CN117637973B - 一种led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种LED芯片及其制备方法，该LED芯片在具有n型GaN层、有源层、p型GaN层以及ITO层的GaN外延片上，由ITO层朝衬底方向刻蚀，直至n型GaN层，形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，沟槽用于将外延片分区，沟槽内嵌设有适配的散热块，ITO层和金刚石上依次沉积有金属膜层和散热片，散热块和散热片的材料均为金刚石，具体的，由于沟槽将外延片进行了分区，而金属膜层将各区域的金刚石材料的散热块与顶部散热片连接，起到传导热量的作用，使结构具有良好的散热。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种LED芯片及其制备方法。
背景技术
LED（Light Emitting Diode，发光二极管）在人们日常生活中扮演着极其重要的角色，它具有很多其他照明光源不具备的优势，比如尺寸小、功耗低、亮度高、响应速度快、使用寿命长、环保、可靠性高等优点。由于LED可以同时实现照明和通信，因此，以LED为基础的可见光通信技术应运而生。
可见光通信技术主要依靠LED灯的闪烁来传输信号，当LED上加载一个变化的电压时，LED的发光亮度会随着电压的变化而变化，实现电信号到光信号的转化，然后采用光电探测器将光信号转换成电信号，完成信号的接受。但目前LED仍然存在两个问题，一是LED的发光效率不够高，二是调制带宽很低，这极大影响了可见光通信技术的发展。其中，LED的调制带宽低会极大的影响可见光通信系统的传输速率。当增加LED的注入电流密度时，载流子浓度变大，电子和空穴复合机率增加，载流子复合寿命降低，从而能够提高LED的调制带宽。但是注入电流密度增加会受到LED散热性能的限制，LED电流密度过高会使得芯片内部产生大量热量，若内部热量无法及时扩散出去，则将极大降低LED的使用寿命。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种LED芯片及其制备方法，旨在解决现有技术中，为了提高LED的调制带宽而增加注入电流密度时，内部产生的热量无法及时散出的问题。
根据本发明实施例当中的一种LED芯片，包括外延片，所述外延片包括衬底以及依次沉积于所述衬底上的n型GaN层、有源层及p型GaN层，所述p型GaN层上设有ITO层，其中，由所述ITO层朝所述衬底方向刻蚀，直至所述n型GaN层，形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，所述沟槽用于将外延片分区；
所述沟槽内嵌设有适配的散热块，所述ITO层和所述散热块上依次沉积有金属膜层和散热片，所述散热块和所述散热片的材料均为金刚石；
外延片分区后各区域的宽度为38μm~76μm，所述散热块的宽度为5μm~25μm。
进一步的，沟槽内散热块的底部距离所述衬底2μm~4μm。
进一步的，所述散热片的厚度为150μm~200μm。
进一步的，所述ITO层的厚度为600Å~1100Å。
进一步的，所述金属膜层的材料为Au、Ag、Cu、Al中的一种或任意几种的组合。
进一步的，所述金属膜层的厚度为80nm~120nm。
根据本发明实施例当中的一种LED芯片的制备方法，用于制备上述的LED芯片，所述制备方法包括：
提供一外延片，其中，所述外延片包括衬底以及依次沉积于所述衬底上的n型GaN层、有源层及p型GaN层；
在所述p型GaN层上沉积ITO层；
利用ICP刻蚀技术，对所述ITO层和所述外延片进行刻蚀，刻蚀深度超过所述有源层，直至刻蚀到所述n型GaN层，以形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，所述沟槽用于将外延片分区；
利用CVD技术，在沟槽内沉积金刚石，以形成散热块；
整体沉积一层金属膜层，并在所述金属膜层的预设区域上利用毛细键合的方法贴附一层散热片，所述散热片的材料为金刚石。
进一步的，所述整体沉积一层金属膜层，并在所述金属膜层的预设区域上利用毛细键合的方法贴附一层散热片的步骤之后包括：
对所述金属膜层、所述ITO层和所述外延片进行刻蚀，刻蚀深度超过所述有源层，直至刻蚀到所述n型GaN层；
