CN112002789A - 一种大功率发光芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率发光芯片及其制作方法，属于半导体光电子技术领域。所述大功率发光芯片依次包括外延片、第一电流扩展层、反射层、第二电流扩展层、阻挡层、钝化层、金属层以及电极；所述电极包括P电极和N电极，电流从高浓度向低浓度方向进行第一次扩展，所述第二电流扩展层经过图形化处理，结合第一电流扩展层的第二次电流扩展，能使电流从P电极（电流高浓度）完全扩展至离P电极较远的边缘发光区（电流低浓度），从而电流能在发光区均匀分布，提高大功率芯片可靠性，电流扩展就能更加均匀，同时还可以减薄第一电流扩展层的厚度，以提高光效。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子领域，更具体地，涉及一种大功率发光芯片及其制作方法。
背景技术
LED行业主流的芯片结构常见的有正装、倒装、垂直三类，其中倒装、垂直因相较于正装产品的高性能而受到更多的关注。
垂直结构的LED芯片剥离衬底，进一步提高散热及发光效率，倒装结构可以将PN结的热量直接通过金导电层或金属凸点导给热导系数比蓝宝石高3～5倍的硅衬底，散热效果优；两种结构均可以应用在大电流使用。
而电流在传导注入过程中会遵循最小距离原则，优先注入到靠近P电极位置及N孔附近，传统芯片表面会使用在外延片的P-GaN层上沉积电流扩展层的方法达到电流的横向扩展，但是在大功率发光芯片中，芯片面积更大导致电流无法扩展至远离P电极的边缘发光区，从而导致芯片的光提取效率降低，在大电流下使用产生电流拥挤效应降低芯片可靠性，通常的改善方法是加厚电流扩展层的厚度，来提高电流扩展，但是，由于厚度增加会降低电流扩展层的光透过率，因此会导致部分亮度损失。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种大功率发光芯片及其制作方法，其目的在于优化现有技术中大功率发光芯片内部电流的扩散传导同时提高芯片的光提取效率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种大功率发光芯片，依次包括外延片、第一电流扩展层、反射层、第二电流扩展层、阻挡层、钝化层、金属层以及电极；所述电极包括P电极和N电极，所述第二电流扩展层经过图形化处理，以将位于所述P电极周围
范围内的区域和位于所述P电极
范围外的区域连续覆盖，其中，
，
，R表示P电极与芯片边缘的最远距离。
现有技术中，为增加电流扩展通常会增加第一电流扩展层的厚度，但是，由于第一电流扩展层位于外延片与反射层之间，过厚会吸光，导致光提取效率降低。本发明在反射层远离外延片的一侧设置图形化的第二电流扩展层，与现有技术相比，无需增大第一电流扩展层的厚度，电流扩展就能更加均匀，同时还可以减薄第一电流扩展层的厚度，以提高光效。
本发明还提供了一种大功率发光芯片的制作方法，包括以下步骤：
S1，制作外延片；
S2，在所述外延片表面利用磁控溅射或反应等离子沉积工艺形成第一电流扩展层；
S3，在所述第一电流扩展层上方沉积反射层；
S4，在所述反射层上方沉积第二电流扩展层，在所述第二电流扩展层内通过干法刻蚀进行图形化处理；
S5，在所述第二电流扩展层上沉积阻挡层；
S6，在所述阻挡层上沉积钝化层；
S7，在所述钝化层上蒸镀金属层，然后分别制作N电极与P电极。
通过上述技术方案，可以制备出前述的一种大功率发光芯片，实现高光效、高电流扩展的效果。
附图说明
图1是一种大功率发光芯片的剖面结构示意图；
图2是N孔附近区域的俯视图；
图3是N孔附近区域的侧视图；
图4是大功率发光芯片中的电流浓度分布情况示意图；
图5是第二电流扩展层的一种图形化示意图；
