CN112117358A - 单芯片大功率led芯片结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单芯片大功率LED芯片结构，包括晶圆级衬底以及由生长于所述晶圆级衬底上的外延层加工形成的多个功能元胞，其中每一功能元胞上还设置有相配合的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配制为叉指结构，所述第二电极用于输入电流，所述第一电极用于输出电流，所述第一电极的宽度沿电流传输方向增大，而所述第二电极的宽度沿电流传输方向减小。本发明提供的单芯片大功率LED芯片结构，芯片采用的插指在电流汇集处进行加强设计，以使插指每处扩展出来的电流密度均相等，进而可以平衡芯片工作电流分布，提高芯片性能以及可靠性。

Description

单芯片大功率LED芯片结构
技术领域
本发明涉及一种大功率LED芯片，特别涉及一种单芯片大功率LED芯片结构，属于半导体技术领域。
背景技术
目前市面上的LED芯片由于工艺切割，图形分布等原因设计多采用的插指设计方法或由于芯片尺寸极小采用打线Pad作为电极设计的方式，在进行插指的设计时，由于考虑到电流分布的平衡，使用的单插指和多插指的设计上均使用插指宽度不变，变化插指的走线方式来实现，从而形成了直线型的插指、弧线形的插指以及指尖分叉型的插指等等结构。
尽管这些设计对于功率较小的芯片来说已经足够了，但是对于单芯片功率较大的芯片，在应用环境要求插指数量的条件下，插指的电流以及对应出来发光光场的分布会在某些区域受到一定的抑制以及限制。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种单芯片大功率LED芯片结构，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种单芯片大功率LED芯片结构，其包括晶圆级衬底以及由生长于所述晶圆级衬底上的外延层加工形成的多个功能元胞，其中每一功能元胞上还设置有相配合的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配制为叉指结构，所述第二电极用于输入电流，所述第一电极用于输出电流，所述第一电极的宽度沿电流传输方向增大，而所述第二电极的宽度沿电流传输方向减小。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供的一种单芯片大功率LED芯片结构，芯片采用的电极在电流汇集处(电极根部)进行加强(加粗)设计，以使电极每处扩展出来的电流密度均相等，进而可以平衡芯片工作电流分布，提高芯片性能以及可靠性。
2)本发明实施例提供的一种单芯片大功率LED芯片结构，所采用的电极的末端(即指尖处)宽度变窄，从而可以减少金属分布占比，进一步提高芯片性能。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例中一种单芯片大功率LED芯片结构中单个功能元胞的结构示意图；
图2是本发明一典型实施案例中一种单芯片大功率LED芯片结构中单个功能元胞中电流扩展的结构示意图；
图3是本发明一典型实施案例中一种单芯片大功率LED芯片结构的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种单芯片大功率LED芯片结构，其包括晶圆级衬底以及由生长于所述晶圆级衬底上的外延层加工形成的多个功能元胞，其中每一功能元胞上还设置有相配合的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配制为叉指结构，所述第二电极用于输入电流，所述第一电极用于输出电流，所述第一电极的宽度沿电流传输方向增大，而所述第二电极的宽度沿电流传输方向减小。
进一步的，所述第一电极具有分别位于两端的第一根部和第一指尖，所述第一根部作为电流的输出端；所述第二电极具有分别位于两端的第二根部和第二指尖，所述第二根部作为电流的输入端，其中，所述第一根部处的宽度大于所述第一电极其他位置处的宽度，所述第二根部处的宽度大于所述第二电极其他位置处的宽度。