使用电子束蒸镀技术在裸露的n型GaN层上和金属膜层上蒸镀Cr/Au薄膜，分别形成N电极和P电极，以完成LED芯片制作。
与现有技术相比：本发明提出的LED芯片在具有n型GaN层、有源层、p型GaN层以及ITO层的GaN外延片上，由ITO层朝衬底方向刻蚀，直至n型GaN层，形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，沟槽用于将外延片分区，沟槽内嵌设有适配的散热块，ITO层和金刚石上依次沉积有金属膜层和散热片，散热块和散热片的材料均为金刚石，具体的，由于沟槽将外延片进行了分区，而金属膜层将各区域的金刚石材料的散热块与顶部散热片连接，起到传导热量的作用，使结构具有良好的散热。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种LED芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的沟槽内嵌设有适配的散热块的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的一种LED芯片的制备方法的实现流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参考图1，为本发明实施例提供的一种LED芯片的结构示意图，图2为本发明实施例提供的沟槽内嵌设有适配的散热块的俯视示意图，该LED芯片包括外延片，该外延片包括衬底1以及依次沉积于衬底1上的n型GaN层2、有源层3、p型GaN层4以及ITO层5，其中，衬底1可以为蓝宝石衬底，具体的，由ITO层5朝衬底1方向刻蚀，直至n型GaN层2，形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，该沟槽用于将外延片分区，可以理解的，这些丛横交错的沟槽把LED整体分割成众多小LED区域。需要说明的是，沟槽内嵌设有适配的散热块8，ITO层5和金刚石材料的散热块8上依次沉积有金属膜层6和散热片9，散热块8和散热片9的材料均为金刚石。
该LED芯片还包括分别沉积于金属膜层6和裸露的n型GaN层2上的P电极71和N电极72，通过电子束蒸镀技术蒸镀Cr/Au薄膜得到。
在本发明实施例当中，将外延片分区后各区域的宽度为38μm~76μm，具体的，将外延片分区后各区域的俯视图为正方形，请参阅图2，示例性的，将外延片分区后各区域的宽度为38μm、45μm、50μm、55μm、57μm、60μm、65μm、70μm或76μm等，但不限于此；散热块8的宽度为5μm~25μm，示例性的，散热块8的宽度为5μm、10μm、15μm、20μm或25μm等，但不限于此；沟槽内散热块8的底部距离衬底1表面2μm~4μm，示例性的，沟槽内散热块8的底部距离衬底1 2μm、2.5μm、3μm、3.5μm或4μm等，但不限于此；散热片9的厚度为150μm~200μm，示例性的，散热片9的厚度为150μm、160μm、170μm、180μm、190μm或200μm等，但不限于此；ITO层5的厚度为600Å~1100Å，示例性的，ITO层5的厚度为600Å、700Å、800Å、900Å、1000Å或1100Å等，但不限于此；金属膜层6的材料为Au、Ag、Cu、Al中的一种或任意几种的组合，金属膜层6的厚度为80nm~120nm，示例性的，金属膜层6的厚度为80nm、90nm、100nm、110nm或120nm等，但不限于此。
综上，本发明实施例提出的LED芯片在具有n型GaN层、有源层、p型GaN层以及ITO层的GaN外延片上，由ITO层朝衬底方向刻蚀，直至n型GaN层，形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，沟槽用于将外延片分区，沟槽内嵌设有适配的散热块，ITO层和金刚石上依次沉积有金属膜层和散热片，散热块和散热片的材料均为金刚石，具体的，由于沟槽将外延片进行了分区，而金属膜层将各区域的金刚石材料的散热块与顶部散热片连接，起到传导热量的作用，使结构具有良好的散热。
相应的，参考图3，为本发明实施例提供的一种LED芯片的制备方法的实现流程图，本发明实施例还提供了一种LED芯片的制备方法，其用于制备上述的LED芯片，具体包括以下步骤：