图6是第二电流扩展层的另一种图形化示意图。
图中，1、外延片；21、N-GaN层；22、有源层；23、P-GaN层；24、N孔；3、第一电流扩展层；31、小孔；4、反射层；5、第二电流扩展层；6、阻挡层；7、钝化层；81、P电极；82、N电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提出一种大功率发光芯片，从下至上依次包括外延片1、第一电流扩展层3、反射层4、第二电流扩展层5、阻挡层6、钝化层7、金属层（未示出）以及电极。其中，外延片1从下至上依次包括生长衬底、缓冲层、发光结构，发光结构从下至上依次包括N-GaN层21、有源层22、P-GaN层23，生长衬底可以为蓝宝石、GaN、硅或碳化硅。电极包括有N电极82和P电极81。
第一电流扩展层3位于P-GaN层23上方作为欧姆接触，P-GaN层23和有源层22内刻蚀有N孔24，用于暴露N-GaN层21，深度根据不同的外延片1生长厚度决定，一般在1~1.5μm，N孔24的个数与N电极82的数量相同。因此，在第一电流扩展层3对应于N孔24的位置处，开设有以N孔24为圆心，孔径大于N孔24孔径的孔。从而使得位于最上层的N电极82可以进入到N孔24中，与暴露的N-GaN层21接触导通。
反射层4位于第一电流扩展层3的上方，厚度为1000~2000Å，因此，在对应于N孔24的位置处，反射层4内同样也设有以N孔24的孔心为中心，孔径大于或等于N孔24孔径的孔，反射层4的材料可以是Ag/Al/Ag合金。
第一电流扩展层3的主要成分为氧化铟锡，是半导体透明导电膜，因此，常规技术中，其位于发光结构与反射层4之间，如果过薄会影响电流的扩展，过厚则会影响透光，其厚度通常优选为600~1200Å。
进一步地，第一电流扩展层3中围绕在N孔24的地方开设有一圈或多圈小孔31，其俯视效果如图2所示，剖面效果如图3所示。小孔31的开设可以减缓N孔24附近电流的拥挤，远离N孔24的区域电流会更多，因此，可以使得第一电流扩展层3内的电流更加均匀。
进一步的，本申请中的第二电流扩展层5位于反射层4上方，其尺寸较反射层4小2μm，可以是ITO、ZnO、GaO、AZO、ATO、IZO、GZO或GTO中的一种。本申请中由于第一电流扩展层3和第二电流扩展层5均能实现电流的扩展功能，并且均是具有低电阻率和高光穿透率的特性。由于在反射层4的上方还有第二电流扩展层5，提高了电流的扩展效果，使得第一电流扩展层3的厚度可以比常规技术中更薄，厚度可以降低至200Å，比前述的常规厚度成倍降低，从而可以使透光率增加，进一步提升了整个芯片的亮度，也就是说，本申请中的第一电流扩展层3的厚度可以优选为200~400Å。由于发光结构位于反射层4的下方，来自发光结构的光子在反射层4的下表面就已经进行了反射，实现了出光目的，因此，位于反射层4上方的第二电流扩展层5的厚度可以适当增厚，达到500~1500Å，且并不会影响器件的出光效果。同样，在第二电流扩展层5中对应于N孔24的位置也开设有同心、孔径更大的孔。
进一步地，在第二电流扩展层5中还可以进行图形化处理，对于图形的形状没有要求，但需要满足以下条件：将位于所述P电极周围
范围内的所述N孔附近的区域和位于所述P电极
范围外的所述N孔附近的区域连续覆盖，其中，
，
，R表示P电极与芯片边缘的最远距离。因为，如图4所述，P电极周围
范围内的区域为电子的高浓度区域，P电极周围
范围外的区域为电子的低浓度区域，位于这两个范围内的区域则为电子的中间浓度区域，将高浓度区域与低浓度区域之间连续地覆盖起来，可以实现将电流从高浓度区域向低浓度区域方向扩展。
