CN203895488U - 一种新型结构的led芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型结构的LED芯片，属于半导体器件领域。LED芯片结构包括N面电极、衬底、有源层、磷化嫁层、铟镓磷层、P面焊线电极、扩展电极和电流阻挡槽；其制作步骤包括在芯片P面生长的铟镓磷层，对磷化嫁层刻蚀粗化，用真空镀膜技术蒸镀P面焊线电极和扩展电极以及等离子刻蚀电流阻挡槽，扩展电极通过合金与磷化嫁层欧姆接触。本发明制作的LED芯片能将电流通过扩展电极扩展到整个芯片表面，增加了电流的有效利用，同时结合表面粗化，能有效提高芯片的发光率，具有结构简单、制作方法简便可行、易于制造的优点。

Description

一种新型结构的LED芯片

技术领域

本发明属于半导体器件领域，涉及一种新型结构的LED芯片，更具体地说，涉及一种新型结构的LED芯片。

背景技术

随着发光二极管(LED)于1960年的问世，LED在我们的周围环境中开始广泛的应用，在日常生活中扮演着举足轻重的角色，成为最受重视的光源技术之一，如各种指示灯、显示器光源以及照明设备等都可以看到LED的应用。相较于传统型照明光源如：荧光灯、白炽钨丝灯泡等，LED拥有高亮度、低功耗、寿命长、启动快、体积小、环保节能、不易产生视觉疲劳等优势，有着广阔的发展前景，受到人们广泛关注。然而，LED目前仍存在发光效率和发光亮度不高，可靠性低等问题，从而制约了它迈向照明及其它领域的速度。LED作为一种光源，衡量它的一个重要指标就是光电转换效率。如何提高LED的发光效率越来越成为关注的焦点。提高LED发光效率的两个基本出发点是提高其内量子效率和外量子效率。目前内量子效应已基本接近其理论极限状况，引起内量子效率的提高已经没有较大空间，而外量子效应主要由LED芯片表面结构决定，目前LED芯片的出光效率普遍在10-70％左右，因此出光效率的提高空间较大。从芯片角度有几种方法可以提高出光效率，包括表面粗化、晶片键合、透明衬底技术、激光衬底剥离技术、金属反射膜技术、倒装芯片、光子晶体、DBR和衬底设计。

对于普通结构的红黄光LED芯片结构，自上至下结构为：P面焊线电极、欧姆接触层电极、电流扩展层、外延层、衬底和N面电极。通常采用磷化镓作为P面的电流扩展层，磷化镓的折射率约为3.4，而空气的折射率为1，磷化镓界面与空气发生全反射的临界角为18°，因此LED芯片与空间界面上存在较严重的全反射现象，造成芯片产生的光较多不能有效引出。现在业内通常采用对磷化镓表面粗化技术减小出射光的全反射，以提高光的提取效率。例如中国专利号：2003801109459，公开日一种氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)，通过将N面的表面被粗化形成一个或多个六角形锥面来减少LED内部的光反射的重复发生，提高LED的发光亮度。但磷化镓表面粗化存在难度较大，粗化的均匀性较难把握等难题。

