CN113690348B - 一种用于可见光通信的led器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于可见光通信的LED器件，包括衬底、若干个并联的并设置在所述衬底的芯粒、以及设置在若干个芯粒顶部的P电极，所述芯粒在所述衬底自下而上依次生长有非掺杂的GaN缓冲层、N‑GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p‑AlGaN电子阻挡层和P‑GaN层；所述P电极设置在每个芯粒的P‑GaN层的上层；N电极环形设置在所述N‑GaN层的外侧面，若干个芯粒的N电极通过导线连接，所述导线还连接有焊点。本发明的LED器件通过若干个LED芯粒并联而成，可以有效地提升LED器件的光输出功率。另外，通过ICP刻蚀的方式得到N‑GaN层后，在N‑GaN层外侧面环绕设置N电极，提升电流的扩展速率的同时，还能使电流在LED芯片中的分布更加均匀。

Description

一种用于可见光通信的LED器件
技术领域
本发明涉及照明和通信技术领域，具体涉及一种用于可见光通信的LED器件。
背景技术
GaN基LED是目前主流的商用照明光源，其内量子效率已接近100％，出光效率接近80％，但是其调制带宽仅3-50MHz，远远不能满足可见光通信光源的要求，提升LED本身的带宽将使可见光通信系统获得质的飞跃。
传统的可见光通信LED芯片的带宽不够高，所以通过减少发光面积，增加电流密度的方式可以提升LED的带宽。但是相应地，LED带宽提高的同时，由于发光面积降低，LED的照明功能有所损耗，仅仅是几十mW的级别。所以光效和照明就成了一个相互矛盾的关系，满足光效的同时，带宽难以满足；满足带宽的同时，光效又难以满足。而采用阵列的LED结构，增加小尺寸LED并联的个数，在满足光效地同时，可以有效地提升LED的带宽。
传统的LED芯片电极结构对电流的扩展性没那么好，可以通过对LED电极材料和结构的设计，使LED的电流扩展得更均匀，使得载流子更加均匀得在有源区复合，提高辐射符合率，增加器件的响应频率。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于可见光通信的LED器件，采用若干个并联的Micro-LED芯粒，提升LED器件的发光功率，光效提升的同时，提升LED的电流扩展均匀性，同时提升LED的带宽。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种用于可见光通信的LED器件，包括衬底、若干个并联的并设置在所述衬底的芯粒、以及设置在若干个芯粒顶部的P电极，所述芯粒在所述衬底利用MOCVD技术自下而上依次生长有非掺杂的GaN缓冲层、N-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p-AlGaN电子阻挡层、P-GaN层；P电极设置在每个芯粒的P-GaN层的上层；N电极环形设置在所述N-GaN层的外侧面，若干个芯粒的N电极通过导线连接，所述导线还连接有焊点。每个并联的芯粒之间共用同一衬底和P电极。
进一步，所述N电极的材料为Ti、Al、Ni或Au中的一种或两种以上，可以有效地提升LED器件的欧姆接触特性。
再进一步，所述若干个芯粒的N电极所用材料均相同。
进一步，所述P电极为石墨烯材料。
再进一步，所述用于可见光通信的LED器件还包括连接桥和保护层，所述连接桥设置于并联的芯粒的N-GaN层之间并与两个芯粒的N电极连接，导线设置在连接桥的上层并互连，导线的上层设有保护层；连接桥和保护层的材质均为SiO2。
进一步，所述连接桥和保护层的制备方法为：刻蚀出mesa台面，得到N-GaN层后，在N-GaN层的上层沉积SiO2层，然后在SiO2层的上层光刻连接桥，在连接桥的上层蒸镀金属，并光刻出导线、N电极和焊点，在导线的上层沉积SiO2层，得到保护层。所述金属为Ti、Al、Ni或Au中的一种或两种以上。
再进一步，所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅或氮化镓中的一种。
进一步，所述芯粒的数量为3N个，N≥1且N为整数。
再进一步，所述衬底的长度为5～20cm。
进一步，所述芯粒的直径为10～200μm。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)因为单个LED芯粒的尺寸较小，发光功率不大，所以本发明的LED器件通过若干个LED芯粒并联而成，可以有效地提升LED器件的光输出功率。另外，通过ICP刻蚀的方式得到N-GaN层后，在N-GaN层外侧面环绕设置N电极，提升电流的扩展速率的同时，还能使电流在LED芯片中的分布更加均匀。
(2)本发明的P电极采用石墨烯材料，同样提升电极与P-GaN层的导电性能，同时石墨烯厚度很薄，具有良好的光透过性，提升了器件的输出功率。P电极设置在P-GaN层的上表面，整面式的石墨烯电极结构，可以有效地提升载流子复合效率，提升了LED的带宽。
(3)本发明的LED器件还设置有连接桥和保护层，SiO2材质的连接桥设置在N-GaN层与导线之间，避免N-GaN层与导线接触，起到绝缘的作用，从而保证电子能有效地从N电极注入器件中；SiO2材质的保护层设置在导线的上方，避免导线与P电极导通而发生短路的情况发生，起到绝缘的作用，从而保证空穴能有效地从P电极注入到器件中。
附图说明
图1为本发明的LED器件的结构示意图；
图2为本发明的LED器件的单个芯粒的结构示意图；
图3为本发明的LED器件的单个芯粒的俯视图；
图4为本发明的LED器件的相邻两个芯粒并联的表面示意图；
图5为本发明的LED器件的相邻两个芯粒并联的截面示意图。
图中：1、衬底；2、导线；3、焊点；4、N电极；5、芯粒；6、P电极；7、非掺杂的GaN缓冲层；8、N-GaN层；9、InGaN/GaN多量子阱层；10、p-AlGaN电子阻挡层；11、P-GaN层；12、连接桥；13、保护层。
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。
如图1所示，本发明提供一种用于可见光通信的LED器件，包括若干个并联并均设置在在同一衬底1的芯粒5。所有芯粒5通过并联的方式集成到一个衬底1上，所有芯粒5共用一个P电极6。优选采用3N(N≥1且为整数)个芯粒5的并列排列方式。其中，所述芯粒5的直径为10～200μm。优选20μm。
如图2所示，利用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)技术在衬底1上生长LED结构，所述芯粒5在同一衬底1自下而上依次生长有非掺杂的GaN缓冲层7、N-GaN层8、InGaN/GaN多量子阱层9、p-AlGaN电子阻挡层10和P-GaN层11。P电极6设置在每个芯粒的P-GaN层的上面；其中，所述衬底1的材料为蓝宝石、硅、碳化硅或氮化镓中的一种，也可以是上述其一的外延衬底1。由于所述衬底1的长度为5～20cm。
如图3所示，用ICP刻蚀得到N-GaN层8，N电极4环形设置在所述N-GaN层8的外侧面，使电流在LED芯片中的分布更加均匀。若干个芯粒5上的N电极4通过导线2连接，导线2连接有焊点3，通过焊点3外接电路，可分成若干支支路，将3N(N≥1且为整数)个芯粒5并联。若干个芯粒5组装完成后，所有的芯粒5共用同一层P电极6和N电极4，从而起到并联的作用。
进一步，所述N电极4的材料为Ti、Al、Ni或Au中的一种或两种以上，可以有效地提升LED器件的欧姆接触特性。所述若干个芯粒5的N电极4所用材料均相同。
进一步，所述P电极6为石墨烯材料。石墨烯的P电极6能提升P电极6与P-GaN层11的导电性能，同时因为石墨烯的厚度薄，具有良好的光透过性，提升了器件的输出功率。P电极6为面结构，与LED芯片的接触面积增大，可以有效地提升载流子复合效率，提升了LED的带宽。
为了更加清晰地表明芯粒5之间地并联方式，如图4～5所示，连接桥12设置并联的芯粒5的N-GaN层8之间并与两个芯粒5的N电极4连接，导线2设置在连接桥12的上层并互连，在导线2的上层设有保护层13；连接桥12和保护层13的材质均为SiO2。其具体的制备方法为：刻蚀出mesa台面，得到N-GaN层8后，用PECVD技术在N-GaN层8的上层沉积SiO2层，然后在SiO2层的上层光刻连接桥12，在连接桥12的上层蒸镀金属，并光刻出导线2、N电极4和焊点3，继续用PECVD技术在导线2的上层沉积SiO2层，得到保护层13。所述金属为Ti、Al、Ni或Au中的一种或两种以上。
最后用PECVD在P-GaN层11的上方沉积一整层石墨烯作为P电极6，P电极6与每个芯粒5的P-GaN层11相连，在外接电路的作用下，向器件中注入空穴。并联组装后，所有芯粒5共用同一层石墨烯P电极6和N电极4，起到并联的作用。SiO2材质的连接桥12设置在N-GaN层8与导线2之间，避免N-GaN层8与导线2接触，起到绝缘的作用，从而保证电子能有效地从N电极4注入器件中；SiO2材质的保护层13设置在导线2的上方，避免导线2与P电极6导通而发生短路的情况发生，起到绝缘的作用，从而保证空穴能有效地从P电极6注入到器件中。
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 (9)