并且，通过这种图形化的设置，还可以使得电子从P电极81出发后，部分电子直接通过第二电流扩展层5的上表面进入到图形化的第二电流扩展层5中，部分电子进入无第二电流扩展层5的位置，并通过第二电流扩展层5中图形边缘的侧壁进入到第二电流扩展层5中。由于本申请针对的是大功率发光芯片，因此，与普通的发光芯片相比，面积更大，所以会导致再距离P电极81较远的N孔24附近电子浓度偏低，因此，对大功率发光芯片来说，电流的扩展难度与需求更高。对第二电流扩展层5进行图形化处理的原则是：使电流从高浓度向低浓度方向进行第一次扩展，使电流尽可能地向芯片边缘扩展，结合第一电流扩展层的第二次电流扩展，使电流从P电极81（电流高浓度）完全扩展至离P电极81较远的边缘发光区（电流低浓度），从而电流能在发光区均匀分布。
具体地，如图5所示，在一些实施例中，N孔24为5个，可以将第二电流扩展层5处理成开口朝下的“E”字形，将5个N孔24的区域连通起来，由于距离P电极81最远的一个N孔24电子浓度最低，通过这种图形的第二电流扩展层5，可以将距离P电极81较近区域的电子浓度向较远区域扩展，从而更加均匀。
如图6所示，在另一些实施例中，可以将第二电流扩展层5处理成栅格状，栅格状中的每一格均有四个侧壁，因此，进入到每一格中的电子都可以向四面侧壁中扩散，进入到第二电流扩展层5中，从而可以有效减缓电子直线向N电极82的方向前进，提高电流扩展的效果。
阻挡层6位于第二电流扩展层5的上方，材料为Cr、Ni、Ti、TiW、Pt、Sn或者Au中的一种或几种的组合，厚度为0.51~1.5μm。由于N孔24的孔径小于第一电流扩展层3中对应孔的孔径、反射层4中对应孔的孔径、第二电流扩展层5中对应孔的孔径，因此，阻挡层6在沉积过程中，会将N孔24区域中暴露的第一电流扩展层3、反射层4、第二电流扩展层5的侧壁覆盖起来，同时也会将第一电流扩展层3、反射层4、第二电流扩展层5的外边缘处暴露的侧壁也覆盖起来。
钝化层7在阻挡层6上方，为SiO2、SiON、SiN或SiO2与SiN叠层生长，厚度为5000~8000Å，同样，在对应于N孔24的位置处，钝化层7将N孔24区域中暴露的阻挡层6侧壁、P-GaN层23的侧壁和有源层22的侧壁进行覆盖，起到绝缘作用，最终使得N孔24区域中只有N孔24底壁的N-GaN层21可以暴露出来与N电极82导电。
金属层位于钝化层7的上方，通过蒸镀形成，厚度为1~3μm，材料为Cr、Ni、Ti、TiW、Pt、Sn或者Au中的一种或几种的组合。电极则沉积在金属层的上方，金属层在形成之后可以通过进一步地刻蚀处理，分离成两部分，以分别与N电极82、P电极81导通，也可以在蒸镀的时候就分成两步进行蒸镀，形成两块相互分离的金属层来分别与N电极82、P电极81导通。
本发明还提出一种大功率发光芯片的制作方法，用于制备上述的大功率发光芯片，包括以下步骤：
S1，提供一个生长衬底，可以为蓝宝石、GaN、硅或碳化硅，在生长衬底上依次形成缓冲层和发光结构，发光结构包括依次形成的N-GaN层21、有源层22、P-GaN层23，形成外延片1。
然后对外延片1内的P-GaN层23和有源层22进行刻蚀，刻蚀深度大概为1~1.5μm，形成N孔24，暴露出N-GaN层21。
S2，在S1形成的外延片1的P-GaN层23表面利用磁控溅射或反应等离子沉积工艺沉积第一电流扩展层3，作为欧姆接触，退火后形成P型欧姆接触，第一电流扩展层3的主要成分为氧化铟锡。在对应于S1中N孔24的位置处，还需在第一电流扩展层3内开设出一个与N孔24同心，但大于N孔24孔径的孔。在一些实施例中，可以在第一电流扩展层3位于N孔周侧的地方开设一圈或多圈小孔31，在第一电流扩展层上使用黄光工艺，然后再用ITO刻蚀液腐蚀对应的区域，最后去除光刻胶，完成小孔的刻蚀形成。
S3，在第一电流扩展层3上方沉积反射层4，反射层4内再对应于S1中N孔24的位置处，也需要开设一个与N孔24同心，但大于N孔24孔径的孔。反射层4的金属可以是Ag/Al/Ag合金。
