專利名稱：Led芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種LED芯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是半導體照明技術(shù)的核心，其發(fā)光是由pn結(jié)在注入高密度電流時的電子和空穴復合而產(chǎn)生的。簡單的同質(zhì)結(jié)構(gòu)Pn結(jié)不易得到高效率，因為pn結(jié)材料間的折射率之差低，光的閾值也低。雙異質(zhì)結(jié)可以提高效率，Pn結(jié)材料與有源層材料不同，帶隙較高，可以得到較高的折射率之差，所輻射的光不但強而且半高寬較窄。目前，LED的有源層都采用了量子阱結(jié)構(gòu)，其厚度減小到與德布羅意波長相近時，量子效應(yīng)顯現(xiàn)，其帶隙不連續(xù)。同時，量子阱材料可以改變晶格不匹配以產(chǎn)生壓縮性或者伸張性應(yīng)變，這些應(yīng)變可以改變波長并減少臨界電流。
高功率GaN基白光LED的管芯是采用由禁帶寬度不同的異質(zhì)結(jié)材料制成的，其中折射率高的窄禁帶材料作有源區(qū)，折射率寬禁帶材料作限制層。典型的GaN基藍光LED芯片，底層為具有高濃度自由電子的材料(摻Si的n型GaN)，然后生長多個具有起伏的較小帶隙的量子講薄層材料(l_30nm厚的InGaN/GaN),較小帶隙的(InGaN)夾在較大帶隙材料(GaN)之間，形成的量子阱實現(xiàn)電子和空穴的空間分離，在阱區(qū)形成有效的復合發(fā)光，發(fā)光波長對應(yīng)較小的帶隙材料(InGaN)。在有源層之上，生長高空穴濃度的材料(摻Mg的p型GaN)。正是異質(zhì)結(jié)的這種帶隙差和折射率差，實現(xiàn)了幾乎完全的載流子和光的限制，非常有效地提高了載流子的注入效率、電子-空穴對的濃度和發(fā)光效率。要增加光取出效率，首先要增加內(nèi)部量子效率，即產(chǎn)生的光子與進入pn結(jié)內(nèi)的載流子之比，同時也要有高的外部量子效率，即產(chǎn)生的發(fā)光光子數(shù)目與穿越pn結(jié)的載流子數(shù)目之比。外部量子效率比內(nèi)部量子效率低，原因之一是有些光在材料表面福射之前被吸收，而且光到達表面時只有低于臨界角的光才能輻射，因此需要改進內(nèi)部結(jié)構(gòu)以利于電流分布以及減少光吸收。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實施例提供一種LED芯片及其制備方法，以使LED芯片電流分布更均勻，并提聞光效。一方面，本發(fā)明實施例提供了一種LED芯片，所述LED芯片包括—導電載片，用于作為所述LED芯片的金屬襯底；一 N型接觸電極，位于所述導電載片之上；一 Ag基底層，位于所述N型接觸電極之上；一 P型接觸電極，位于所述Ag基底層之上的一開槽中；— P型GaN基半導體層,位于所述Ag基底層之上；一 N型GaN基半導體層，位于所述P型GaN基半導體層之上，所述N型接觸電極通過所述P型GaN基半導體層的貫通孔與所述N型GaN基半導體層電氣連接?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述LED芯片還可以包括一絕緣層，覆蓋所述N型接觸電極，以隔絕所述N型接觸電極與所述Ag基底層及其上的所述P型接觸電極相接觸?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述N型GaN基半導體層位于發(fā)光表面的一側(cè)可以為粗糙的表面。可選的，在本發(fā)明一實施例中，所述導電載片的材質(zhì)可以包括如下的一種或者多種銅及其合金、Si、AlN?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述貫通孔可以為多個。另一方面，本發(fā)明實施例提供了一種LED芯片的制備方法，所述方法包括于一 GaN基LED外延片上的P型GaN基半導體層表面制作一 Ag基底層；于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層； 制作一 N型接觸電極，使所述N型接觸電極通過所述P型GaN基半導體層的貫通孔與所述N型GaN基半導體層電氣連接；采用激光剝離藍寶石GaN襯底后，將所述GaN基LED外延片倒置于一導電載片上；于所述Ag基底層之上制作一開槽，并于所述開槽中制作一 P型接觸電極，以制作一 LED芯片。