CN111081835A - 一种led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片及其制备方法。所述LED芯片包括从下到上依次排列分布的导电衬底、n电极接触层、第一绝缘层、p接触反射镜金属及保护层、环形CBL（电流阻挡层）层、p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层、n型GaN层和第二绝缘层；嵌入式柱状N电极层分别插入键合金属层中并依次贯穿第一绝缘层等；嵌入式柱状N电极层的上表面和n电极接触层相连接并形成欧姆接触。本发明提供的LED芯片利用孔周围的CBL层设计可以在不增加电极孔数量即不损失发光面积的情况实现电流分布优化，进一步芯片提高亮度。
Description
技术领域
本发明涉及LED制造技术领域，具体涉及一种LED芯片及其制备方法
背景技术
随着LED在照明领域的逐步应用，市场对白光LED光效的要求越来越高，从普通家庭照明灯具逐步发展到需要更高功率的路灯、车前灯系统，市场对于大功率大尺寸甚至超大尺寸的LED芯片的需求越来越成为主流。超大功率，超大尺寸LED首先面对的第一个问题就是电流拥挤。更高的功率要求对LED芯片的电流扩展能力提出了更大的考验，普通的垂直结构已经不能满足更大功率比如5W及以上功率芯片的设计要求了(余彬海,王浩.结温与热阻制约大功率LED发展[J].发光学报,2005,26(6):761-766.)。而嵌入式电极结构LED芯片通过P面延申至n-GaN内部的孔洞将N电极设置在n-GaN内，这种结构有以下优点：1、电流扩展性能优于垂直结构芯片，孔内电极形成的3D层面的电流扩展明显好于垂直结构芯片(封波.硅衬底GaN基大功率LED的研制[D].南昌大学,2018.)；2、孔的面积远小于垂直结构电极线的面积，减少了光线的损失；3、相比与垂直结构更加优异的散热能力。
嵌入式结构LED芯片弥补了垂直结构芯片的不足，使得LED芯片的功率得以再上一个台阶。但是仍然需要很多设计优化。芯片内均匀分布的电极孔使得电流在芯片内部可以相对均匀的分布而非聚集在PAD附近。电流从孔内涌出，通过n-GaN层扩散到周围一定面积的发光区域。而扩散范围的大小受限于n-GaN层的导电能力往往只有100um左右，若要实现整面的电流均匀扩展就要增加孔的密度连弥补扩散距离的限制，然而孔的密度增加又会损失掉更多的发光面积而降低光效，得不偿失。同时孔的个数增加带来的孔壁绝缘的难题也更加严重。因此如何进一步优化嵌入式电极结构LED芯片的电流分布情况而不减少有效的发光面积是嵌入式电极结构LED的一大难题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种LED芯片及其制备方法。
该LED芯片的制备是一种新的思路，将CBL层引入到嵌入式电极结构芯片中，深度上CBL层位于p-GaN与反射镜层之间，水平面上，CBL层为围绕n电极孔周围的环状结构。载流子从孔内的柱状n电极注入到n-GaN中。借助n-GaND的导电能力向周围扩散，然而电子浓度却随着扩散距离快速减少。CBL环状结构的存在使得距离孔最近处的电流向下传播收到CBL的阻碍，从而被迫向远处扩散，增加扩散面积。可以实现在不增加孔的个数的情况下，大大提升电流分布的均匀性，从而提升发光性能，并且降低电流拥挤带来的发热情况。
本发明的目的是通过以下技术方案之一实现的。
本发明提供的一种LED芯片，包括：从下到上依次排列分布的导电衬底、n电极接触层、第一绝缘层、p接触反射镜金属及保护层、环状CBL层(电流阻挡层)、p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层、n型GaN层、第二绝缘层及P电极；所述n电极接触层层叠在导电衬底上；所述n电极接触层依次径向贯穿第一绝缘层、p接触反射镜金属及保护层、环状CBL层、p型GaN层及InGaN/GaN多量子阱发光层，形成柱状嵌入式柱状n电极结构，所述n电极接触层和n型GaN层接触；所述第一绝缘层延伸覆