进一步的，所述第一电极的宽度自所述第一根部处向第一指尖处逐渐变窄，所述第二电极的宽度自所述第二根部处向第二指尖处逐渐变窄。
进一步的，所述第一电极和第二电极的宽度沿电流传输的方向连续变化或分段式变化。
进一步的，所述第一电极第一根部或第二电极第二根部的设计宽度Wo＝(Ic/n)/(ρ×t)，其中，Ic为功能元胞的偏置电流的设计值，n为第一电极或第二电极的数量，ρ为用于制作第一电极或第二电极的金属膜的电迁徙电阻率，t为用于制作第一电极或第二电极的金属膜的厚度；
所述第一电极第一指尖或第二电极第二指尖的宽度WL＝(IL/Io)×Wo，或者，WL＝Wa，其中，IL是第一指尖或第二指尖处的电流，Io是第一根部或第二根部的电流，Wa为电极加工工艺所能达到的最小宽度值。
进一步的，每一功能元胞上设置有相配合的至少一个第一电极和至少两个第二电极，所述至少一个第一电极分布在所述至少两个第二电极之间，或者，所述每一功能元胞上设置有相配合的至少两个第一电极和至少一个第二电极，所述至少一个第二电极分布在所述至少两个第一电极之间；当然，可以理解为，设定数量的第一电极和设定数量的第二电极组成一对插指电极，每一功能元胞上可以设置有一对或多对插指电极(一定数量的第一电极和第一定数量的第二电极配制形成插指结构，因此，相互配合的一定数量的第一电极和一定数量的第二电极的组合可以称之为插指电极，下同)，每一对插指电极中第一电极的数量比第二电极的数量多一根，当然，也可以是第二电极比第一电极多一根。
进一步的，所述第一电极与所述第二电极并行设置，且所述至少两个第二电极与第一电极之间的距离相等。
进一步的，由所述第二电极各个位置处扩展至第一电极对应位置处的电流密度均相等。
进一步的，所述第一电极为N型电极，所述第二电极为P型电极。
进一步的，所述多个功能元胞之间通过串联和/或并联的方式形成多个元胞组，每个元胞组包括至少一个功能元胞。
如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
请参阅图1-图3，一种单芯片大功率LED芯片结构，其包括晶圆级衬底以及由生长于所述晶圆级衬底上的外延层加工形成的多个功能元胞100，其中每一功能元胞100上还设置有相配合的一个第一电极110和两个第二电极120，所述第一电极110和第二电极120被配制为叉指结构，所述第二电极120用于输入电流，所述第一电极110用于输出电流，所述第一电极110的宽度沿电流传输方向增大，而所述第二电极120的宽度沿电流传输方向减小。
具体的，请再次参阅图2，所述第一电极110并行设置在所述至少两个第二电极120之间，且两个第二电极120与第一电极110之间的距离相等，以及，由所述第二电极120各个位置处扩展至第一电极110对应位置处的电流密度均相等。
具体的，所述第一电极110具有分别位于两端的第一根部111和第一指尖112，所述第一根部111作为电流汇聚并输出的输出端；所述第二电极120具有分别位于两端的第二根部121和第二指尖122，所述第二根部121作为电流扩展的输入端，其中，所述第一根部111处的宽度大于所述第一电极110其他位置处的宽度，所述第二根部处121的宽度大于所述第二电极120其他位置处的宽度，而所述第一指尖112处的宽度小于所述第一电极110其他位置处的宽度，所述第二指尖122的宽度小于所述第二电极120其他位置处的宽度。
可以理解为，所述第一电极110的宽度自所述第一根部111处向第一指尖112处逐渐变窄，所述第二电极120的宽度自所述第二根部121处向第二指尖122处逐渐变窄，所述第一电极和第二电极的宽度变化可以是连续变化，也可以是分段式变化。
进一步的，所述第一电极第一根部111或第二电极第二根部121的设计宽度Wo＝(Ic/n)/(ρ×t)，其中，Ic为元胞的偏置电流的设计值，n为第一电极110或第二电极120的数量，ρ为用于制作第一电极110或第二电极120的金属膜的电迁徙电阻率，t为用于制作第一电极110或第二电极120的金属膜的厚度；
所述第一电极第一指尖112或第二电极第二指尖122的宽度WL＝(IL/Io)×Wo，或者，WL＝Wa，其中，IL是第一指尖112或第二指尖122处的电流，Io是第一根部111或第二根部121的电流，Wa为电极加工工艺所能达到的最小宽度值。