S1、提供一外延片，其中，所述外延片包括衬底以及依次沉积于所述衬底上的n型GaN层、有源层及p型GaN层，在所述p型GaN层上沉积ITO层。
本发明实施例当中的外延片通过常规方法制备，其中，当在蓝宝石衬底上生长得到n型GaN层、有源层以及p型GaN层时，将蓝宝石衬底、n型GaN层、有源层以及p型GaN层组成的外延片在有机溶液清洗，有机溶液包括丙酮、异丙醇、硫酸双氧水混合溶液，然后采用磁控溅射设备在p型GaN层上制备一层ITO层，并进行退火处理，具体的，退火处理的过程中，在氮气和氧气混合环境下，温度为500℃~600℃进行退火处理，控制ITO层的厚度为1000Å~2000Å。
S2、利用ICP刻蚀技术，对所述ITO层和所述外延片进行刻蚀，刻蚀深度超过所述有源层，直至刻蚀到所述n型GaN层，以形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，所述沟槽用于将外延片分区。
具体的，由ITO层朝衬底方向刻蚀，直至n型GaN层，刻蚀形成的凹槽的底部距离蓝宝石衬底2μm~4μm。需要说明的是，以Cl2/BCl3/Ar为刻蚀气体，利用ICP刻蚀技术在ITO层和外延片刻蚀等间距纵向和横向沟槽，沟槽相互垂直，这些沟槽丛横交错把LED分割成众多小LED区域，其中，将外延片分区后各区域的宽度为38μm~76μm。
S3、利用CVD技术，在沟槽内沉积金刚石，以形成散热块。
具体的，采用CVD技术在沟槽内沉积金刚石，所制得的各个结构参数为：散热块的宽度为5μm~25μm；沟槽内散热块的底部距离衬底2μm~4μm。
S4、整体沉积一层金属膜层，并在所述金属膜层的预设区域上利用毛细键合的方法贴附一层散热片，所述散热片的材料为金刚石。
具体的，金属膜层的材料为Au、Ag、Cu、Al中的一种或任意几种的组合，且金属膜层的厚度为80nm~120nm，金属膜层可将所有小LED相连，需要说明的是，金属膜层可作为LED的光反射层对光线进行反射，使光线从蓝宝石衬底辐射出去，同时，它将分区结构中的每一个小LED连接起来，起到电流扩展的作用，使芯片具有很好的导电性，另外，金属膜层连接小LED之间嵌入的金刚石和顶部的金刚石散热片，起到传导热量的作用，使结构具有良好的散热。
S5、对所述金属膜层、所述ITO层和所述外延片进行刻蚀，刻蚀深度超过所述有源层，直至刻蚀到所述n型GaN层。
S6、使用电子束蒸镀技术在裸露的n型GaN层上和金属膜层上蒸镀Cr/Au薄膜，分别形成N电极和P电极，以完成LED芯片制作。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
本实施例提供一种LED芯片，该LED芯片包括外延片，该外延片包括衬底以及依次沉积于衬底上的n型GaN层、有源层、p型GaN层以及ITO层，其中，衬底可以为蓝宝石衬底，具体的，由ITO层朝衬底方向刻蚀，直至n型GaN层，形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，该沟槽用于将外延片分区，可以理解的，这些丛横交错的沟槽把LED整体分割成众多小LED区域。需要说明的是，沟槽内嵌设有适配的散热块，ITO层和金刚石上依次沉积有金属膜层和散热片，散热块和散热片的材料均为金刚石。
该LED芯片还包括分别沉积于金属膜层和裸露的n型GaN层上的P电极和N电极，通过电子束蒸镀技术蒸镀Cr/Au薄膜得到。
在本发明实施例当中，将外延片分区后各区域的宽度为38μm，具体的，将外延片分区后各区域的俯视图为正方形；散热块的宽度为5μm；沟槽内散热块的底部距离衬底3μm；散热片的厚度为200μm；ITO层的厚度为1100Å；金属膜层的材料为Cu，金属膜层的厚度为100nm。
本实施例中LED芯片的制备方法包括以下步骤：
S1、提供一外延片，其中，所述外延片包括衬底以及依次沉积于所述衬底上的n型GaN层、有源层及p型GaN层，在所述p型GaN层上沉积ITO层。
具体的，采用MOCVD在蓝宝石衬底上依次生长厚度为1μm的GaN缓冲层、厚度为4μm的掺Si的n型GaN层、InGaN/GaN(3nm/12nm)有源层以及厚度为120nm的掺Mg的p型GaN层，得到外延片，将外延片依次在丙酮超声5min、异丙醇晃动30s、硫酸双氧水混合溶液（硫酸：双氧水=5：1）90℃浸泡5min，随后采用磁控溅射设备在外延片上面沉积厚度为1100Å的ITO层。