除了表面粗化外，还可以从芯片结构方面进行设计，提高LED的发光效率。中国专利申请号：201210047891.7，公开了一种改善电流传输的LED芯片，通过在P电极的正下方设置透明的电流扩散控制绝缘层，改变LED工作时的电流路径，使得发光区域位于电流扩散控制绝缘层的四周，从而提高出光效率，但电流表面扩展受限制。LED的发光原理是当电子经过芯片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量(带隙)越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。所以提高电流利用率也即提高了LED芯片的出光效率。早期的LED采用的是传统圆形或者方形电极，电极到有源区的距离较短，因此电流到达有源区的速度远远大于其向表面扩展的速度，造成电流主要集中在电极下方通过，使LED芯片发光区域集中在电极附近，易产生电流堵塞，电流利用率低，从而影响LED的出光效率。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有的LED芯片电流易产生堵塞，电流利用率低导致的LED出光效率低等问题，本发明提供一种新型结构的LED芯片，通过将芯片P面分割成四个区域，提高电流扩展效率，同时结合表面粗化技术，在不改变芯片可靠性的前提下，能有效提高芯片表面电流的利用效率及其表面的光引出效率。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种新型结构的LED芯片，包括N面电极、衬底、有源层、磷化嫁层、P面焊线电极和扩展电极，自下而上依次为N面电极、衬底、有源层和磷化嫁层(3)，磷化嫁层(3)为正方形；所述的P面焊线电极与磷化嫁层之间有铟镓磷层，磷化嫁层上有电流阻挡槽；所述的N面电极的厚度为；所述的衬底的厚度为340-380μm，材料为砷化镓；所述的有源层的厚度为5-9μm，材料为铝镓铟磷；所述的磷化嫁层的厚度为6-9μm，材料为磷化镓；所述的P面焊线电极的厚度为2.5-3.5μm，材料为金；所述的扩展电极的厚度为；所述的扩展电极为长条形，扩展电极有四条，均匀分布在扩展电极的四周，扩展电极一端与P面焊线电极连接，另一端与磷化嫁层边的中点上；所述的电流阻挡槽有四条，每一条都是一端连接在P面焊线电极1上，另一端连接到磷化嫁层的拐角处。

进一步地，所述的铟镓磷层厚度为；所述的N面电极的材料为金锗合金，其中金的质量分数为97％±0.1％，锗的质量分数为3％±0.1％；扩展电极(2)的材料为金铍合金，其中金的质量分数为99％±0.1％，铍的质量分数为1％±0.1％

进一步地，所述的电流阻挡槽位于芯片P面对角线上，通过等离子刻蚀方法实现，深度与磷化镓层厚度相同，深度控制由等离子刻蚀机中的在线监测系统控制，即通过监测刻蚀过程中的产物实现。

进一步地，所述的P面焊线电极与铟镓磷层不形成欧姆接触，所述的扩展电极与磷化嫁层通过高温融合(氮气氛围下400-500℃合金10分钟)形成欧姆接触。

一种新型结构的LED芯片的制作方法，包括以下步骤：

(a)生长铟镓磷层，利用金属有机气相外延生长技术(MOCVD)在LED芯片P面生长铟镓磷层，MOCVD的气相反应物为三甲基铟、三甲基镓和磷烷，质量比例为1:1:100，在700℃及压力50Torr条件下生长厚度为的铟镓磷层；

(b)光刻，使用掩膜板对步骤得到的芯片P面进行光刻，掩膜板上有刻蚀孔和P面焊线电极(1)；

(c)湿法刻蚀，在步骤得到的芯片P面焊线电极上均匀涂布正性光刻胶，然后利用光刻版作为掩膜对芯片进行光刻；

(d)去胶清洗，对步骤(c)得到的芯片进行去胶清洗，即先用去离子水清洗芯片5分钟，然后用丙酮在80℃条件下浸泡芯片30分钟，再使用去离子水清洗芯片5分钟，最后用热氮气吹干芯片；

(e)真空镀膜，对步骤(d)得到的芯片表面用真空镀膜技术蒸镀金/金铍/金层，厚度分别为；

(f)光刻，对扩展电极处用光刻胶保护，使用金刻蚀液在常温条件下将剩余金属层去除，当芯片表面颜色金色消失时即停止；

(g)去胶清洗，对步骤(f)得到的芯片进行去胶清洗，方法同步骤(d)；

(h)等离子刻蚀，对步骤(g)得到的芯片P面除电流阻挡槽(4)以外部分涂上耐高温负性光刻胶，匀胶速度为3000转/分，对电流阻挡槽(4)部分进行等离子刻蚀(ICP)得到电流阻挡槽；