具体的，所述第一电极110可以为N型电极，所述第二电极120可以为P型电极，需要说明的是，附图中仅示出了一个功能元胞设置一对叉指电极的示例，每一对叉指电极包括一个第一电极和两个第二电极；当然，每一功能元胞还可以设置多对叉指电极，每一对叉指电极中，第一电极的数量可以多于第二电极数量，也可以少于第二电极的数量，当然，第一电极的数量可以与第二电极的数量相同，但要是第一电极和第二电极依次间隔设置，即，当第一电极的数量与第二电极数量不同时，所述第一电极的数量与第二电极的数量差值为1。
具体的，请参阅图3，所述多个功能元胞100之间通过串联和/或并联的方式形成多个元胞组，每个元胞组包括至少一个功能元胞，其中每个功能元胞均为独立的功能单元。
具体的，电极的根部作为电极电流扩展以及芯片电流扩展聚集之处，输入以及输出元胞/芯片的电流都将从根部处扩展开或者聚齐到一起，因此对于电极根部处的抗电流能力比电极的其他位置提出了更高的要求。
具体的，基于芯片电流扩展路径的特性，本发明对芯片的金属电极的宽度进行了优化设计，减小了芯片的金属占比，从而增加了有源区出光的面积，最终在保证可靠性的前提下，提高了芯片的性能。
当然，本发明所提供的芯片的插指电极中相邻两个电极之间的间距等可以采用现有的常规参数，这样使器件在保证正常工作的前提下，同时达到使芯片内部扩展电流更加均衡的效果，其最终的结果是使芯片整片工作电流更加均衡。
具体的，本发明主要是通过调节电极的宽度，使电极各处扩散的电流密度一致，从而使芯片或器件工作的有源区的各位置上的电流密度一致。
具体的，假设电极(该电极可以是第一电极和第二电极，下同，可以以其中的第一电极和第二电极中的一者为例获得指尖处的宽度，并可以由此获得另一者指尖处的宽度)根部处的设计电流为Io，电极指尖处的电流为IL，用于制作电极的金属膜的电迁徙电阻率为ρ，用于制作电极的金属膜的厚度为t，电极长度为L，电极宽度为W，功能元胞的偏置电流的设计值为Ic，每一功能元胞或同一插指结构或插指电极中第一电极或第二电极的数量为n，采用如下过程获得第一电极根部或指尖处的宽度时，所采用的n值对应为第一电极或第二电极的数量。
根据实际情况，电极指尖处的宽度最小，电极指尖处的宽度值可以为现有工艺所能达到的最小值，因此，假设电极指尖处的宽度为WL。
基于此，可以得到电极根部的电流密度与电极指尖的电流密度以及电极任何部位处的电流密度是一致的，即Jo＝JL＝Jx，Jx为电极根部和指尖之间任意位置的电流密度；
根据电流公式I＝J*S可以得到式1)，
Figure BDA0002694377000000051
式1)中的WO为电极根部处宽度的设计值，Wo＝(Ic/n)/(ρ×t)；
那么由式1)可以得到式2):
WL＝(IL/Io)×Wo 式2)；
IL处的电流往Io处随着电流的聚集变化大小而变化，因此可以得到式3)：
IL＝Jx×X×t＝Jo×L×t 式3)；
其中，X为电极根部和指尖之间任意位置与电极根部之间的距离，以及考虑电极指尖处受到工艺限制的宽度为Wa，那么可以推导出最佳的电极尖端(即指尖处，下同)处的宽度WL＝(IL/Io)×WO，或者，WL＝Wa 式4)。
本发明通过式1)-式4)可以得到电极根部的最佳宽度，但是在设计时考虑降低金属占比等因素，在实际的设计中可以对于电极根部加宽的宽度进行调整，达到最佳的设计效果。
实施例1
以图1-图3中所示出的功能元胞设计为例：
假设Io＝0.56A；制作电极的金属膜的厚度t＝2.5um；通过金属膜对应金属的电迁徙电阻率的计算，我们可以得到电极根部处的宽度Wo＝36.67um；考虑半导体制程的精度和冗余，我们最终取Wo＝40um；
鉴于电极长度与元胞尺寸存在直接的关系，本实施例根据元胞的尺寸设计的需要，设置L的长度为1.85mm；那么可以通过计算获得IL＝Jo×L×t＝Io×L×t/(Wo×t)，从而得到IL＝0.04144A；
进一步的，可以得到WL＝2.96um，但由于受到工厂工艺限制，金属膜宽度最小取值Wa是5um，所以所选取的电极尖端的宽度WL＝5um；