盖柱状嵌入式柱状n电极层的侧面形成绝缘保护，所述第一绝缘层将n电极接触层与p接触反射镜金属及保护层隔离；所述p电极与p接触反射镜金属及保护层的上表面连接；所述p电极依次径向贯穿p型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层及n型GaN层；所述第二绝缘层延伸覆盖p电极的侧壁；所述第二绝缘层覆盖n型GaN层的上表面；所述环形CBL层内嵌在p接触反射镜金属及保护层上表面，所述环形CBL层与p型GaN层的下表面接触；所述环形CBL层套在第一绝缘层和柱状嵌入式柱状n电极层周围。
进一步地，所述n电极接触层和n型GaN层的内部接触，形成欧姆接触；所述n电极接触层与导电衬底连接，形成电导通；所述p电极与p接触反射镜金属及保护层相连接形成电导通。
进一步地，相邻的环形CBL层之间不是连续相接。
进一步地，环形CBL层的材质为二氧化硅，所述环形CBL层的厚度为1-50nm；所述环形CBL层的半径大小为相邻两个柱状嵌入式柱状n电极结构间距的1/6-1/3。所述LED芯片还包括环形CBL层，所述环形CBL层在垂直位置上至于p面反射镜金属及保护层与p型GaN层之间，在水平位置上套在各嵌入式电极孔周围，各环形CBL间并非连续相接，而是相互分开的。
优选地，所述环形CBL层还可以是一种对p-GaN表面的一种加工方式使其钝化并非实质物质。
进一步地，所述p接触反射镜金属及保护层包括p接触反射镜金属和保护层；所述p接触反射镜金属为Ag层和Ni层交替生长2-5个周期形成的，每个周期中的Ag层厚度为100-800nm，Ni层厚度为10-50nm；所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为50-200nm。
进一步地，所述导电衬底为Si衬底，厚度为100-500μm；所述第一绝缘层和第二绝缘层均为SiO2绝缘层，厚度均为100-3000nm。
进一步地，所述n电极接触层为Ti电极层、Cr电极层、Ag电极层、Au电极层和Pt电极层中的一种或两种以上组成的复合电极层；所述n电极接触层的厚度为2-4μm。
进一步地，所述p电极为Cr电极、Pt电极和Au电极中的一种电极或者两种以上组成的复合电极；所述p电极的厚度为2-4um。
本发明提供的一种LED芯片利用孔周围的CBL层设计可以在不增加电极孔数量即不损失发光面积的情况实现电流分布优化，进一步芯片提高亮度。
本发明提供一种制备上述的LED芯片的方法，其包括如下步骤：
(1)取外延衬底，在所述外延衬底上依次生长缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层和p型GaN层在p型GaN层上进行光刻，光刻图形为环形CBL层，并制备环形CBL结构；再制备p接触反射镜金属和保护层，得LED外延片；
(2)在步骤(1)所述LED外延片上制备出通孔结构；所述通孔结构依次径向贯穿p接触反射镜金属及保护层、CBL层、p型GaN层及InGaN/GaN多量子阱发光层，所述通孔结构延伸至n型GaN层底部；得到嵌入式柱状N电极通道；
(3)在p接触反射镜金属及保护层的上表面以及通孔结构的内壁上生长第一绝缘层，所述内壁不包括通孔结构底面；
(4)在通孔结构内沉积嵌入式柱状N电极，嵌入式柱状N电极穿出第一绝缘层的上表面，形成n电极接触层；
(5)在n电极接触层上生长键合金属层，再将键合金属层与导电衬底键合，剥离外延衬底和缓冲层，暴露出n型GaN层，得LED芯片半成品；
(6)上下180°翻转步骤(5)所述LED芯片半成品，然后在n型GaN层制备第二绝缘层，在第二绝缘层上设置凹槽状结构，凹槽状结构径向贯穿第二绝缘层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层、p型GaN层；第二绝缘层延伸覆盖凹槽状结构的内壁，所述内壁不包括凹槽状结构的底面；
(7)在凹槽状结构内生长p电极，p电极在凹槽状结构内高出第二绝缘层的上表面，得到LED芯片。
