CN112909137B - 一种用于可见光通信的led芯片结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于可见光通信的LED芯片结构，通过电极线密布排列将常规尺寸的LED芯片分隔成若干个小尺寸的子区域，缩短电流注入路径距离，使电流分布更加均匀，从而提高耐受电流密度，在保证较高光输出功率的同时实现器件的快速调制。并且整个制造流程建立在相对成熟的常规尺寸LED芯片工艺基础上，具有器件调制能力优异、电极线密布排列、多焊盘、制造方法简单、光通量大、工艺成本低等优点，有利于光通信LED芯片的规模化制作，在照明与通信一体化的可见光通信领域具有广泛的应用前景。

Description

一种用于可见光通信的LED芯片结构

技术领域

本发明涉及LED领域，尤其是涉及一种用于可见光通信的LED芯片结构。

背景技术

21世纪进入了全球信息化时代，指数型增长的流量需求对当前通信系统的数据传输能力与信息处理技术提出了新的考验，亟需引入更高频谱效率的无线通信技术来支持高速率、低延迟和大规模联接的服务。可见光通信作为一种利用发射光源高速点灭的响应特性实现高速信息传输的绿色通信技术，符合高速、大容量、安全可靠的发展方向，正成为学术界和工业界的研究热点。

通常，可见光通信系统的设计要兼顾照明和通信性能，白光发光二极管（LED）作为现有的照明设施，具有高频、高温、高压、高效等特性，是理想的可见光通信光源。调制带宽作为通信性能的重要评价指标，它描述了器件承载信号的能力。然而受限于荧光粉的响应延时，目前商用型白光LED的调制带宽只有几兆赫兹，远不能满足高速通信的需求，严重制约了可见光通信的发展。

拓宽LED调制带宽是实现可见光通信系统高速通信的关键。常见的手段是将芯片做成小尺寸的Micro-LED，较小的有源区域意味着小电容，且kA/cm²量级的电流高密度注入可将Micro-LED的调制带宽驱动至百兆赫兹以上。但是，单颗Micro-LED的光输出功率低，无法满足照明需求，如若采用Micro-LED阵列，又会增加制造成本和工艺复杂度。目前的Micro-LED制备技术尚不成熟，在转移及衬底去除方面还存在诸多瓶颈，随着LED器件尺寸的减小，因芯片切割导致的侧壁刻蚀损伤逐渐增加，所形成的大量缺陷最终会显著恶化器件的光电性能。因此，迫切需要一种能够代替Micro-LED的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种器件调制能力优异、光输出功率高、制造工艺简单、光通量大、电极线密布排列、多焊盘的用于可见光通信的LED芯片结构。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于可见光通信的LED芯片结构，该LED芯片为垂直结构，自下至上依次包括导电基板层、键合层、p电极、外延层、n电极，其特征在于：所述n电极由电极线及焊盘组成，电极线的密布排列将LED芯片分隔成若干个小尺寸的子区域，其中n电极的面积占LED芯片面积的比例x满足20%≤x≤80%。

所述电极线的线宽为1μm～40μm，电极线的间距w满足10μm≤w≤100μm。

所述焊盘的数目m满足1≤m≤100，焊盘的形状为圆形、方形、三角形、星形、五边形、六边形、菱形等平面几何图形。

所述n电极的形状分布为网格状或圆环状。

所述外延层由下至上依次包括P型掺杂层、发光层、N型掺杂层，外延层为AlGaInN或AlGaInP基材料体系中的一种。

所述n电极为导电性能良好且与N型掺杂层能够形成良好欧姆接触的金属材料，n电极的厚度为1μm～10μm。

所述n电极为Au、Al、Ti、Cr、Cu、Ag、Pt、Ni中的任意一种金属单层或叠层结构。

所述P型掺杂层的底部与p电极形成良好的欧姆接触，P型掺杂层的底部具有互补结构或不具有互补结构。

本发明采用提出一种电极线密布排列、多焊盘的电极结构，将常规尺寸LED芯片分隔成若干个小尺寸的子区域，突破现有光通信LED芯片在照明与通信层面的局限性。新型电极结构的可见光通信LED芯片的电极线的间距窄，能最大程度地缩短电流在外延层中的平均传输距离，从而加快LED光输出对电注入的响应速率，从而提升LED器件的快速调制能力。与此同时，密布排列的电极线保证了LED芯片电流扩展的均匀，有望实现更高的耐受电流密度。其中，LED器件的调制带宽与注入的电流密度之间存在正比例关系，高的耐受电流密度有利于载流子的快速复合，进而获得更高的调制带宽。器件调制带宽的拓宽则意味更高的通信潜力。尽管电极线数量多会牺牲一部分出光效率，但与单颗Micro-LED芯片相比，发光光通量依然有明显优势。并且整个制造流程建立在相对成熟的常规尺寸LED芯片工艺基础上，相比于Micro-LED阵列具有制造方法简单、工艺成本低等优点，适用于光通信LED芯片的规模化制作。

本发明所提出的以上技术方案与现有技术相比，优点是：

它将LED芯片分隔成若干个小尺寸的子区域，既具有Micro-LED方案中短电流注入路径和高耐受电流密度的特点，保证了较高的光输出功率，又具有制造工艺简单、节约成本、光通量大等优势，在照明与通信一体化的可见光通信领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为N面为出光面的GaN基LED芯片结构示意图；

