CN206564265U

CN206564265U - 一种高亮度led芯片结构

Info

Publication number: CN206564265U
Application number: CN201720311338.8U
Authority: CN
Inventors: 周智斌
Original assignee: Xiangneng Hualei Optoelectrical Co Ltd
Current assignee: Xiangneng Hualei Optoelectrical Co Ltd
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2017-10-17
Anticipated expiration: 2027-03-28

Abstract

本实用新型提供了一种高亮度LED芯片结构，该高亮度LED芯片结构在厚度方向依次包括衬底、缓冲层、N‑GaN层、量子阱层及P‑GaN层，N‑GaN层为包括上台阶部和下台阶部的台阶型结构，量子阱层及P‑GaN层依次设置在上台阶部上方，下台阶部的N‑GaN上直接设置有N区围坝结构，其中N区围坝结构中间区域设置有N电极、P‑GaN层上设置有P电极，N区围坝结构为一端由N‑GaN层的下台阶部封闭的空心的柱体状，且在其朝向P电极的一侧不留缺口或留有用于电流流出的缺口，围坝结构高度为0.7um～5um，且大于等于其所包围的N电极高度，N区围坝结构为含GaN的结构，其宽度为4um～40um。本实用新型的LED芯片增加了N区围坝结构，有利于提高芯片亮度，同时不会出现由于LED芯片挤金现象而造成的安全问题。

Description

一种高亮度LED芯片结构

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别的，涉及一种高亮度LED芯片结构。

背景技术

半导体是指常温下其导电性能介于绝缘体和导体之间的一种材料，具有很高的经济价值和发展前景。常见的半导体材料有GaN、硅、锗等等。其中GaN材料是一种六角纤锌矿结构，具有禁带宽度大、耐高温、耐强酸碱、高电子漂移饱和速度以及化学性能稳定等优势。目前GaN已经成为第三代半导体材料的重要组成部分，其中GaN基材料制作的蓝光、绿光等半导体器件在日常生活中广泛应用，在未来具有非常广泛的应用市场和商业前景。

由于芯片制作过程中采用Au来制作金属电极，在芯片封装过程中N电极很容易出现挤金的现象，从而影响灯珠的可靠性以及芯片的亮度。到目前为止，芯片厂商一般采用PAD合金的方法来解决此类问题，但是效果很一般，在封装完成后还是存在安全隐患，因而不能完全杜绝此类芯片挤金异常的现象；部分LED芯片N电极周边可能覆盖有钝化层，但由于钝化层太薄，没法承受LED芯片封装对N电极所带来的挤压作用，因而也避免不了芯片挤金现象的产生。

因此，设计出高亮度且安全可靠的LED产品是目前急需解决的核心问题。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种高亮度LED芯片结构，以解决现有技术中由于N电极的挤金现象造成LED芯片亮度不高且存在安全隐患的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种高亮度LED芯片结构，

所述LED芯片结构在厚度方向依次包括衬底、外延层和电极，且所述外延层包括缓冲层、N-GaN层、量子阱层及P-GaN层，N-GaN层为包括上台阶部和下台阶部的台阶型结构，量子阱层及P-GaN层依次设置在所述上台阶部上方，所述下台阶部的N-GaN上设置有N区围坝结构，所述电极包括设置在所述N区围坝结构中间区域的N电极和设置在P-GaN层上的P电极，

所述N区围坝结构为一端由所述N-GaN层的下台阶部封闭的空心的柱体状，所述围坝的侧壁上不留缺口或留有用于电流流出的缺口，所述围坝结构高度为0.7um～5um，且N区围坝结构的高度大于等于其所包围的N电极高度，N区围坝结构的宽度为4um～40um，所述N区围坝结构为含GaN的结构。

本实用新型中，所述N区围坝结构空心处的横截面形状为矩形、圆形、椭圆形以及任何多边形的一种。

本实用新型中，所述N区围坝结构的高度大于其所包围的N电极高度。

本实用新型中，所述P-GaN层上方设有电流阻挡层，所述电流阻挡层和所述P-GaN层上方设有电流扩展层，所述LED芯片结构还包括一沉积于所述芯片表面的钝化层；包括所述衬底以及含缓冲层、N-GaN层、量子阱层、P-GaN层的外延层的总厚度为4um～10um，所述电流阻挡层的厚度为所述电流扩展层的厚度为所述钝化层的厚度为所述P电极和N电极厚度为0.7um～5um。