S2、利用ICP刻蚀技术，对所述ITO层和所述外延片进行刻蚀，刻蚀深度超过所述有源层，直至刻蚀到所述n型GaN层，以形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，所述沟槽用于将外延片分区。
具体的，由ITO层朝衬底方向刻蚀，直至n型GaN层，刻蚀形成的凹槽的底部距离蓝宝石衬底3μm。需要说明的是，以Cl2/BCl3/Ar为刻蚀气体，利用ICP刻蚀技术在ITO层和外延片刻蚀等间距纵向和横向沟槽，沟槽相互垂直，这些沟槽丛横交错把LED分割成众多小LED区域，其中，将外延片分区后各区域的宽度为38μm。
S3、利用CVD技术，在沟槽内沉积金刚石，以形成散热块。
具体的，采用CVD技术在沟槽内沉积金刚石，所制得的各个结构参数为：散热块的宽度为5μm；沟槽内散热块的底部距离衬底3μm。
S4、整体沉积一层金属膜层，并在所述金属膜层的预设区域上利用毛细键合的方法贴附一层散热片，所述散热片的材料为金刚石。
具体的，金属膜层的材料为Cu，且金属膜层的厚度为100nm，金属膜层可将所有小LED相连，需要说明的是，金属膜层可作为LED的光反射层对光线进行反射，使光线从蓝宝石衬底辐射出去，同时，它将分区结构中的每一个小LED连接起来，起到电流扩展的作用，使芯片具有很好的导电性，另外，金属膜层连接小LED之间嵌入的金刚石和顶部的金刚石散热片，起到传导热量的作用，使结构具有良好的散热。
最后利用毛细键合的方法把厚度为200μm的金刚石散热片贴在金属膜层上面。
S5、对所述金属膜层、所述ITO层和所述外延片进行刻蚀，刻蚀深度超过所述有源层，直至刻蚀到所述n型GaN层。
S6、使用电子束蒸镀技术在裸露的n型GaN层上和金属膜层上蒸镀Cr/Au薄膜，分别形成N电极和P电极，以完成LED芯片制作。
为了测试LED芯片的结温，输入的LED的电流注入密度为2×104A/cm²。
实施例2
本实施例2同样提供一种LED芯片，与实施例1的区别在于，散热块的宽度为10μm。
实施例3
本实施例3同样提供一种LED芯片，与实施例1的区别在于，散热块的宽度为15μm。
实施例4
本实施例4同样提供一种LED芯片，与实施例1的区别在于，散热块的宽度为20μm。
实施例5
本实施例5同样提供一种LED芯片，与实施例1的区别在于，散热块的宽度为25μm。
实施例6
本实施例6同样提供一种LED芯片，与实施例3的区别在于，沟槽内散热块的底部距离所述衬底2μm。
实施例7
本实施例7同样提供一种LED芯片，与实施例3的区别在于，沟槽内散热块的底部距离所述衬底4μm。
实施例8
本实施例8同样提供一种LED芯片，与实施例3的区别在于，将外延片分区后各区域的宽度为57μm。
实施例9
本实施例9同样提供一种LED芯片，与实施例3的区别在于，将外延片分区后各区域的宽度为76μm。
实施例10
本实施例10同样提供一种LED芯片，与实施例3的区别在于，为了测试LED芯片的结温，输入的LED的电流注入密度为2.5×104A/cm²。
实施例11
本实施例11同样提供一种LED芯片，与实施例3的区别在于，为了测试LED芯片的结温，输入的LED的电流注入密度为3×104A/cm²。
实施例12
本实施例12同样提供一种LED芯片，与实施例3的区别在于，为了测试LED芯片的结温，输入的LED的电流注入密度为4.9×104A/cm²。
实施例13
本实施例13同样提供一种LED芯片，与实施例8的区别在于，为了测试LED芯片的结温，输入的LED的电流注入密度为4.5×104A/cm²。
实施例14
本实施例14同样提供一种LED芯片，与实施例9的区别在于，为了测试LED芯片的结温，输入的LED的电流注入密度为4.3×104A/cm²。
实施例15
本实施例15同样提供一种LED芯片，与实施例3的区别在于，为了测试LED芯片的结温，输入的LED的电流注入密度为1.78×104A/cm²。
将实施例1至实施例15所得的LED芯片在同等条件下进行测试结温，具体结果如下表所示：