(i)去胶清洗，对步骤(h)得到的芯片进行去胶清洗，方法同步骤(d)；

(j)欧姆接触，通过氮气氛围下400-500℃高温融合10分钟将扩展电极(2)与磷化嫁层形成欧姆接触。

进一步地，所述步骤(b)中的掩膜版上的刻蚀孔为圆形，刻蚀孔的直径为10μm，间隔为5μm，P面焊线电极位于掩膜版中心。

进一步地，所述步骤(c)中的正性光刻胶粘度为30-50PaS，匀胶速度为3000-4000转/分。

进一步地，所述步骤(c)中的湿法刻蚀液为盐酸:磷酸:硫酸:双氧水按体积比1:3:1:2配制得到，刻蚀时，将芯片浸入刻蚀液中并超声，当芯片表面颜色变为亮红色时停止刻蚀。

进一步地，所述步骤(f)中的金刻蚀液为碘与碘化钾混合溶液，由200-250g碘与250-300g碘化钾加3000ml超纯水配置而成；所述步骤(h)中的刻蚀气体为三氯化硼、乙烯、氩气和氦气，其流量分别为：三氯化硼:乙烯:氩气:氦气的体积比为(20-35):(2-8):(30-60):(40-80)，刻蚀时腔体压力维持在40Torr，对GaP层刻蚀深度为。刻蚀深度控制通过在线监测实现，以达到有源区为止。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明新型结构的LED芯片通过在芯片P面刻蚀电流阻挡槽，将芯片P面分割成四个区域，当外界施加电压后，电流会通过P面焊线电极流向周边的扩展电极，经过扩展电极横向扩展到整个芯片表面，以及其层状结构的设计，增加了电流的有效利用率，提高了发光效率；

(2)本发明新型结构的LED芯片P面上有扩展电极，与电流阻挡槽相结合实现P面的电流扩展，避免电流在P面焊线电极处过渡集中，扩大了芯片的发光区域；

(3)本发明新型结构的LED芯片的制作方法通过湿法刻蚀对芯片P面进行粗化，能增加光引出，有效提高芯片的外量子效应；

(4)本发明中的芯片结构简单，制作方法简便可行，易于制造。

附图说明

图1为LED芯片P面结构示意图。

图中：1-P面焊线电极；2-扩展电极；3-磷化嫁层；4-电流阻挡槽；5-刻蚀孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，一种新型结构的LED芯片，LED芯片包括N面电极、衬底、有源层、磷化嫁层3、P面焊线电极1、扩展电极2、电流阻挡槽4和刻蚀孔5，所述的电流阻挡槽位于芯片P面对角线上，自下而上依次为N面电极、衬底、有源层和磷化嫁层3，磷化嫁层3为正方形。P面焊线电极1为圆形，位于磷化嫁层3上；P面焊线电极1与磷化嫁层3之间有铟镓磷层，其中铟含量为50％，镓含量为27％，余量为磷；铟镓磷层能提高发光效率，特殊的成份设计，更加的促使发光效率提高，磷化嫁层上有电流阻挡槽4；N面电极的厚度为，N面电极的材料为金锗合金，其中金的质量分数为97.1％，锗的质量分数为2.9％；衬底的材料为砷化镓；有源层的材料为铝镓铟磷；所述的磷化嫁层3的材料为磷化镓；磷化嫁层3的厚度为6μm；P面焊线电极1的材料为金；P面焊线电极1的厚度为2.5-3.5μm；扩展电极2的材料为金铍合金，其中金的质量分数为99％±0.1％，铍的质量分数为1％±0.1％；扩展电极2为长条形，扩展电极2有四条，均匀分布在扩展电极2的四周，扩展电极2一端与P面焊线电极1连接，另一端与磷化嫁层3边的中点上；电流阻挡槽4有四条，每一条都是一端连接在P面焊线电极1上，另一端连接到磷化嫁层3的拐角处。其具体制作步骤为：

(a)制备结构自上而下为N面电极、衬底和有源层(其中有源层的材料为铝镓铟磷，厚度为5μm)的初步电极，然后在有源层的表面生长铟镓磷层(N面电极、衬底和有源层的加工都属于常见的现有技术，在此不再赘述)，利用金属有机气相外延生长技术(MOCVD)在LED芯片P面生长铟镓磷层，MOCVD的气相反应物为三甲基铟、三甲基镓和磷烷，三甲基铟、三甲基镓和磷烷的质量比例为1:1:100，在700℃及压力50Torr条件下生长厚度为的铟镓磷层；然后在铟镓磷层的表面蒸镀一层磷化嫁层3，磷化嫁层3的厚度为6μm；