本实用新型中，N区围坝结构上的缺口朝向P电极一侧，且所述缺口的长度为N区围坝结构内壁周长的1/3以内。

本实用新型中，所述缺口的长度为N区围坝结构内壁周长的1/10以内。

本实用新型中，所述围坝结构的底部与N-GaN层的结构相同，围坝结构的上部可选地与电流阻挡层、P-GaN层、量子阱层或N-GaN层的结构相同。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型的高亮度LED芯片，在N电极周围设置一圈围坝结构，对N电极进行保护，有效解决了现有技术中由于电极挤金影响芯片亮度的问题，同时还可以提高侧壁出光效率，提高了芯片亮度。

2、本实用新型的高亮度LED芯片，还具有很好的抗ESD的能力及可靠性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

在附图中：

图1是本实用新型优选实施例的LED芯片结构图；

图2是本实用新型优选实施例的LED芯片结构俯视图；

图3是本实用新型优选实施例1和对比例的亮度分布图；

附图标记：

1、衬底，2、缓冲层，3、N-GaN层，3a、上台阶部，3b、下台阶部，4、量子阱层，5、P-GaN层，6、电流阻挡层，7、电流扩展层，8、P电极，9、钝化层，10、N区围坝结构，11、N电极。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

参见图1和图2，为本实用新型的一种高亮度LED芯片的结构，LED芯片结构在厚度方向依次包括衬底1、外延层和电极，且外延层包括缓冲层2、N-GaN层3、量子阱层4及P-GaN层5，N-GaN层3为包括上台阶部3a和下台阶部3b的台阶型结构，量子阱层4及P-GaN层5依次设置在上台阶部3a上方，下台阶部3b的N-GaN层3上直接设置有N区围坝结构10，所述电极包括设置在所述N区围坝结构10中间区域的N电极11和设置在P-GaN层5上的P电极8，还包括设置在P-GaN层5上方的电流阻挡层6、电流阻挡层6和P-GaN层5上方的电流扩展层7以及沉积于所述芯片表面的钝化层9。

所述N区围坝结构为一端由所述N-GaN层的下台阶部封闭的空心的柱体状，空心处横截面形状为矩形、圆形、椭圆形以及任何多边形的一种，所述围坝结构朝向P电极的一侧留有用于电流流出的缺口，且所述缺口的长度为N区围坝结构内壁周长的1/10，所述围坝结构高度为0.7um～5um，且N区围坝结构的高度大于其所包围的N电极高度，N区围坝结构的宽度为4um～40um，所述N区围坝结构从下至上依次由N-GaN层3、量子阱层4以及P-GaN层5或者N-GaN层3、量子阱层4、P-GaN层5以及电流阻挡层6组成。

在本实施例中，包括所述衬底1、缓冲层2、N-GaN层3、量子阱层4、P-GaN层5的外延层的总厚度为4um～10um，所述电流阻挡层6的厚度为所述电流扩展层7的厚度为所述钝化层9的厚度为所述P电极8和N电极11厚度为0.7um～5um。

本实用新型LED芯片结构的第一种制备方法如下：

步骤1、提供一衬底1，在衬底1上依次生长缓冲层2、N-GaN层3、量子阱层4及P-GaN层5，以形成发光外延层，所述衬底1可以是蓝宝石衬底、SI衬底、SIC衬底、GaN衬底、ZnO衬底以及其他可以生长外延层的衬底材料；

步骤2、在外延层的表面上利用电子束蒸发设备蒸镀电流阻挡层6，即生长一层SiO₂，控制生长温度为100℃～500℃，同时蚀刻出图形化的CBL层；

步骤3、然后采用电子束蒸发的方法在外延层和CBL层上生长出电流扩展层7，所述电流扩展层的生长时间为1-3h，所述电流扩展层采用的材料为ITO、GIO、ZITO、ZIO、NIAU中的一种或者两种以上组合。

