一种led芯片及其制作方法
【专利摘要】本发明的第一目的在于提供一种LED芯片，包括包括n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层、P型电极以及N型电极等；包括n-GaN层、p-GaN层等形成凸形台面；凸形台面的上表面上设有电流扩展导电层，电流扩展导电层上设有贯穿其上表面和下表面的通孔；N型电极的下端设置在凸形台面的上表面上；P型电极的下端一部分贯穿通孔设置在p-GaN层的上表面上，另一部分设置在电流扩展导电层的上表面上。本发明的LED芯片整体结构设计合理，使得LED芯片掉电极的比例下降至5％以下，其光功率提高了4.79％左右。本发明的第二目的在于提供上述LED芯片的制作方法，工艺精简，工艺参数容易控制，便于大规模生产。
【专利说明】一种LED芯片及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，特别地，涉及一种LED芯片及其制作方法。
【背景技术】
[0002]相较于内量子效率而言，GaN基LED的外量子效率和光提取效率还有待进一步的技术突破来取得提高。造成GaN基LED外量子效率和光提取效率较低的原因主要包括晶格缺陷对光的吸收、衬底对光的吸收以及光在出射过程中的全反射、材料层中的波导效应等。由于光提取效率和外量子效率在本质上是一致的。影响光子逸出主要有以下原因:光子的全反射，大部分光子在半导体与外部界面上由于全反射而回到半导体内部，全反射光被活性层自身、基板、电极等吸收而无法出射，因此，一般LED芯片的外部取光效率比内量子效率低很多；P_GaN半透明金属接触电极层对光的吸收，它能吸收约30%的出射光线；N、P电极上键合焊点和引线对出射光线的遮挡；蓝宝石衬底对出射光的吸收。
[0003]针对影响外量子效率的因素，目前主要通过下列技术方案来提高GaN基LED的外量子效率:(I)倒装焊技术(flip chip) ；(2)生长分布布喇格反射层(DBR)结构和高反射镜面电极；(3)表面粗化技术；(4)衬底剥离技术(Laser lift off) ； (5)制作电流阻挡层。以上方案也存在一些不足之处，倒装焊技术和衬底剥离技术难度较高，成本较大；DBR需要大型机台成本较高；本发明通过控制金属电极部分压电流扩展导电层的多少和方位，改变电流分布，减少金属电极对光的吸收，增加光的提取效率。
【发明内容】
[0004]本发明的第一目的在于提供一种结构精简、亮度高以及电极粘附能力好的LED芯片，具体技术方案如下:
[0005]一种LED芯片，包括衬底、缓冲层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层、P型电极以及N型电极；
[0006]所述衬底、缓冲层、n-GaN层、多量子阱层以及p-GaN层形成凸形台面；
[0007]所述凸形台面的上表面上同轴心设有电流扩展导电层，所述电流扩展导电层上设有贯穿其上表面和下表面的通孔；
[0008]所述N型电极的下端设置在所述凸形台面的上表面上；
[0009]所述P型电极的下端一部分贯穿所述通孔设置在p-GaN层的上表面上，另一部分设置在所述电流扩展导电层的上表面上；在垂直于所述凸形台面的轴线的平面上，所述P型电极压在所述电流扩展导电层上的横截面积与所述P型电极的横截面积的比值为0.01-0.95:1。
[0010]以上技术方案中优选的，所述P型电极设置在P-GaN层上表面上的一侧到所述N型电极的最小垂直距离大于所述P型电极设置在所述电流扩展导电层上表面上的一侧到所述N型电极的最小垂直距离。
[0011]以上技术方案中优选的，所述P型电极的形状为方形柱体或弧形柱体；所述通孔为方形通孔或弧形通孔。