进一步地，步骤(2)中，可以采用光刻和ICP刻蚀制备出通孔结构；步骤(3)中，可以在通孔结构内先生长一层第一绝缘层，然后再利用酸腐方法暴露出通孔结构底面的缓冲层；步骤(5)中，外延衬底的玻璃采用机械研磨加化学腐蚀的方法，缓冲层的剥离采用ICP干法刻蚀。
优选地，步骤(1)中利用光刻工艺配合ICP刻蚀制备出CBL环状结构。
优选地，步骤(1)中利用光刻工艺配合PECVD沉积SiO2制备出CBL环状结构。
优选地，步骤(3)中在通孔结构内先生长一层第一绝缘层，再利用酸腐方法暴露出通孔结构底面的缓冲层。
优选地，步骤(5)中外延衬底的玻璃采用机械研磨加化学腐蚀的方法，缓冲层的剥离采用ICP干法刻蚀。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：
(1)本发明提供的LED芯片，除了具有嵌入式电极结构相比垂直结构的优势之外，进一步优化电流分布情况，使得孔间的电流扩展更加均匀，大大缓解电流拥挤的情况。使其电流分布均匀性得到大幅提升，光效大幅提升；
(2)本发明提供的LED芯片，在进一步优化了电流分布的同时，保留了原本的发光面积不变，使得在电流拥挤解决的同时，光效得到大幅度提升；
(3)本发明提供的LED芯片的制备方法，其CBL层制备工艺简单，但效果明显；
(4)本发明提供的LED芯片的制备方法，流程简单，成品率高，适合工业化生产，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例提供的LED芯片截面结构示意图；
图2为实施例提供的LED芯片的俯视图；
其中，导电衬底01、n电极接触层02、第一绝缘层03、p接触反射镜金属及保护层04、环状CBL层05、p型GaN层06、InGaN/GaN多量子阱发光层07、n型GaN层08、第二绝缘层09及P电极10；
图3a为实施例1提供的LED芯片(LED-1)与普通LED芯片的亮度mapping对比图；
图3b为实施例2提供的LED芯片(LED-2)与普通LED芯片的亮度mapping对比图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例1
一种LED芯片，参照图1所示，包括从下到上依次排列分布的导电衬底01、n电极接触层02、第一绝缘层03、p接触反射镜金属及保护层04、环状CBL层05、p型GaN层06、InGaN/GaN多量子阱发光层07、n型GaN层08、和第二绝缘层09、以及P电极10；嵌入式柱状N电极层02依次径向贯穿第一绝缘层03、p接触反射镜金属及保护层04、环状CBL层05、p型GaN层06、InGaN/GaN多量子阱发光层07，形成柱状嵌入式n电极层，最终和n型GaN层08内部接触；嵌入式柱状N电极层02和导电衬底01相连接形成电导通；柱状嵌入式n电极层的上表面和n-GaN08相连接并形成欧姆接触；第一绝缘层03延伸覆盖嵌入式柱状N电极层02的侧面形成绝缘保护,并将n电极接触层02与p面反射镜金属及保护层04电隔离。；所述LED芯片还包括p电极10，所述p电极10和p面反射镜金属及保护层04的上表面相连接并依次径向贯穿p型GaN层(06)、InGaN/GaN多量子阱发光层07、n型GaN层08；p电极10和p面反射镜金属及保护层04相连接形成电导通；第二绝缘层09延伸覆盖p电极10的侧壁；所述第二绝缘层09覆盖n型GaN层08的上表面。
如图2所示，所述LED芯片还包括环形CBL层05，所述环形CBL层05在垂直位置上至于p面反射镜金属及保护层04与p型GaN层06之间，在水平位置上套在各嵌入式电极孔周围(套在第一绝缘层03和柱状嵌入式柱状n电极层周围)，各环形CBL层05间并非连续相接，而是相邻的环形CBL层05是相互分开的。
p型GaN层06的厚度为200nm；InGaN/GaN多量子阱发光层07的厚度为40nm；n型GaN层08的厚度为3um；第一绝缘层为2μm厚的SiO2绝缘层；第二绝缘层为SiO2绝缘层，厚度400nm。
CBL层为二氧化硅薄膜,厚度50um。CBL环的半径大小为孔间距的1/4.