步骤4、在所述电流扩展层7表层上光刻P区图形，具体为在电流扩展层7表层上涂覆光刻胶、光罩曝光、显影后露出多余部分电流扩展层7；光刻后经过化学腐蚀后将露出部分电流扩展层7腐蚀掉，最后去掉光刻胶，露出P-GaN层5；

步骤5、在所述电流扩展层7表层上MESA光刻和制作N区图形，具体为利用ICP刻蚀自上至下依次刻蚀电流扩展层7、电流阻挡层6、P-GaN层5、量子阱层4以及N-GaN层3，并使N-GaN层3形成具有上台阶部3a及下台阶部3b的台阶状结构，露出N-GaN层3；同时控制真空度为2mTorr～10mTorr，采用BCl₃和Cl₂形成等离子体，其中BCl₃：Cl₂＝1：5，在N-GaN层3的下台阶部3b上应用ICP干法刻蚀出所述N区围坝结构10，所述N区围坝结构为一端由所述N-GaN层的下台阶部封闭的空心的柱体状，空心处横截面形状为矩形、圆形、椭圆形以及任何多边形的一种，所述围坝结构朝向P电极的一侧留有用于电流流出的缺口，且所述缺口的长度为N区围坝结构内壁周长的1/10，所述围坝结构高度为0.7um～5um，且N区围坝结构的高度大于其所包围的N电极高度，N区围坝结构的宽度为4um～40um，所述N区围坝结构从下至上依次由N-GaN层3、量子阱层4以及P-GaN层5或者N-GaN层3、量子阱层4、P-GaN层5以及电流阻挡层6组成。

步骤6、在所述N区围坝结构10的中间区域蒸镀电极材料并剥离去胶形成所述N电极11，同时在所述P-GaN层5上蒸镀电极材料并剥离去胶形成所述P电极8，所述电极厚度为0.7um～5um，而后对电极进行PAD合金，所述合金温度在100℃～400℃；

步骤7、对所述P电极8和N电极11进行退火处理，在N电极11和P电极8以外区域制作一层钝化层9(所述围坝结构顶部可选择性地制作钝化层)，所述钝化层9的材料为SiO₂、Si₃N₄中的一种或者两种组合，得到LED晶圆；

步骤8、对所述LED晶圆进行研磨、抛光、切割得到所述LED芯片。

实施例2

本实用新型LED芯片结构的第二种制备方法如下：

本方法与第一种制备方法不同之处在于，在步骤1之后，步骤2改为在外延层表层上MESA光刻和制作N区图形，具体为利用ICP刻蚀自上至下依次刻蚀P-GaN层5、量子阱层4以及N-GaN层3，并使N-GaN层3形成具有上台阶部3a及下台阶部3b的台阶状结构，露出N-GaN层3；同时控制真空度为2mTorr～10mTorr，采用BCl3和Cl2形成等离子体，其中BCl₃：Cl₂＝1：3，在N-GaN层3的下台阶部3b上应用ICP干法刻蚀出所述N区围坝结构10，所述N区围坝结构为一端由所述N-GaN层的下台阶部封闭的空心的柱体状，空心处横截面形状为矩形、圆形、椭圆形以及任何多边形的一种，所述围坝结构朝向P电极的一侧留有用于电流流出的缺口，且所述缺口的长度为N区围坝结构内壁周长的1/5，所述围坝结构高度为0.7um～5um，且N区围坝结构的高度大于其所包围的N电极高度，N区围坝结构的宽度为4um～40um，所述N区围坝结构从下至上依次由N-GaN层3、量子阱层4以及P-GaN层5组成；然后本实施例的步骤3、4、5依次为根据实施例1中步骤2、3、4的方法生长电流阻挡层6、电流扩展层7以及制作P区图形；本实施例中的步骤6、7、8与实施例1中的步骤6、7、8相同。