(b)光刻，使用掩膜板对步骤(a)得到的芯片P面进行光刻，掩膜板上有刻蚀孔5和P面焊线电极1；所用掩膜版上的刻蚀孔为圆形，刻蚀孔的直径为10μm，间隔为5μm，P面焊线电极位于掩膜版中心；

(c)湿法刻蚀，对步骤(b)得到的芯片P面焊线电极1用粘度在50PaS的正性光刻胶保护，匀胶速度为4000转/分，然后利用光刻版作为掩膜对芯片进行光刻，刻蚀液为盐酸:磷酸:硫酸:双氧水按体积比1:3:1:2配制得到，刻蚀时，将芯片浸入刻蚀液中并超声，当芯片表面颜色变为亮红色时停止刻蚀；

(d)去胶清洗，对步骤(c)得到的芯片进行去胶清洗，即先用去离子水清洗芯片5分钟，然后用丙酮在80℃条件下浸泡芯片30分钟，再使用去离子水清洗芯片5分钟，最后用热氮气吹干芯片；

(e)真空镀膜，对步骤(d)得到的芯片表面用真空镀膜技术依次蒸镀金/金铍/金层，厚度分别为，其中金铍中金的质量分数为99％±0.1％，铍的质量分数为1％±0.1％；

(f)光刻，对扩展电极2处用光刻胶保护，使用金刻蚀液在常温条件下将剩余金属层去除(主要是去除铟镓磷层和表面粗糙化，图中的中间圆圈处铟镓磷层保留，其余部位去除并粗化)，当芯片表面颜色金色消失时即停止；金刻蚀液由235g碘(分析纯)与273g碘化钾(分析纯)加3000ml超纯水配置而成；

(g)去胶清洗，对步骤(f)得到的芯片进行去胶清洗，方法同步骤(d)；

(h)等离子刻蚀，对步骤(g)得到的芯片P面除电流阻挡槽4以外部分涂上耐高温负性光刻胶，匀胶速度为3000转/分，对电流阻挡槽4部分进行等离子刻蚀(ICP)得到电流阻挡槽；刻蚀气体为三氯化硼、乙烯、氩气和氦气，其流量分别为：三氯化硼:乙烯:氩气:氦气的体积比为10:4:15:40，刻蚀时腔体压力维持在40Torr，对GaP层刻蚀深度为，刻蚀深度控制通过在线监测实现，以达到有源区为止；

(i)去胶清洗，对步骤(h)得到的芯片进行去胶清洗，方法同步骤(d)；

(j)欧姆接触，通过氮气氛围下400-500℃高温融合10分钟将扩展电极2与磷化嫁层形成欧姆接触。

采用上述方法制作的红黄光LED芯片，芯片尺寸为9mil，在20mA电流下，LED芯片光效达40-45lm/w，比常规制作方法制作的LED芯片光效提高1倍。

实施例2

如图1所示，一种新型结构的LED芯片，LED芯片包括N面电极、衬底、有源层、磷化嫁层3、P面焊线电极1、扩展电极2、电流阻挡槽4和刻蚀孔5，所述的电流阻挡槽位于芯片P面对角线上，其制作步骤为：

(a)制备结构自上而下为N面电极、衬底和有源层(其中有源层的材料为铝镓铟磷，厚度为7μm)的初步电极，然后在有源层的表面生长铟镓磷层，利用金属有机气相外延生长技术(MOCVD)在LED芯片P面生长铟镓磷层，MOCVD的气相反应物为三甲基铟、三甲基镓和磷烷，质量比例为1:1:100，在700℃及压力50Torr条件下生长厚度为的铟镓磷层；然后在铟镓磷层的表面蒸镀一层磷化嫁层3，磷化嫁层3的厚度为8μm；