图2为一种n电极为网格状的GaN基LED芯片俯视图；

图3为第一种n电极为圆环状的GaN基LED芯片俯视图；

图4为第二种n电极为圆环状的GaN基LED芯片俯视图；

图5为一种具有互补结构的GaN基LED芯片示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，以N面作为出光面的GaN基垂直结构LED芯片为实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示为本发明所述实施例N面为出光面的GaN基LED芯片结构示意图。芯片从下至上依次包括：导电基板11、键合金属层12、p电极13、外延层20、n电极17。

该LED芯片结构与常规LED芯片结构的区别主要体现在n电极17，n电极由电极线30及焊盘50组成，密布排列的电极线30将LED芯片分隔成若干个小尺寸的子区域40。所述n电极17为导电性能良好且与N型掺杂层16能够形成良好欧姆接触的金属材料，Au、Al、Ti、Cr、Cu、Ag、Ni等，厚度为1 μm～10 μm。优选地，本实施例中n电极17的材料为Cr/Pt/Au，厚度为0.1 μm～2 μm。

图2为本发明的一种n电极为网格状的GaN基LED芯片俯视图。所述n电极17包括电极线30和焊盘50，横向电极线302与纵向电极线301密布排列，将LED芯片分隔成81个9×9排列的网格状子区域40，焊盘50交错分布在电极线30的交汇点上。所述电极线30的线宽为10μm，电极线的间距w为90 μm。所述焊盘50的数目为12，形状为直径80 μm的圆形。

图3为本发明的第一种n电极为圆环状的GaN基LED芯片俯视图。所述电极线30包括圆环电极线301和线条电极线302，电极线30的线宽为10 μm。焊盘50的数目为5，形状为宽度100 μm的六边形，分别位于芯片中心及四个顶角区域。焊盘50通过线条电极线302与圆环电极线301连接。圆环电极线301的数目为7，圆环电极线301的间距w为50 μm，以芯片中心为圆心向外扩展，其中最靠近LED芯片中心的焊盘50的起始圆环电极线301的直径为200 μm。圆环电极线301与线条电极线302将LED芯片分隔成众多四分之一圆环的子区域40。

图4为本发明的第二种n电极为圆环状的GaN基LED芯片俯视图。所述电极线30包括5条圆环电极线301和16条线条电极线302，电极线30的线宽为10 μm。焊盘50的数目为5，形状为宽度100 μm的正方形，分别位于芯片中心及四个顶角区域。焊盘50通过线条电极线302与圆环电极线301连接。圆环电极线301的间距w为100 μm，以芯片中心为圆心向外扩展，其中最靠近LED芯片中心的焊盘50的起始圆环电极线301的直径为280μm。圆环电极线301与线条电极线302LED将芯片分隔成众多十六分之一圆环的子区域40。

所述外延层20包括P型掺杂层14、发光层15、N型掺杂层16。其中N型掺杂层16为LED芯片的出光面，对N型掺杂层16进行表面处理工艺获得粗化结构，可以提高LED器件的出光效率。

所述p电极13与P型掺杂层14的底部形成较低的欧姆接触电阻，且具有高反射率，p电极13可以为Ag、Al、Pt、Rh、Ni/Ag、Ag/Ni/Ag、Ni/Al或Ni/Ag/Ni/Ag中的任意一种金属单层或叠层结构，厚度为1 nm～1000 nm。优选地，本实施例中p电极13的材料为 Ag，厚度为0.1μm～0.5 μm。

需要说明的是，图1中的P型掺杂层14的底部不具有互补结构，P型掺杂层14的底部还可以具有互补结构，并不局限于图1所示。图5为一种具有互补结构的GaN基垂直结构LED芯片示意图，P型掺杂层14的底部具有互补结构10，互补结构10对应区域为n电极17投影下方的外延层20。具体实施方式为采用等离子体对P型掺杂层14表面刻蚀处理，增加P型掺杂层14与p电极13之间的欧姆接触电阻。互补结构10减少了n电极17投影正下方区域的电流注入，从而使得LED器件在工作状态下，减少了n电极17的投影正下方区域发光强度。互补结构10为图形化结构层，其形状与n电极的形状相同。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用于可见光通信的LED芯片结构，该LED芯片为垂直结构，自下至上依次包括导电基板层、键合层、p电极、外延层、n电极，其特征在于：所述n电极由电极线及焊盘组成，电极线的密布排列将LED芯片分隔成若干个小尺寸的子区域，所述n电极的形状分布为网格状或圆环状，其中n电极的面积占LED芯片面积的比例x满足20%≤x≤80%。

2.根据权利要求1所述的用于可见光通信的LED芯片结构，其特征在于：所述电极线的线宽为1μm～40μm，电极线的间距w满足10μm≤w≤100μm。

3.根据权利要求1所述的用于可见光通信的LED芯片结构，其特征在于：所述焊盘的数目m满足1≤m≤100，焊盘的形状为圆形、方形、三角形、星形、五边形、六边形或菱形。

4.根据权利要求1所述的用于可见光通信的LED芯片结构，其特征在于：P型掺杂层、发光层、N型掺杂层构成的外延层为AlGaInN或AlGaInP基材料体系中的一种。

5.根据权利要求4所述的用于可见光通信的LED芯片结构，其特征在于：所述n电极为导电性能良好且与N型掺杂层能够形成良好欧姆接触的金属材料，n电极厚度为1μm～10μm。

6.根据权利要求5所述的用于可见光通信的LED芯片结构，其特征在于：所述n电极为Au、Al、Ti、Cr、Cu、Ag、Pt、Ni中的任意一种金属单层或叠层结构。

7.根据权利要求4所述的用于可见光通信的LED芯片结构，其特征在于：所述P型掺杂层的底部与p电极形成良好的欧姆接触，P型掺杂层的底部具有互补结构或不具有互补结构。

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