所述p接触反射镜金属及保护层04包括p接触反射镜金属和保护层；所述p接触反射镜金属为为Ag层和Ni层交替生长2个周期形成的，每个周期中Ag层的厚度为100nm，Ni层的厚度为25nm；所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为80nm。
导电衬底10为Si衬底厚度400um。
n电极接触层02为Cr电极层和Al电极层交替生长并重复2个周期，每个周期中Cr电极层的厚度为50nm，Al电极层的厚度为1000nm。
p电极10为Cr电极、Pt电极和Au电极组成的复合电极，所述复合电极的厚度为3um。
本实施例还提供了所述一种LED芯片(LED-1)的制备方法，包括如下步骤：
(1)取外延衬底(Si衬底)，采用MOCVD设备在所述外延衬底(Si衬底)上依次生长5um厚的AlGaN缓冲层、n型GaN层08、InGaN/GaN多量子阱发光层07和p型GaN层06；PECVD沉积与光刻工艺制备CBL层05。继续使用电子束蒸发设备在p型GaN层06上沉积p接触反射镜金属及保护层04，得LED外延片；金属蒸发速率为15埃/秒；
(2)在LED外延片上制备出两个依次贯穿p接触反射镜金属及保护层04、CBL层05、p型GaN层06、InGaN/GaN多量子阱发光层07并延伸至n型GaN层08内部的孔结构，得嵌入式柱状N电极通道；
利用光刻加剥离方法在LED外延片上制备出p接触反射镜金属及保护层04的通孔，利用BOE腐蚀液制备CBL层05通孔、再利用ICP刻蚀出依次贯穿p型GaN层06、InGaN/GaN多量子阱发光层07并延伸至n型GaN层08内部的通孔结构；ICP刻蚀采用Cl2/Ar,比例12:1，上功率300W下功率180W，刻蚀速率35埃/秒；
(3)在p接触反射镜金属及保护层04的上表面以及通孔结构的内壁上用PECVD(等离子体增强化学的气相沉积法)生长第一绝缘层03，使其完全覆盖p接触反射镜金属及保护层04，通孔结构内壁和底部，再通过选择性酸腐去除通孔结构底部的第一绝缘层03，暴露出通孔结构的孔底；
(4)在上表面及通孔结构内沉积n电极接触层02，嵌入式柱状N电极沉积在孔内穿出第一绝缘层03的上表面，形成嵌入式柱状N电极；
(5)在嵌n电极接触层02上通过电子束生长键合金属层，再将键合金属层与导电衬底01(Si衬底)键合，制得双衬底LED外延片，将所述双衬底LED外延片的外延衬底经过机械研磨再浸没于氢氟酸、冰乙酸和硝酸的混合液中(氢氟酸：冰乙酸：硝酸(物质的量浓度)＝5:1:5)，腐蚀至外延衬底消失为止，再采用ICP刻蚀去除AlGaN缓冲层，暴露出n型GaN层08，得LED芯片半成品；
(7)在所述n型GaN层08上化学腐蚀出向内凹陷至p接触反射镜金属及保护层04的凹槽状结构，该凹槽状结构贯穿n型GaN层08、InGaN/GaN多量子阱发光层07、p型GaN层06和反射镜金属层05；再在n型GaN层08的表面和凹槽状结构的内壁沉积第二绝缘层09，所述内壁不包括凹槽状结构的底面；
(8)在凹槽状结构内的p接触反射镜金属及保护层04上生长p电极10，p电极10在凹槽状结构内高出覆盖透明电流扩散层90的第二绝缘层31的上表面。
实施例2
本实施例提供了一种LED芯片(LED-2)，与实施例1的芯片的差距主要体现在CBL层的结构不同，该实施例的CBL层并非实质的物质结构，而是P-GaN表面对应的位置进行的选择性维刻蚀行程的钝化区。
相应的该实施例的制备方法中，CBL层的制备工艺为，光刻加ICP刻蚀工艺行程CBL环状结构。ICP刻蚀采用H2/Ar，比例8:1，上功率160W下功率70W，刻蚀时间2min。
其他结构与方法均与实施例1完全一致。
效果评价及性能检测
图3a为实施例1提供的LED芯片(LED-1)与普通LED芯片的亮度mapping对比图；图3b为实施例2提供的LED芯片(LED-2)与普通LED芯片的亮度mapping对比图，其中LOP1代表发光功率，单位(mW)，数值越大代表发光亮度越高，红色框线内为无CBL结构的普通LED芯片，其余位置为设置了所述CBL结构的LED芯片。由图3a和图3b可见，本发明实施例所提供的一种LED芯片的发光强度更大，拥有优异的导电性能，相比于普通芯片而言，更够实现更好的电流扩展度。
实施例1和实施例2提供的一种LED芯片(LED-1和LED-2)与普通LED芯片的工作电压@350mA的千颗均值分别为3.01V、3.05V、3.0V，由此可见CBL环的引入并没有恶化正向工作电压，达到了与基线相同的水平。