S4，在反射层4上方沉积第二电流扩展层5，厚度为500~1000Å，使用E-Beam或者Sputter工艺来沉积，同样，在对应于N孔24的位置，也会进行开孔。之后，在第二电流扩展层5内通过干法刻蚀进行图形化处理，以使电流扩展更加均匀。
S5，在第二电流扩展层5的上表面沉积阻挡层6，同时，阻挡层6还沉积覆盖了第二电流扩展层5、反射层4以及第一电流扩展层3在边缘处和N孔24处暴露出的侧壁，阻挡层6材料为Cr、Ni、Ti、TiW、Pt、Sn或者Au中的一种或几种的组合，厚度为0.51~1.5μm。
S6，在阻挡层6上表面沉积钝化层7，SiO2或SiON或SiN或SiO2、SiN叠层生长。同时，钝化层7还沉积覆盖了阻挡层6在边缘处和N孔24处暴露出的侧壁。
在步骤S1到S6中，每一层的材料沉积形成后，均会在对应于N孔24的位置进行开孔暴露，所以在步骤S5与S6中则将前面层由于开孔暴露出的侧壁以及边缘处暴露出的侧壁进行包覆，只保留N孔24底部的N-GaN层21的暴露，以供后续步骤中N电极82接触导通用。
S7，在钝化层7上蒸镀金属层，然后分别制作N电极82与P电极81。N电极82与P电极81下方的金属层应当相互分离，避免短路，因此，此步骤中金属层可以分开成两步进行蒸镀；或者也可以直接蒸镀一层，然后通过刻蚀进行分离即可。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大功率发光芯片，其特征在于，依次包括外延片、第一电流扩展层、反射层、第二电流扩展层、阻挡层、钝化层、金属层以及电极；
所述电极包括P电极和N电极，所述第二电流扩展层经过图形化处理，以将位于所述P电
极周围
范围内的区域和位于所述P电极
范围外的区域连续覆盖，其中，
，
，R表示P电极与芯片边缘的最远距离。
2.根据权利要求1所述的大功率发光芯片，其特征在于，所述第一电流扩展层薄于所述第二电流扩展层。
3.根据权利要求2所述的大功率发光芯片，其特征在于，所述第一电流扩展层的厚度为200~400Å，所述第二电流扩展层的厚度为500-1500Å。
4.根据权利要求1所述的大功率发光芯片，其特征在于，所述第一电流扩展层、所述反射层、所述第二电流扩展层的尺寸逐渐减小。
5.根据权利要求1所述的大功率发光芯片，其特征在于，所述第二电流扩展层呈“E”字形。
6.根据权利要求1所述的大功率发光芯片，其特征在于，所述第二电流扩展层呈栅格状。
7.根据权利要求5或6所述的大功率发光芯片，其特征在于，所述外延片内在对应于所述N电极处开设有N孔，以与所述N电极导通，所述第一电流扩展层内于所述N孔周侧开设有一圈或多圈小孔。
8.一种大功率发光芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，制作外延片；
S2，在所述外延片表面利用磁控溅射或反应等离子沉积工艺形成第一电流扩展层；
S3，在所述第一电流扩展层上方沉积反射层；
S4，在所述反射层上方沉积第二电流扩展层，在所述第二电流扩展层内通过干法刻蚀进行图形化处理；
S5，在所述第二电流扩展层上沉积阻挡层；
S6，在所述阻挡层上沉积钝化层；
S7，在所述钝化层上蒸镀金属层，然后分别制作N电极与P电极。
9.根据权利要求8所述的大功率发光芯片的制作方法，其特征在于，S1中还包括在所述外延片内对应于所述N电极的地方开设N孔，以暴露出外延片内的N-GaN层、与所述N电极导通。
10.根据权利要求9所述的大功率发光芯片的制作方法，其特征在于，S4中，在所述第一电流扩展层内对应于所述N孔的位置开设有一圈或多圈小孔。
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