[0012]以上技术方案中优选的，所述电流扩展导电层的下表面到所述凸形台面上表面的最大垂直距离为1-2 μ m，其侧面到所述凸形台面的侧面的垂直距离为15-35 μ m。
[0013]以上技术方案中优选的，在垂直于所述轴线的平面上，所述P型电极压在所述电流扩展导电层上的横截面积与所述P型电极的横截面积的比值为0.1082:1。
[0014]以上技术方案中优选的，在垂直于所述轴线的平面上，所述P型电极压在所述电流扩展导电层上的横截面积与所述P型电极的横截面积的比值为0.2003:1。
[0015]以上技术方案中优选的，在垂直于所述轴线的平面上，所述P型电极压在所述电流扩展导电层上的横截面积与所述P型电极的横截面积的比值为0.7262:1。
[0016]应用本发明的LED芯片，具有以下有益效果:
[0017](I)本发明的LED芯片包括衬底、缓冲层、n-GaN层、多量子阱层、p-GaN层、电流扩展导电层、P型电极以及N型电极，整体结构精简；所述电流扩展导电层上设有通孔，所述P型电极的下端一部分设置在P-GaN层的上表面上，另一部分设置在电流扩展导电层的上表面上，通过在电流扩展导电层上开设通孔，克服金属的P型电极和氧化物之间接触不牢的问题，使P型电极的下端部分直接与P-GaN层接触，并且限制了 P型电极的横向自由度，增加电极的粘附性；通孔的设计还改变了电流的流向，提高了其亮度；在垂直于所述轴线的平面上，所述P型电极压在所述电流扩展导电层上的横截面积与所述P型电极的横截面积的比值为0.01-0.95:1，结构设计合理，使得LED芯片掉电极的比例下降至5 %以下，其光功率提高了 4.79%左右。
[0018](2)本发明中P型电极设置在P-GaN层上表面上的一侧到所述N型电极的最小垂直距离大于所述P型电极设置在所述电流扩展导电层上表面上的一侧到所述N型电极的最小垂直距离，本发明通过增加金属与GaN表面的接触面积来增加电极的粘附性，同时减少电极与导电扩展层接触面积来减少电极对光的吸收，从而提高芯片的出光效率。
[0019](3)本发明中P型电极的形状为方形柱体或弧形柱体，所述通孔为方形通孔或弧形通孔，结构设计合理，电极从底层到表层结构依次为Cr/Pt/Au,金属Cr易与P-GaN形成欧姆接触，并具有极强的粘附力，增加金属电极与P-GaN的接触面积，可以减少ITO对光的吸收，从而有利于提闻芯片的出光效率。
[0020](4)本发明中凸形台面的尺寸、结构设计合理，便于沉积电流扩展导电层、P型电极以及N型电极等工序。
[0021](5)本发明中在垂直于所述凸形台面的轴线的平面上，所述P型电极压在所述电流扩展导电层上的横截面积与所述P型电极的横截面积的比值最好是0.1082:U0.2003:1以及0.7262:1，结构设计合理，使得LED芯片掉电极的比例下降至5%以下，其光功率提高7 4.79%左右。
[0022]本发明的第二目的在于公开了一种LED芯片的制作方法，包括以下步骤:
[0023]第一步:制作凸形台面，具体为:在衬底上沉积缓冲层，在缓冲层上生长n-GaN层，在n-GaN层上生长多量子阱层，在多量子阱层上生长p_GaN层，用干法刻蚀设备ICP刻蚀出台阶，形成凸形台面；
[0024]第二步:沉积电流扩展导电层，具体为:在所述凸形台面的上表面上沉积电流扩展导电层，再将所述电流扩展导电层上开设贯穿其上表面和下表面的通孔；
[0025]第三步:沉积P型电极以及N型电极，具体为:将N型电极沉积在所述凸形台面的上表面上，将P型电极的下端一部分沉积在P-GaN层的上表面上，另一部分沉积在所述电流扩展导电层的上表面上。
[0026]以上技术方案中优选的，所述第一步中用干法刻蚀设备ICP刻蚀出台阶时:刻蚀深度为1-2 μ m,切割道的宽度为15-35 μ m ;所述电流扩展导电层与所述凸形台面同轴心设置。
[0027]以上技术方案中优选的，所述衬底的材料为蓝宝石或碳化硅；所述电流扩展导电层的材质为铟锡氧化物。