较之常规的元胞或芯片，本发明所提供的元胞或芯片降低了电极的金属占比，例如，为方便计算，本实施例均采用近似的几何图形计算：现有常规的电极设计近似矩形，其宽度为36.67um，电极长度为1.85mm；金属电极的面积为0.0678395mm2；本发明提供的电极近似矩形，上底宽为5um，下底宽为40um，电极长度为1.85mm；金属电极的面积为0.041625mm2。显然，本发明有效降低了插指电极的金属占比，其减小率为38.64％。
本发明实施例提供的一种单芯片大功率LED芯片结构，在单芯片大功率的芯片设计中能够使器件得到更加平衡的电流控制，从而获得更加优良的光学性能以及产品可靠性。
本发明实施例提供的一种单芯片大功率LED芯片结构，芯片采用的电极在电流汇集处(电极根部)进行加强(加粗)设计，以使电极每处扩展出来的电流密度均相等，进而可以平衡芯片工作电流分布，提高芯片性能以及可靠性，最终使器件工作的整体电流更均衡，性能更强。
本发明实施例提供的一种单芯片大功率LED芯片结构，所采用的电极的末端(即指尖处)宽度变窄，从而可以减少金属分布占比，进一步提高芯片性能。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单芯片大功率LED芯片结构，其特征在于包括晶圆级衬底以及由生长于所述晶圆级衬底上的外延层加工形成的多个功能元胞，其中每一功能元胞上还设置有相配合的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配制为叉指结构，所述第二电极用于输入电流，所述第一电极用于输出电流，所述第一电极的宽度沿电流传输方向增大，而所述第二电极的宽度沿电流传输方向减小。
2.根据权利要求1所述单芯片大功率LED芯片结构，其特征在于：所述第一电极具有分别位于两端的第一根部和第一指尖，所述第一根部作为电流的输出端；所述第二电极具有分别位于两端的第二根部和第二指尖，所述第二根部作为电流的输入端，其中，所述第一根部处的宽度大于所述第一电极其他位置处的宽度，所述第二根部处的宽度大于所述第二电极其他位置处的宽度。
3.根据权利要求2所述单芯片大功率LED芯片结构，其特征在于：所述第一电极的宽度自所述第一根部处向第一指尖处逐渐变窄，所述第二电极的宽度自所述第二根部处向第二指尖处逐渐变窄。
4.根据权利要求2或3所述单芯片大功率LED芯片结构，其特征在于：所述第一电极和第二电极的宽度沿电流传输的方向连续变化或分段式变化。
5.根据权利要求4所述单芯片大功率LED芯片结构，其特征在于：
所述第一电极第一根部或第二电极第二根部的设计宽度Wo＝(Ic/n)/(ρ×t)，其中，Ic为功能元胞的偏置电流的设计值，n为第一电极或第二电极的数量，ρ为用于制作第一电极或第二电极的金属膜的电迁徙电阻率，t为用于制作第一电极或第二电极的金属膜的厚度；
所述第一电极第一指尖或第二电极第二指尖的宽度WL＝(IL/Io)×Wo，或者，WL＝Wa，其中，IL是第一指尖或第二指尖处的电流，Io是第一根部或第二根部的电流，Wa为电极加工工艺所能达到的最小宽度值。
6.根据权利要求1所述单芯片大功率LED芯片结构，其特征在于：每一功能元胞上设置有相配合的至少一个第一电极和至少两个第二电极，所述至少一个第一电极分布在所述至少两个第二电极之间，或者，所述每一功能元胞上设置有相配合的至少两个第一电极和至少一个第二电极，所述至少一个第二电极分布在所述至少两个第一电极之间。
7.根据权利要求6所述单芯片大功率LED芯片结构，其特征在于：所述第一电极与所述第二电极并行设置，且所述至少两个第二电极与第一电极之间的距离相等。
8.根据权利要求7所述单芯片大功率LED芯片结构，其特征在于：由所述第二电极各个位置处扩展至第一电极对应位置处的电流密度均相等。
9.根据权利要求1所述单芯片大功率LED芯片结构，其特征在于：所述第一电极为N型电极，所述第二电极为P型电极。
10.根据权利要求1所述单芯片大功率LED芯片结构，其特征在于：所述多个功能元胞之间通过串联和/或并联的方式形成多个元胞组，每个元胞组包括至少一个功能元胞。
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