可選的，在本發(fā)明一實施例中，所述方法還可以包括于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層后，制作一絕緣層覆蓋所述Ag基底層和所述貫通孔的側(cè)壁?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述方法還可以包括于所述Ag基底層之上制作一開槽，并于所述開槽中制作一 P型接觸電極后，對所述N型GaN基半導體層位于發(fā)光表面的一側(cè)的表面進行表面粗化處理?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述將所述GaN基LED外延片倒置于一導電載片上，可以包括采用機械鍵合或電鍍的方式，將所述GaN基LED外延片倒置于一導電載片上?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層，可以包括于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕多個貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層。上述技術(shù)方案具有如下有益效果因為采用激光剝離藍寶石GaN襯底技術(shù)，將發(fā)光外延層轉(zhuǎn)移到導電和導熱性能良好的金屬襯底上，制作垂直結(jié)構(gòu)的GaN基白光LED芯片。N型接觸電極通過P型GaN基半導體層貫通孔與N型GaN類半導體層電氣連接。為了避免N型接觸電極與P型接觸電極以及起到光反射層作用的Ag基底層發(fā)生短路，在兩電極間設(shè)有絕緣層。該結(jié)構(gòu)使LED芯片電流分布更均勻，可有效提高光效和改善散熱。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本發(fā)明實施例一種LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明實施例一種LED芯片的制備方法流程示意圖；圖3為本發(fā)明實施例基于圖形襯底的橫向外延過生長示意圖；圖4為本發(fā)明實施例N型接觸電極通孔技術(shù)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例器件發(fā)光面的粗化示意圖；圖6A-圖6E為本發(fā)明實施例N電極通孔結(jié)構(gòu)白光LED制作工藝過程示意圖。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全 部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。如圖I所示,為本發(fā)明實施例一種LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖,所述LED芯片包括—導電載片，用于作為所述LED芯片的金屬襯底；一 N型接觸電極(可簡稱N電極)，位于所述導電載片之上；一 Ag基底層(又簡稱Ag反射鏡)，位于所述N型接觸電極之上；一 P型接觸電極(可簡稱P電極)，位于所述Ag基底層之上的一開槽中；一 P型GaN基半導體層(可簡稱P-GaN)，位于所述Ag基底層之上；一 N型GaN基半導體層(可簡稱N-GaN)，位于所述P型GaN基半導體層之上，所述N型接觸電極通過所述P型GaN基半導體層的貫通孔與所述N型GaN基半導體層電氣連接?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述LED芯片還可以包括一絕緣層，覆蓋所述N型接觸電極，以隔絕所述N型接觸電極與所述Ag基底層及其上的所述P型接觸電極相接觸。為了避免N型接觸電極與P型接觸電極以及起到光反射層作用的Ag基底層發(fā)生短路，在兩電極間設(shè)有絕緣層。可選的，在本發(fā)明一實施例中，所述N型GaN基半導體層位于發(fā)光表面的一側(cè)可以為粗糙的表面。該設(shè)計可增加光的取出效率?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述導電載片的材質(zhì)可以包括如下的一種或者多種銅及其合金、Si、AlN?