(b)光刻，使用掩膜板对步骤(a)得到的芯片P面进行光刻，掩膜板上有刻蚀孔(5)和P面焊线电极(1)；所用掩膜版上的刻蚀孔为圆形，刻蚀孔的直径为10μm，间隔为5μm，P面焊线电极位于掩膜版中心；

(c)湿法刻蚀，对步骤(b)得到的芯片P面焊线电极(1)用粘度在40PaS的正性光刻胶保护，匀胶速度为3500转/分，然后利用光刻版作为掩膜对芯片进行光刻，刻蚀液为盐酸:磷酸:硫酸:双氧水按体积比1:3:1:2配制得到，刻蚀时，将芯片进入刻蚀液中并超声，当芯片表面颜色变为亮红色时停止刻蚀；

(d)去胶清洗，对步骤(c)得到的芯片进行去胶清洗，即先用去离子水清洗芯片5分钟，然后用丙酮在80℃条件下浸泡芯片30分钟，再使用去离子水清洗芯片5分钟，最后用热氮气吹干芯片；

(e)真空镀膜，对步骤(d)得到的芯片表面用真空镀膜技术蒸镀金/金铍/金层，厚度分别为，其中金的质量分数为98％±0.1％，铍的质量分数为2％±0.1％；

(f)光刻，对扩展电极2处用光刻胶保护，使用金刻蚀液在常温条件下将剩余金属层去除，当芯片表面颜色金色消失时即停止；金刻蚀液由200g碘(分析纯)与300g碘化钾(分析纯)加3000ml超纯水配置而成；

(g)去胶清洗，对步骤(f)得到的芯片进行去胶清洗，方法同步骤(d)；

(h)等离子刻蚀，对步骤(g)得到的芯片P面除电流阻挡槽(4)以外部分涂上耐高温负性光刻胶，匀胶速度为3000转/分，对电流阻挡槽(4)部分进行等离子刻蚀(ICP)得到电流阻挡槽，刻蚀气体为三氯化硼、乙烯、氩气和氦气，其流量分别为：三氯化硼:乙烯:氩气:氦气的体积比为35:2:60:40，刻蚀时腔体压力维持在40Torr，对GaP层刻蚀深度为 。刻蚀深度控制通过在线监测实现，以达到有源区为止；

(i)去胶清洗，对步骤(h)得到的芯片进行去胶清洗，方法同步骤(d)；

(j)欧姆接触，通过氮气氛围下450-480℃高温融合10分钟将扩展电极2与磷化嫁层形成欧姆接触。

采用上述方法制作的红黄光LED芯片，芯片尺寸为9mil，在20mA电流下，LED芯片光效达34-38lm/w，比常规制作方法制作的LED芯片光效提高0.7倍。

实施例3

同实施例1，所不同的是一种新型结构的LED芯片的制作步骤中，步骤(a)中有源层的厚度为9μm，磷化嫁层3的厚度为9μm；步骤(c)中的正性光刻胶粘度为30PaS，匀胶速度为3000转/分；步骤(f)中的金刻蚀液为碘与碘化钾混合溶液，由250g碘与250g碘化钾加3000ml超纯水配置而成；所述步骤(h)中的刻蚀气体为三氯化硼、乙烯、氩气和氦气，其流量分别为：三氯化硼:乙烯:氩气:氦气的体积比为27:5:45:60，刻蚀时腔体压力维持在40Torr，对GaP层刻蚀深度为。

