阻绝层。
本发明对电极的结构进行重新设计，通过控制电极金属活性，减少电极金属在高温时的迁移，有效将芯片的结温Tj(忍受度)从140度，提升到200～250度。
本发明在第一半导体层和第一电极之间设置一层接触层，不仅可以将电流更好地扩散到第一半导体层，还可以提高第一电极和第一半导体层的欧姆接触。
优选的，所述第一接触层和第二接触层均为透明导电层。所述透明导电层由氧化铟锡或铟锌氧化物制成。
本发明透明导电层的厚度优选为300～3000埃。若透明导电层的厚度大于3000埃，则应力太大，透明导电层容易断裂，影响芯片的光电性能；若透明导电层的厚度小于300埃，则芯片的结温提高不大。
本发明反射层的厚度优选为1000～5000埃。若反射层的厚度大于5000埃，则应力太大，反射层容易断裂，影响芯片的光电性能；若反射层的厚度小于1000埃，则反射率低。
本发明阻绝层的厚度为300～3000埃。阻绝层的厚度在300埃及以上，才能对反射层进行阻挡，若阻绝层的厚度大于3000埃，则应力太大，厚度太厚，造成浪费。
本发明的第一半导体层为N-GaN层，有源层为量子阱层，第二半导体层为P-GaN层。
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 (7)
1.一种高结温LED芯片，包括衬底、设于衬底上的第一半导体层、设于第一半导体层上的有源层和第一电极、设于有源层上的第二半导体层、以及设于第二半导体层上的第二电极，其特征在于，第一半导体层和第一电极之间设有第一接触层，第二半导体层和第二电极之间设有第二接触层，第一电极和第二电极均依次包括反射层、阻绝层和打线接触层，所述反射层由第一金属制成，所述阻绝层由第二金属制成，所述打线接触层由第三金属制成，其中，所述第一金属的金属活性小于Cr的金属活性，且第一金属的反射率大于80%，所述阻绝层用于阻挡反射层的金属迁移；
所述第一金属为Rh；
所述高结温LED芯片采用下述方法制得：
一、在衬底上依次形成第一半导体层、有源层和第二半导体层；
二、对第二半导体层进行刻蚀，刻蚀至第一半导体层，形成裸露区域；
三、在裸露出来的第一半导体层上形成第一接触层和第一电极，在第二半导体层上形成第二接触层和第二电极；
第一电极和第二电极均依次包括反射层、阻绝层和打线接触层，所述反射层由第一金属制成，所述阻绝层由第二金属制成，所述打线接触层由第三金属制成，其中，所述第一金属的金属活性小于Cr的金属活性，所述第一金属的反射率大于80%。
2.如权利要求1所述的高结温LED芯片，其特征在于，所述第二金属的金属活性＜第一金属的金属活性。
3.如权利要求2所述的高结温LED芯片，其特征在于，所述第三金属的金属活性＜第二金属的金属活性＜第一金属的金属活性。
4.如权利要求3所述的高结温LED芯片，其特征在于，所述第二金属为Pt或Pd，所述第三金属为Au。
5.如权利要求1所述的高结温LED芯片，其特征在于，所述第二金属为W或TiW，所述第三金属为Au。
6.如权利要求1所述的高结温LED芯片，其特征在于，所述第一接触层和第二接触层均为透明导电层，所述透明导电层由氧化铟锡或铟锌氧化物制成，所述透明导电层的厚度为300~3000埃。
7.如权利要求1所述的高结温LED芯片，其特征在于，所述反射层的厚度为1000~5000埃，所述阻绝层的厚度为300~3000埃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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