1.一种用于可见光通信的LED器件，其特征在于，包括衬底、若干个并联的并设置在所述衬底的芯粒、以及设置在若干个芯粒顶部的P电极，所述芯粒在所述衬底自下而上依次生长有非掺杂的GaN缓冲层、N-GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、p-AlGaN电子阻挡层和P-GaN层；所述P电极设置在每个芯粒的P-GaN层的上层；N电极环形设置在所述N-GaN层的外侧面，若干个芯粒的N电极通过导线连接，所述导线还连接有焊点；还包括连接桥和保护层，所述P电极为石墨烯材料；所述连接桥设置于并联的芯粒的N-GaN层之间并与两个芯粒的N电极连接，导线设置在连接桥的上层并互连，导线的上层设有保护层。
2.如权利要求1所述的用于可见光通信的LED器件，其特征在于，所述N电极的材料为Ti、Al、Ni或Au中的一种或两种以上。
3.如权利要求1或2所述的用于可见光通信的LED器件，其特征在于，所述若干个芯粒的N电极所用材料均相同。
4.如权利要求1所述的用于可见光通信的LED器件，其特征在于，所述连接桥和保护层的材质均为SiO2。
5.如权利要求4所述的用于可见光通信的LED器件，其特征在于，所述连接桥和保护层的制备方法为：刻蚀出mesa台面，得到N-GaN层后，在N-GaN层的上层沉积SiO2层，然后在SiO2层的上层光刻连接桥，在连接桥的上层蒸镀金属，并光刻出导线、N电极和焊点，在导线的上层沉积SiO2层，得到保护层；所述金属为Ti、Al、Ni或Au中的一种或两种以上。
6.如权利要求1所述的用于可见光通信的LED器件，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅或氮化镓中的一种。
7.如权利要求1所述的用于可见光通信的LED器件，其特征在于，所述芯粒的数量为3N个，N≥1且N为整数。
8.如权利要求1所述的用于可见光通信的LED器件，其特征在于，所述衬底的长度为5～20cm。
9.如权利要求1所述的用于可见光通信的LED器件，其特征在于，所述芯粒的直径为10～200μm。
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