采用上述方法制作的红黄光LED芯片，芯片尺寸为9mil，在20mA电流下，LED芯片光效达28-30lm/w，比常规制作方法制作的LED芯片光效提高0.4倍。

实施例4

一种新型结构的LED芯片，包括N面电极、衬底、有源层、磷化嫁层3、P面焊线电极1和扩展电极2，自下而上依次为N面电极、衬底、有源层和磷化嫁层3，磷化嫁层3为正方形；P面焊线电极1为圆形，位于磷化嫁层3上；P面焊线电极1与磷化嫁层3之间有铟镓磷层，铟镓磷层厚度为。磷化嫁层上有电流阻挡槽4；N面电极的厚度为，材料为金锗合金，其中金的质量分数为97.1％，锗的质量分数为2.9％；衬底的厚度为380μm，材料为砷化镓；有源层的厚度为9μm，材料为铝镓铟磷；磷化嫁层3的厚度为7μm，材料为磷化镓；P面焊线电极1的厚度为3.5μm，材料为金；扩展电极2的厚度为，材料为金铍合金，其中金的质量分数为99％，铍的质量分数为1％；扩展电极2为长条形，扩展电极2有四条，均匀分布在扩展电极2的四周，扩展电极2一端与P面焊线电极1连接，另一端与磷化嫁层3边的中点上；电流阻挡槽4有四条，每一条都是一端连接在P面焊线电极1上，另一端连接到磷化嫁层3的拐角处。P面焊线电极1与铟镓磷层不形成欧姆接触，扩展电极2与磷化嫁层通过高温融合氮气氛围下400℃合金10分钟形成欧姆接触。该红黄光LED芯片，比常规制作方法制作的LED芯片光效提高0.6倍。

实施例5

同实施例1，所不同的是N面电极的厚度为，材料为金锗合金，其中金的质量分数为96.9％，锗的质量分数为3.1％；衬底的厚度为340μm，材料为砷化镓；有源层的厚度为6μm，材料为铝镓铟磷；磷化嫁层3的厚度为9μm，材料为磷化镓；P面焊线电极1的厚度为2.7μm，材料为金；扩展电极2的厚度为，材料为金铍合金，其中金的质量分数为98.9％，铍的质量分数为1.1％；扩展电极2与磷化嫁层通过高温融合氮气氛围下450℃合金10分钟形成欧姆接触。该红黄光LED芯片，比常规制作方法制作的LED芯片光效提高0.5倍。

实施例5

同实施例1，所不同的是N面电极的厚度为，材料为金锗合金，其中金的质量分数为979％，锗的质量分数为3％；衬底的厚度为360μm，材料为砷化镓；有源层的厚度为5μm，材料为铝镓铟磷；磷化嫁层3的厚度为6μm，材料为磷化镓；P面焊线电极1的厚度为2.5μm，材料为金；扩展电极2的厚度为，材料为金铍合金，其中金的质量分数为99.1％，铍的质量分数为0.9％；扩展电极2与磷化嫁层通过高温融合氮气氛围下500℃合金10分钟形成欧姆接触。该红黄光LED芯片，比常规制作方法制作的LED芯片光效提高0.4倍。

Claims (3)

1.一种新型结构的LED芯片，包括N面电极、衬底、有源层、磷化嫁层(3)、P面焊线电极(1)和扩展电极(2)，自下而上依次为N面电极、衬底、有源层和磷化嫁层(3)，磷化嫁层(3)为正方形；其特征在于：所述的P面焊线电极(1)为圆形，位于磷化嫁层(3)上；所述的P面焊线电极(1)与磷化嫁层(3)之间有铟镓磷层，磷化嫁层上有电流阻挡槽(4)；所述的N面电极的厚度为所述的衬底的厚度为340-380μm，材料为砷化镓；所述的有源层的厚度为5-9μm，材料为铝镓铟磷；所述的磷化嫁层(3)的厚度为6-9μm，材料为磷化镓；所述的P面焊线电极(1)的厚度为2.5-3.5μm，材料为金；所述的扩展电极(2)的厚度为所述的扩展电极(2)为长条形，扩展电极(2)有四条，均匀分布在扩展电极(2)的四周，扩展电极(2)一端与P面焊线电极(1)连接，另一端与磷化嫁层(3)边的中点上；所述的电流阻挡槽(4)有四条，每一条都是一端连接在P面焊线电极(1)上，另一端连接到磷化嫁层(3)的拐角处。 

2.根据权利要求1所述的一种新型结构的LED芯片，其特征在于：所述的电流阻挡槽位于芯片P面对角线上。 

3.根据权利要求1所述的一种新型结构的LED芯片，其特征在于：所述的P面焊线电极(1)与铟镓磷层不形成欧姆接触，所述的扩展电极(2)与磷化嫁层形成欧姆接触。