实施例3

本实用新型LED芯片结构的第三种制备方法如下：

本方法与第一种制备方法不同之处在于，在步骤2之后，步骤3改为在电流阻挡层表层上MESA光刻和制作N区图形，具体为利用ICP刻蚀自上至下依次刻蚀P-GaN层5、量子阱层4以及N-GaN层3，并使N-GaN层3形成具有上台阶部3a及下台阶部3b的台阶状结构，露出N-GaN层3；同时控制真空度为2mTorr～10mTorr，采用BCl3和Cl2形成等离子体，其中BCl₃：Cl₂＝1：5，在N-GaN层3的下台阶部3b上应用ICP干法刻蚀出所述N区围坝结构10，所述N区围坝结构为一端由所述N-GaN层的下台阶部封闭的空心的柱体状，空心处横截面形状为矩形、圆形、椭圆形以及任何多边形的一种，所述围坝结构朝向P电极的一侧留有用于电流流出的缺口，且所述缺口的长度为N区围坝结构内壁周长的1/12，所述围坝结构高度为0.7um～5um，且N区围坝结构的高度大于其所包围的N电极高度，N区围坝结构的宽度为4um～40um，所述N区围坝结构从下至上依次由N-GaN层3、量子阱层4以及P-GaN层5或者由N-GaN层3、量子阱层4、P-GaN层5以及电流阻挡层6组成；然后本实施例的步骤4、5依次为根据实施例1中步骤3、4的方法生长电流扩展层7以及制作P区图形；本实施例中的步骤6、7、8与实施例1中的步骤6、7、8相同。

在实施例1的LED芯片和传统的LED芯片中各选取波长、电压、外延光致发光值相同的25片外延片制备成14*28mil芯片，在150mA点测电性参数进行对比得出亮度分布图(详见图3)。

实施例中的LED芯片为实施例1的LED芯片，而对比例中的LED芯片结构为传统的LED芯片，即N电极11设置在所述下台阶部3b上，其周边没有N区围坝结构10。

通过该图可得出：实施例中的LED芯片平均亮度为223.2mW，而对比例中的LED芯片平均亮度为221.3mW，因此在N电极周边设置N区围坝结构可大大提升LED芯片的亮度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种高亮度LED芯片结构，其特征在于，所述LED芯片结构在厚度方向依次包括衬底、外延层和电极，且所述外延层包括缓冲层、N-GaN层、量子阱层及P-GaN层，N-GaN层为包括上台阶部和下台阶部的台阶型结构，量子阱层及P-GaN层依次设置在所述上台阶部上方，所述下台阶部的N-GaN上设置有N区围坝结构，所述电极包括设置在所述N区围坝结构中间区域的N电极和设置在P-GaN层上的P电极，

2.根据权利要求1中的一种高亮度LED芯片结构，其特征在于，所述N区围坝结构空心处横截面形状为矩形、圆形、椭圆形以及其它任何多边形的一种。

3.根据权利要求1中的一种高亮度LED芯片结构，其特征在于，所述N区围坝结构的高度大于其所包围的N电极高度。

4.根据权利要求1中的一种高亮度LED芯片结构，其特征在于，所述P-GaN层上方设有电流阻挡层，所述电流阻挡层和所述P-GaN层上方设有电流扩展层，所述LED芯片结构LED芯片结构还包括一沉积于所述芯片表面的钝化层；包括所述衬底以及含缓冲层、N-GaN层、量子阱层、P-GaN层的外延层的总厚度为4um～10um，所述电流阻挡层的厚度为所述电流扩展层的厚度为所述钝化层的厚度为所述P电极和N电极厚度为0.7um～5um。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种高亮度LED芯片结构，其特征在于，N区围坝结构上的缺口朝向P电极一侧，且所述缺口的长度为N区围坝结构内壁周长的1/3以内。

6.根据权利要求5中所述的一种高亮度LED芯片结构，其特征在于，所述缺口的长度为N区围坝结构内壁周长的1/10以内。

7.根据权利要求1～4中任意一项所述的一种高亮度LED芯片结构，其特征在于，所述围坝结构的底部与N-GaN层的结构相同，围坝结构的上部可选地与电流阻挡层、P-GaN层、量子阱层或N-GaN层的结构相同。