[0028]采用本发明的制作方法，工艺精简，材质容易获得，工艺参数容易控制，便于大规模生产。
[0029]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0031]图1是现有技术中LED芯片的俯视图；
[0032]图2是本发明优选实施例1的结构示意图；
[0033]图3是图2的俯视图；
[0034]图4是本发明优选实施例2的俯视图；
[0035]图5是本发明优选实施例3的俯视图；
[0036]图6是本发明优选实施例4的俯视图；
[0037]图7为MO、Ml、M2、M3以及M4的光功率对照图；
[0038]1-衬底，2-缓冲层，3-n-GaN层，4-多量子阱层，5-p-GaN层，6-P型电极，7-N型电极，8-凸形台面，9-电流扩展导电层，91-通孔。
【具体实施方式】
[0039]以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0040]实施例1:
[0041]一种LED芯片，详见图2以及图3，包括衬底1、缓冲层2、n_GaN层3、多量子阱层4、p-GaN层5、P型电极6以及N型电极7，所述衬底1、缓冲层2、n-GaN层3、多量子阱层4以及P-GaN层5形成凸形台面8，整体结构精简。
[0042]所述凸形台面8的上表面上设有电流扩展导电层9，所述电流扩展导电层9与所述凸形台面8最好是同轴心设置；所述电流扩展导电层9上设有贯穿其上表面和下表面的通孔91，所述通孔91的中心轴线最好与所述凸形台面8的轴线L相平行设置。
[0043]所述N型电极7的下端设置在所述凸形台面8的上表面上；所述P型电极6的下端一部分贯穿所述通孔91设置在p-GaN层5的上表面上，另一部分设置在所述电流扩展导电层9的上表面上。
[0044]本发明的LED芯片通过在电流扩展导电层上开设通孔，克服金属的P型电极和氧化物之间接触不牢的问题，使P型电极的下端部分直接与P-GaN层接触，并且限制了 P型电极的横向自由度，增加电极的粘附性；通孔的设计还改变了电流的流向，提高了其亮度。
[0045]在垂直于所述轴线L的平面上，所述P型电极6压在所述电流扩展导电层9上的横截面积与所述P型电极6的横截面积的比值为0.1082:1，所述P型电极6的形状为猫爪形状的弧形柱体，所述通孔91为圆柱形通孔。
[0046]所述P型电极6设置在p-GaN层5上表面上的一侧到所述N型电极7的最小垂直距离大于所述P型电极6设置在所述电流扩展导电层9上表面上的一侧到所述N型电极7
的最小垂直距离。
[0047]所述电流扩展导电层9的下表面到所述凸形台面8上表面的最大垂直距离为1-2 μ m,其侧面到所述凸形台面8的侧面的垂直距离为15_35 μ m,凸形台面8的结构设计合理，便于沉积电流扩展导电层、P型电极以及N型电极等工序。
[0048]上述LED芯片的制作方法包括以下步骤:
[0049]第一步:制作凸形台面8，具体为:在衬底I上沉积缓冲层2，在缓冲层2上生长n-GaN层3，在η-GaN层3上生长多量子阱层4，在多量子阱层4上生长p-GaN层5，用干法刻蚀设备ICP刻蚀出台阶，形成凸形台面8 ；
[0050]第二步:沉积电流扩展导电层9，具体为:在所述凸形台面8的上表面上沉积电流扩展导电层9，再将所述电流扩展导电层9上开设贯穿其上表面和下表面的通孔91，所述通孔91的开孔设备为化学蚀刻机台，厂家为台湾千腾半导体厂，其具体开孔方法为:先在wafer表面蒸镀一层电流扩展层，其成分为铟锡氧化物，然后通过黄光室匀胶、曝光、显影、硬烤，把需要开孔的部分表面暴漏在空气中，最后经过化学腐蚀工艺进行腐蚀掉暴漏在空气中的铟锡氧化物，形成孔洞，化学腐蚀用到的溶液为HCl与FeC13溶液的混合物；