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述貫通孔可以為多個。該設(shè)計可改善散熱。本發(fā)明實施例LED芯片結(jié)構(gòu)使LED芯片電流分布更均勻，可有效提高光效。如圖2所示，為本發(fā)明實施例一種LED芯片的制備方法流程示意圖，所述方法包括201、于一 GaN基LED外延片上的P型GaN基半導體層表面制作一 Ag基底層；202、于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層；203、制作一 N型接觸電極，使所述N型接觸電極通過所述P型GaN基半導體層的貫通孔與所述N型GaN基半導體層電氣連接；204、采用激光剝離藍寶石GaN襯底后，將所述GaN基LED外延片倒置于一導電載片上；
205、于所述Ag基底層之上制作一開槽，并于所述開槽中制作一 P型接觸電極，以制作一 LED芯片。可選的，在本發(fā)明一實施例中，所述方法還可以包括于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層后，制作一絕緣層覆蓋所述Ag基底層和所述貫通孔的側(cè)壁。可選的，在本發(fā)明一實施例中，所述方法還可以包括于所述Ag基底層之上制作一開槽，并于所述開槽中制作一 P型接觸電極后，對所述N型GaN基半導體層位于發(fā)光表面的一側(cè)的表面進行表面粗化處理?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述將所述GaN基LED外延片倒置于一導電載片上，可以包括采用機械鍵合或電鍍的方式，將所述GaN基LED外延片倒置于一導電載片上?？蛇x的，在本發(fā)明一實施例中，所述于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層，可以包括于所述Ag基 底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕多個貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層。上述技術(shù)方案具有如下有益效果因為采用激光剝離藍寶石GaN襯底技術(shù)，將發(fā)光外延層轉(zhuǎn)移到導電和導熱性能良好的金屬襯底上，制作垂直結(jié)構(gòu)的GaN基白光LED芯片。N型接觸電極通過P型GaN基半導體層貫通孔與N型GaN類半導體層電氣連接。為了避免N型接觸電極與P型接觸電極以及起到光反射層作用的Ag基底層發(fā)生短路，在兩電極間設(shè)有絕緣層。該結(jié)構(gòu)使LED芯片電流分布更均勻，可有效提高光效和改善散熱。如圖3所不,為本發(fā)明實施例基于圖形襯底的橫向外延過生長不意圖。利用有圖形的藍寶石襯底進行GaN的外延生長是獲得高質(zhì)量材料的有效方法，生長過程如圖3所示。先用兩步法生長一定厚度的GaN外延層；然后在外延層上進行SiN掩膜；用光刻工藝形成所需的窗口圖形；刻蝕出具有斜面的凹槽圖形襯底，要求一直至緩沖層以下的襯底；刻蝕好的圖形襯底重新進行生長，由于GaN既不能從凹槽底部直接生長，也不能從凸起的SiN掩膜層上直接生長，外延只能優(yōu)從一次外延的GaN側(cè)面向兩側(cè)生長。在這樣的生長模式下，位錯全部是水平延伸的，因此絕大部分位錯在水平方向相遇而湮滅。同時，晶體向兩側(cè)空間懸掛生長，處于更自由的生長狀態(tài)，可得到沿豎向延伸位錯密度極少的GaN材料。如圖4所示，為本發(fā)明實施例N型接觸電極通孔技術(shù)示意圖。采用激光剝離藍寶石GaN襯底技術(shù)，將發(fā)光外延層轉(zhuǎn)移到導電和導熱性能良好的金屬襯底上，制作垂直結(jié)構(gòu)的GaN基白光LED芯片。如圖4所示，N型接觸電極通過P型GaN基半導體層貫通孔與N型GaN類半導體層電氣連接。為了避免N型接觸電極與P型接觸電極以及起到光反射層作用的Ag基底層發(fā)生短路，在兩電極間設(shè)有絕緣層。該結(jié)構(gòu)使LED芯片電流分布更均勻，可在芯片表面內(nèi)使電壓均一施加到n型GaN半導體層，消除了電流密度局布較高的部分，因此可大幅減少光效的降低。