传统LED电流密度上限为300 A/cm²~500A/cm²，LED安全工作温度临界值358K，由表中可以看出，散热块宽度大于15μm时，结温下降速度变缓，且散热块宽度过大会占用更多的发光区域，故选取散热块宽度为15μm较为合适；改变沟槽内散热块的底部距离衬底的大小，结温变化不大，为了不过分破坏n型GaN层的性质，又能使GaN区域拥有更大的热量传输通道，沟槽内散热块的底部距离衬底3μm最佳；随着外延片分区后各区域的宽度减小，即小LED的尺寸越小，LED的电流注入密度上限越大，当各区域的宽度为38μm时最佳;随着电流密度的增加，结温也随之上升，但芯片的内外温差过大会导致热应力变大，影响LED的使用寿命，通常LED芯片比较理想的工作温度在323K以下。可以理解的，采用本发明实施例制备的LED芯片在理想的工作条件下，注入电流密度为1.78×10^4 A/cm²，远大于传统LED的注入电流密度，极大的提高了LED的调制带宽。
综上，本发明实施例当中的LED芯片及其制备方法，该LED芯片在具有n型GaN层、有源层、p型GaN层以及ITO层的GaN外延片上，由ITO层朝衬底方向刻蚀，直至n型GaN层，形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，沟槽用于将外延片分区，沟槽内嵌设有适配的散热块，ITO层和金刚石上依次沉积有金属膜层和散热片，散热块和散热片的材料均为金刚石，具体的，由于沟槽将外延片进行了分区，而金属膜层将各区域的金刚石材料的散热块与顶部散热片连接，起到传导热量的作用，使结构具有良好的散热。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种LED芯片，其特征在于，包括外延片，所述外延片包括衬底以及依次沉积于所述衬底上的n型GaN层、有源层及p型GaN层，所述p型GaN层上设有ITO层，其中，由所述ITO层朝所述衬底方向刻蚀，直至所述n型GaN层，形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，所述沟槽用于将外延片分区；
所述沟槽内嵌设有适配的散热块，所述ITO层和所述散热块上依次沉积有金属膜层和散热片，所述散热块和所述散热片的材料均为金刚石；
外延片分区后各区域的宽度为38μm~76μm，所述散热块的宽度为5μm~25μm。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，沟槽内散热块的底部距离所述衬底2μm~4μm。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述散热片的厚度为150μm~200μm。
4.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述ITO层的厚度为600Å~1100Å。
5.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于，所述金属膜层的材料为Au、Ag、Cu、Al中的一种或任意几种的组合。
6.根据权利要求5所述的LED芯片，其特征在于，所述金属膜层的厚度为80nm~120nm。
7.一种LED芯片的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-6任一项所述的LED芯片，所述制备方法包括：
提供一外延片，其中，所述外延片包括衬底以及依次沉积于所述衬底上的n型GaN层、有源层及p型GaN层；
在所述p型GaN层上沉积ITO层；
利用ICP刻蚀技术，对所述ITO层和所述外延片进行刻蚀，刻蚀深度超过所述有源层，直至刻蚀到所述n型GaN层，以形成纵横交错，且相互垂直的沟槽，所述沟槽用于将外延片分区；
利用CVD技术，在沟槽内沉积金刚石，以形成散热块；
整体沉积一层金属膜层，并在所述金属膜层的预设区域上利用毛细键合的方法贴附一层散热片，所述散热片的材料为金刚石。
8.根据权利要求7所述的LED芯片的制备方法，其特征在于，所述整体沉积一层金属膜层，并在所述金属膜层的预设区域上利用毛细键合的方法贴附一层散热片的步骤之后包括：
对所述金属膜层、所述ITO层和所述外延片进行刻蚀，刻蚀深度超过所述有源层，直至刻蚀到所述n型GaN层；
使用电子束蒸镀技术在裸露的n型GaN层上和金属膜层上蒸镀Cr/Au薄膜，分别形成N电极和P电极，以完成LED芯片制作。
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