[0051]第三步:沉积P型电极6以及N型电极7，具体为:将N型电极7沉积在所述凸形台面8的上表面上，将P型电极6的下端一部分沉积在p-GaN层5的上表面上，另一部分沉积在所述电流扩展导电层9的上表面上，得到LED芯片，标号为Ml。
[0052]所述第一步中用干法刻蚀设备ICP刻蚀出台阶时:刻蚀深度为1-2 μ m,切割道的宽度为15-35 μ m。
[0053]所述衬底的材料为蓝宝石或碳化硅；所述电流扩展导电层的材质为氧化铟或氧化锌。
[0054]制作本实施例的LED芯片1000片，用刮刀刮电极表面检查电极的粘附能力，发现有2片掉电极，掉电极比例为0.2% ;其光功率达到19.873mW，与现有的LED芯片产品(标号为MO)相比较，提高了 4.79%，详见附图7。
[0055]实施例2:
[0056]本实施例与实施例1的不同点在于:(1)所述P型电极6的形状不一样，具体是P型电极6的下端横截面为猫爪形状，将猫爪的分布进行分散，电极与ITO接触的地方离N电极距离较远，电流扩展距离变长；(2)猫爪背对N电极的位置，电流在ITO表面扩展距离被拉长。
[0057]其制备方法与实施例1相似，其产品结构详见图4。
[0058]制作本实施例的LED芯片1000片，用刮刀刮电极表面检查电极的粘附能力，发现有10片掉电极，掉电极比例为1.0%;其光功率达到19.666mW，与现有的LED芯片产品(标号为MO)相比较，提高了 3.70%，详见图7。
[0059]实施例3:
[0060]本实施例与实施例1的不同点在于:(I)所述P型电极6的形状不一样，具体为:与实施例2相比较，其猫爪较长，电极与ITO接触面积相对增加；(2)在垂直于所述轴线L的平面上，所述P型电极6压在所述电流扩展导电层9上的横截面积与所述P型电极6的横截面积的比值为0.2003:1 ；(3)猫爪方向朝向N电极方向。
[0061]其制备方法与实施例1相似，其产品结构详见图5。
[0062]制作本实施例的LED芯片1000片，用刮刀刮电极表面检查电极的粘附能力，发现有12片掉电极，掉电极比例为1.2%;其光功率达到19.500mW，与现有的LED芯片产品(标号为MO)相比较，提高了 2.82%，详见图7。
[0063]实施例4:
[0064]本实施例与实施例1的不同点在于:(I)所述P型电极6的形状不一样，本实施例P型电极6的形状采用圆柱形状；(2)在垂直于所述轴线L的平面上，所述P型电极6压在所述电流扩展导电层9上的横截面积与所述P型电极6的横截面积的比值为0.7262:1 ；(3)所述P电极6外环全部压在ITO表层上。
[0065]其制备方法与实施例1相似，其产品结构详见图6。
[0066]制作本实施例的LED芯片1000片，用刮刀刮电极表面检查电极的粘附能力，发现有50片掉电极，掉电极比例为5.0%;其光功率达到19.356mW，与现有的LED芯片产品(标号为MO)相比较，提高了 2.07%，详见图7。
[0067]对比实施例:
[0068]现有技术中的LED芯片详见图1，详情如下:在蓝宝石衬底上生长GaN外延层，夕卜延层厚度6-8 μ m，用ICP刻蚀机台刻蚀外延片露出台阶，刻蚀深度1.3-1.5 μ m为佳，用ITO蒸镀机台制作电流扩展导电层，用蒸镀机台制作P、N电极，P电极全部压在ITO表面，得到LED芯片产品，标号为MO。
[0069]制作1000片LED芯片，用刮刀刮电极表面检查电极的粘附能力，发现有120片掉电极，掉电极比例为12% ;其光功率为18.965mW，详见图7。