驅(qū)動電流越增加、量子效率越下降的原因是俄歇復合。俄歇復合是一種不伴隨發(fā)光的非放射再結(jié)合，電流密度越高，則俄歇復合越會增加。該結(jié)構(gòu)可將電流密度降低到最小限度，因此可減少俄歇復合，減少量子效率的下降。因此，LED驅(qū)動電流每次增加時LED的量子效率都會下降的問題得以減輕。通孔工序還可以使LED芯片熱量更均勻，而不是集中在某一處，更有利于散熱，有效提高光效和改善散熱。同時，通過改進N型接觸電極的配置，獲得了較高的外部量子效率。N型接觸電極從表面移除，而植入到了 LED芯片內(nèi)部。這樣，當從LED芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光射向芯片外時就沒有了遮擋物，從而提高了光的取出效率。如圖5所示，為本發(fā)明實施例器件發(fā)光面的粗化示意圖。在常規(guī)的GaN LED外延片上制作一個無光刻的隨機Si02掩膜，通過控制MOCVD生長條件，二次外延可以形成可控尺度和密度的P-GaN微型小丘，此粗糙表面破壞了 LED的表面對稱性，從而提高出光效率。也可利用化學腐蝕的方法將表面粗糙化，由于異質(zhì)外延的GaN材料中存在大量的位錯密度，在用強酸、堿對材料進行濕法腐蝕時，腐蝕從位錯坑處開始，并將位錯坑加深、擴大，形成粗糙的表面，增加光的取出效率(如圖5所示)。如圖6A-圖6E所示，為本發(fā)明實施例N電極通孔結(jié)構(gòu)白光LED制作工藝過程示意圖。在GaN基LED外延片(如圖6A)上P型層表面制作Ag反射鏡(如圖6B)。在P型層Ag反射鏡表面刻蝕N電極通孔(如圖6C)，N型接觸電極通過P型GaN層貫通孔與N型GaN層電氣連接；為了避免N型接觸電極與P型接觸電極以及起到光反射層作用的Ag基底層發(fā)生短路，在兩電極間設(shè)有絕緣層，利用ALD技術(shù)沉積制作N型金屬電極(如圖6D)。采用激光剝離藍寶石GaN襯底技術(shù)，將發(fā)光外延層轉(zhuǎn)移到導電和導熱性能良好的金屬襯底上，制 作開槽P電極(如圖6E)，再進行表面粗化和鈍化。要增加光取出效率，首先要增加內(nèi)部量子效率，即產(chǎn)生的光子與進入pn結(jié)內(nèi)的載流子之比，同時也要有高的外部量子效率，即產(chǎn)生的發(fā)光光子數(shù)目與穿越pn結(jié)的載流子數(shù)目之比。外部量子效率比內(nèi)部量子效率低，原因之一是有些光在材料表面輻射之前被吸收，而且光到達表面時只有低于臨界角的光才能輻射，因此需要改進內(nèi)部結(jié)構(gòu)以利于電流分布以及減少光吸收。LED存在向電流密度越高，發(fā)光效率反而越低的現(xiàn)象，這是無法避免的。雖然這一現(xiàn)象無法消除，但卻可以減輕。傳統(tǒng)白光LED是在芯片表面設(shè)置n型接觸電極。具體來說，就是在芯片四端中的一端設(shè)置用于從外部進行電氣連接的焊盤，并使連接該焊盤的電極線(格柵)圍繞在芯片表面上，由此使電流流過整個芯片。而實際上電流并非均一流過芯片表面，在芯片表面上，越是接近焊盤及格柵之處，流過的電流就越大，因此出現(xiàn)了電流密度高的局部區(qū)域。這是因為，距離焊盤越遠，格柵布線電阻的影響就越大。隨著輸入芯片的電流加大，這一傾向會不斷增強，從而使發(fā)光效率的下降趨于明顯。本發(fā)明實施例采用激光剝離藍寶石GaN襯底技術(shù)，將發(fā)光外延層轉(zhuǎn)移到導電和導熱性能良好的金屬襯底上，制作垂直結(jié)構(gòu)的GaN基白光LED芯片。N型接觸電極通過P型GaN基半導體層貫通孔與N型GaN類半導體層電氣連接。為了避免N型接觸電極與P型接觸電極以及起到光反射層作用的Ag基底層發(fā)生短路，在兩電極間設(shè)有絕緣層。該結(jié)構(gòu)使LED芯片電流分布更均勻，可在芯片表面內(nèi)使電壓均一施加到n型GaN半導體層，消除了電流密度局布較高的部分，因此可大幅減少光效的降低。驅(qū)動電流越增加、量子效率越下降的原因是俄歇復合。俄歇復合是一種不伴隨發(fā)光的非放射再結(jié)合，電流密度越高，則俄歇復合越會增加。該結(jié)構(gòu)可將電流密度降低到最小限度，因此可減少俄歇復合，減少量子效率的下降。因此，LED驅(qū)動電流每次增加時LED的量子效率都會下降的問題得以減輕。通孔工序還可以使LED芯片熱量更均勻，而不是集中在某一處，更有利于散熱，有效提高光效和改善散熱。同時，通過改進n型接觸電極的配置，獲得了較高的外部量子效率。n型接觸電極從表面移除，而植入到了 LED芯片內(nèi)部。這樣，當從LED芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光射向芯片外時就沒有了遮擋物，從而提高了光的取出效率。為本發(fā)明實施例實現(xiàn)1301m/W以上的輸出光效奠定基礎(chǔ)。傳統(tǒng)平面結(jié)構(gòu)白光LED芯片與薄膜結(jié)構(gòu)芯片的技術(shù)特點比較見表I。