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种LED芯片，其特征在于，包括：导电衬底(01)、n电极接触层(02)、第一绝缘层(03)、p接触反射镜金属及保护层(04)、环状CBL层(05)、p型GaN层(06)、InGaN/GaN多量子阱发光层(07)、n型GaN层(08)、第二绝缘层(09)及P电极(10)；所述n电极接触层(02)层叠在导电衬底(01)上；所述n电极接触层(02)依次径向贯穿第一绝缘层(03)、p接触反射镜金属及保护层(04)、环状CBL层(05)、p型GaN层(06)及InGaN/GaN多量子阱发光层(07)，形成柱状嵌入式柱状n电极结构，所述n电极接触层(02)和n型GaN层(08)接触；所述第一绝缘层(03)延伸覆盖柱状嵌入式柱状n电极层的侧面形成绝缘保护，所述第一绝缘层(03)将n电极接触层(02)与p接触反射镜金属及保护层(04)隔离；所述p电极(10)与p接触反射镜金属及保护层(04)的上表面连接；所述p电极(10)依次径向贯穿p型GaN层(06)、InGaN/GaN多量子阱发光层(07)及n型GaN层(08)；所述第二绝缘层(09)延伸覆盖p电极(10)的侧壁；所述第二绝缘层(09)覆盖n型GaN层(08)的上表面；所述环形CBL层(05)内嵌在p接触反射镜金属及保护层(04)上表面，所述环形CBL层(05)与p型GaN层(06)的下表面接触；所述环形CBL层(05)套在第一绝缘层(03)和柱状嵌入式柱状n电极层周围。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述n电极接触层(02)和n型GaN层(08)的内部接触，形成欧姆接触；所述n电极接触层(02)与导电衬底(01)连接，形成电导通；所述p电极(10)与p接触反射镜金属及保护层(04)相连接形成电导通。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，相邻的环形CBL层(05)之间不是连续相接。
4.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，环形CBL层(05)的材质为二氧化硅，所述环形CBL层(05)的厚度为1-50nm；所述环形CBL层(05)的半径大小为相邻两个柱状嵌入式柱状n电极结构间距的1/6-1/3。
5.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述p接触反射镜金属及保护层(04)包括p接触反射镜金属和保护层；所述p接触反射镜金属为Ag层和Ni层交替生长2-5个周期形成的，每个周期中的Ag层厚度为100-800nm，Ni层厚度为10-50nm；所述保护层为TiW层，所述保护层的厚度为50-200nm。
6.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述导电衬底(01)为Si衬底，厚度为100-500μm；所述第一绝缘层(03)和第二绝缘层(09)均为SiO2绝缘层，厚度均为100-3000nm。
7.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述n电极接触层(02)为Ti电极层、Cr电极层、Ag电极层、Au电极层和Pt电极层中的一种或两种以上组成的复合电极层；所述n电极接触层(02)的厚度为2-4μm。
8.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述p电极(10)为Cr电极、Pt电极和Au电极中的一种电极或者两种以上组成的复合电极；所述p电极(10)的厚度为2-4um。
9.一种制备权利要求1-8任一项所述的LED芯片的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取外延衬底，在所述外延衬底上依次生长缓冲层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层和p型GaN层在p型GaN层上进行光刻，光刻图形为环形CBL层，并制备环形CBL结构；再制备p接触反射镜金属和保护层，得LED外延片；
(2)在步骤(1)所述LED外延片上制备出通孔结构；所述通孔结构依次径向贯穿p接触反射镜金属及保护层、CBL层、p型GaN层及InGaN/GaN多量子阱发光层，所述通孔结构延伸至n型GaN层底部；得到嵌入式柱状N电极通道；
(3)在p接触反射镜金属及保护层的上表面以及通孔结构的内壁上生长第一绝缘层，所述内壁不包括通孔结构底面；
(4)在通孔结构内沉积嵌入式柱状N电极，嵌入式柱状N电极穿出第一绝缘层的上表面，形成n电极接触层；
(5)在n电极接触层上生长键合金属层，再将键合金属层与导电衬底键合，剥离外延衬底和缓冲层，暴露出n型GaN层，得LED芯片半成品；
(6)上下180°翻转步骤(5)所述LED芯片半成品，然后在n型GaN层制备第二绝缘层，在第二绝缘层上设置凹槽状结构，凹槽状结构径向贯穿第二绝缘层、n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层、p型GaN层；第二绝缘层延伸覆盖凹槽状结构的内壁，所述内壁不包括凹槽状结构的底面；
(7)在凹槽状结构内生长p电极，p电极在凹槽状结构内高出第二绝缘层的上表面，得到LED芯片。
10.根据权利要求9所述的LED芯片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，可以采用光刻和ICP刻蚀制备出通孔结构；步骤(3)中，可以在通孔结构内先生长一层第一绝缘层，然后再利用酸腐方法暴露出通孔结构底面的缓冲层；步骤(5)中，外延衬底的玻璃采用机械研磨加化学腐蚀的方法，缓冲层的剥离采用ICP干法刻蚀。
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