[0070]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种LED芯片，其特征在于:包括衬底(I)、缓冲层(2)、n-GaN层(3)、多量子阱层(4)、p-GaN层(5)、P型电极(6)以及N型电极(7)； 所述衬底(I)、缓冲层(2)、n-GaN层(3)、多量子阱层(4)以及ρ-GaN层(5)形成凸形台面(8)； 所述凸形台面(8)的上表面上同轴心设有电流扩展导电层(9)，所述电流扩展导电层(9)上设有贯穿其上表面和下表面的通孔(91)； 所述N型电极(7)的下端设置在所述凸形台面(8)的上表面上； 所述P型电极(6)的下端一部分贯穿所述通孔(91)设置在p-GaN层(5)的上表面上，另一部分设置在所述电流扩展导电层(9)的上表面上；在垂直于所述凸形台面(8)的轴线(L)的平面上，所述P型电极(6)压在所述电流扩展导电层(9)上的横截面积与所述P型电极(6)的横截面积的比值为0.01-0.95:1。
2.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于:所述P型电极(6)设置在p-GaN层(5)上表面上的一侧到所述N型电极(7)的最小垂直距离大于所述P型电极(6)设置在所述电流扩展导电层(9)上表面上的一侧到所述N型电极(7)的最小垂直距离。
3.根据权利要求1所述的LED芯片，其特征在于:所述P型电极(6)的形状为方形柱体或弧形柱体；所述通孔(91)为方形通孔或弧形通孔。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的LED芯片，其特征在于:所述电流扩展导电层(9)的下表面到所述凸形台面(8)上表面的最大垂直距离为1-2 μ m，其侧面到所述凸形台面(8)的侧面的垂直距离为15-35 μ m。
5.根据权利要求4所述的LED芯片，其特征在于:在垂直于所述轴线(L)的平面上，所述P型电极(6)压在所述电流扩展导电层(9)上的横截面积与所述P型电极(6)的横截面积的比值为0.1082:1。
6.根据权利要求4所述的LED芯片，其特征在于:在垂直于所述轴线(L)的平面上，所述P型电极(6)压在所述电流扩展导电层(9)上的横截面积与所述P型电极(6)的横截面积的比值为0.2003:1。
7.根据权利要求4所述的LED芯片，其特征在于:在垂直于所述轴线(L)的平面上，所述P型电极(6)压在所述电流扩展导电层(9)上的横截面积与所述P型电极(6)的横截面积的比值为0.7262:1。
8.—种LED芯片的制作方法，其特征在于:包括以下步骤: 第一步:制作凸形台面(8)，具体为:在衬底(I)上沉积缓冲层(2)，在缓冲层(2)上生长n-GaN层(3)，在η-GaN层(3)上生长多量子阱层(4)，在多量子阱层(4)上生长p-GaN层(5)，用干法刻蚀设备ICP刻蚀出台阶，形成凸形台面(8)； 第二步:沉积电流扩展导电层(9)，具体为:在所述凸形台面(8)的上表面上沉积电流扩展导电层(9)，再将所述电流扩展导电层(9)上开设贯穿其上表面和下表面的通孔(91)； 第三步:沉积P型电极(6)以及N型电极(7)，具体为:将N型电极(7)沉积在所述凸形台面⑶的上表面上，将P型电极(6)的下端一部分沉积在ρ-GaN层(5)的上表面上，另一部分沉积在所述电流扩展导电层(9)的上表面上。
9.根据权利要求8所述的LED芯片的制作方法，其特征在于:所述第一步中用干法刻蚀设备ICP刻蚀出台阶时:刻蚀深度为1-2 μ m，切割道的宽度为15-35 μ m ;所述电流扩展导电层(9)与所述凸形台面(8)同轴心设置。
10.根据权利要求8所述的LED芯片的制作方法，其特征在于:所述衬底(I)的材料为蓝宝石或碳化硅；所述电流扩展导电层(9)的材质为铟锡氧化物。
【文档编号】H01L33/20GK104362234SQ201410545143
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】许顺成, 艾国齐 申请人:湘能华磊光电股份有限公司