權(quán)利要求
1.ー種LED芯片，其特征在于，所述LED芯片包括 ー導電載片，用于作為所述LED芯片的金屬襯底； 一 N型接觸電極,位于所述導電載片之上； 一 Ag基底層，位于所述N型接觸電極之上； 一 P型接觸電極，位于所述Ag基底層之上的一開槽中； 一 P型GaN基半導體層,位于所述Ag基底層之上； 一 N型GaN基半導體層，位于所述P型GaN基半導體層之上，所述N型接觸電極通過所述P型GaN基半導體層的貫通孔與所述N型GaN基半導體層電氣連接。
2.如權(quán)利要求I所述LED芯片，其特征在于，所述LED芯片還包括 一絕緣層，覆蓋所述N型接觸電極，以隔絕所述N型接觸電極與所述Ag基底層及其上的所述P型接觸電極相接觸。
3.如權(quán)利要求I所述LED芯片，其特征在干，所述N型GaN基半導體層位于發(fā)光表面的ー側(cè)為粗糙的表面。
4.如權(quán)利要求I所述LED芯片，其特征在于，所述導電載片的材質(zhì)包括如下的一種或者多種銅及其合金、Si、AlN。
5.如權(quán)利要求I所述LED芯片，其特征在于，所述貫通孔為多個。
6.—種LED芯片的制備方法,其特征在于,所述方法包括 于ー GaN基LED外延片上的P型GaN基半導體層表面制作一 Ag基底層； 于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層； 制作一 N型接觸電極，使所述N型接觸電極通過所述P型GaN基半導體層的貫通孔與所述N型GaN基半導體層電氣連接； 采用激光剝離藍寶石GaN襯底后，將所述GaN基LED外延片倒置于ー導電載片上；于所述Ag基底層之上制作ー開槽，并于所述開槽中制作一 P型接觸電極，以制作一 LED芯片。
7.如權(quán)利要求6所述方法，其特征在于，所述方法還包括 于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層后，制作一絕緣層覆蓋所述Ag基底層和所述貫通孔的側(cè)壁。
8.如權(quán)利要求6所述方法，其特征在于，所述方法還包括 于所述Ag基底層之上制作一開槽，并于所述開槽中制作一 P型接觸電極后，對所述N型GaN基半導體層位于發(fā)光表面的ー側(cè)的表面進行表面粗化處理。
9.如權(quán)利要求6所述方法，其特征在于，所述將所述GaN基LED外延片倒置于ー導電載片上，包括 采用機械鍵合或電鍍的方式，將所述GaN基LED外延片倒置于ー導電載片上。
10.如權(quán)利要求6所述方法，其特征在于，所述于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層，包括 于所述Ag基底層和所述P型GaN基半導體層中刻蝕多個貫通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半導體層。
全文摘要
本發(fā)明實施例提供一種LED芯片及其制備方法，所述LED芯片包括一導電載片，用于作為所述LED芯片的金屬襯底；一N型接觸電極，位于所述導電載片之上；一Ag基底層，位于所述N型接觸電極之上；一P型接觸電極，位于所述Ag基底層之上的一開槽中；一P型GaN基半導體層，位于所述Ag基底層之上；一N型GaN基半導體層，位于所述P型GaN基半導體層之上，所述N型接觸電極通過所述P型GaN基半導體層的貫通孔與所述N型GaN基半導體層電氣連接。本發(fā)明實施例可以使LED芯片電流分布更均勻，并提高光效。
文檔編號H01L33/14GK102751431SQ20111009656
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者房力 申請人:北京地調(diào)科技發(fā)展有限公司