一种LED芯片、LED芯片的绝缘反射层及其制备方法与流程

本发明涉及半导体发光器件技术领域，具体涉及一种led芯片、led芯片的绝缘反射层及其制备方法。

背景技术：

led芯片的外延层生长过程中，存在一定的缺陷，如果缺陷处直接与金属电极相连，容易造成整个外延层短路而失效，为了降低成本，提高产品良率，需要在外延层和背电极之间使用绝缘反射层。

绝缘反射层的设置能有效降低金属电极与外延层缺陷接触的概率，同时为了金属电极层与外延层导通，绝缘反射层设有导电通孔，导电通孔内设有导电材料以在金属电极和外延层之间导电，现有技术中的导电通孔均为直筒型结构，若导电通孔的孔径太小，则导电材料的内阻增大，若导电通孔的孔径太大，则金属电极与外延层接触面积增大，产品良率降低。

另外，光疗仪对光照剂量的要求比较严格，并且贴近皮肤使用，外延层的缺陷和led芯片的内阻增长都会降低光照剂量，为了提高光照剂量就只能加大电流或者增多单位面积内led的数量，导致光疗仪表面温度过高，甚至会出现皮肤烫伤的风险，而影响光疗仪的正常使用。

因此，如何提供一种绝缘导电层，能够降低内阻、提高光照剂量并保证产品良率是本领域技术人员所需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种led芯片、led芯片的绝缘反射层及其制备方法，能够降低内阻、提高光照剂量、减少金属电极与外延层接触面积并保证产品良率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种led芯片的绝缘反射层，其包括绝缘层，所述绝缘层设有多个均匀间隔设置的导电通孔，各所述导电通孔内分别填充有导电材料；所述导电通孔包括大径端和小径端，且所述导电通孔沿其轴线由所述大径端向所述小径端渐缩。

可选地，各所述导电通孔的内壁均设有镜面反射层，且所述镜面反射层的反射面朝向所述导电通孔外设置。

可选地，所述导电材料为形成于所述导电通孔内的石墨烯或阵列碳纳米管。

可选地，所述导电通孔的截面为圆形，且所述大径端的直径为180μm-220μm，所述小径端的直径为80μm-120μm，相邻两个所述导电通孔的轴心之间的间距为200μm-220μm。

本发明还提供了一种led芯片，其包括外延层、金属电极以及如上所述的绝缘反射层，所述绝缘反射层夹设于所述外延层和所述金属电极之间，且所述绝缘反射层的导电通孔的大径端朝向所述金属电极的一侧设置。

本发明还提供了一种led芯片的绝缘反射层的制备方法，其包括如下步骤：

s1：在外延层上沉积绝缘层；

s2：在所述绝缘层的表面旋涂光刻胶层，并放置掩膜版，光透过掩膜版均匀照射至所述光刻胶层，并在所述光刻胶层形成交联区和未交联区；

s3：清理位于所述未交联区的光刻胶；

s4：采用等离子体对所述未交联区的绝缘层进行等离子体刻蚀以形成导电通孔，所述导电通孔包括大径端和小径端，所述导电通孔沿其轴线由所述大径端向所述小径端渐缩；

s5：在所述导电通孔内填充导电材料。

可选地，在步骤s4和步骤s5之间还包括步骤s41：在导电通孔内壁蒸镀镜面银以形成镜面反射层，所述镜面反射层的反射面朝向所述导电通孔外设置。

可选地，在步骤s41和步骤s5之间还包括步骤s42：抛光所述导电通孔的内壁。

可选地，所述步骤s5中在所述导电通孔内填充导电材料包括：

s51：在所述导电通孔内沉积纳米级金属催化剂；

s52：以氢氩混合气为载气，二甲苯为碳源，800℃进行阵列碳纳米管生长，生长时间5s-10s，碳纳米管的长度为150nm-250nm，直径为20nm-50nm；

或者，

以氢氩混合气为载气，甲烷为碳源，在1050℃环境下进行石墨烯生长，生长时间为5s-10s，所述石墨烯的片径尺寸为100mm-500nm。

可选地，在步骤s1之前还包括步骤s0：清洗所述外延层，将所述外延层的正面朝上并烘干。

本发明相较于现有技术的有效果为：

当导电通孔朝向外延层的一端的截面积相同时，本发明所提供的具有变径结构的导电通孔的电阻(导电材料的电阻)要小于直筒结构的导电通孔的电阻，如此一来，在保证具有相同导电性能的情况下，本发明所提供的具有变径结构的导电通孔能够减小朝向外延层一端(小径端)的截面积，从而减少金属电极与外延层之间的接触面积，降低由于外延层的缺陷与金属电极相连而造成短路失效情况的概率，保证产品良率；

另外，由于内阻减小，可提升单个led芯片的光照剂量，以光疗仪为例，由于光疗仪对光照剂量的要求比较严格，并且贴近皮肤使用，设置有本实施例所提供的led芯片的光疗仪，在保证具有相同光照剂量的情况下，可降低单位面积内的led芯片的数量，并且无需加大电流，避免光疗仪表面温度过高导致皮肤烫伤的风险；

绝缘反射层的反射界面包括绝缘层的两侧端面以及设于各导电通孔侧壁的镜面反射层的反射面，结合导电通孔变径结构的设置，可使该绝缘反射层形成odr反射结构(omnidirectionalreflector，全方位反射镜结构)，同时，由于绝缘层(半导体)的折射率和外延层的折射率相差比较大，有利于在二者之间的界面处发生全反射；

当光线照射在绝缘层朝向金属电极一侧的表面后，部分光子能够在此表面发生反射，而折射至绝缘层内的光子部分在绝缘层朝向外延层一侧的端面发生反射，部分将会在导电通孔侧壁的反射面处发生反射至另一个导电通孔侧壁的反射面，由于变径结构的设计，可使得折射至绝缘层内的光子在经过多次反射面的反射后被进一步反射至绝缘层外朝向金属电极的一侧，从而可以有效减少光损失。

附图说明

图1是现有技术中的绝缘反射层的剖视图；

图2是图1中导电通孔的结构示意图；

图3是本发明实施例所提供的led芯片的剖视图；

图4是图3中绝缘反射层的剖视图；

图5是图4中导电通孔的结构示意图；

图6是本发明实施例所提供的led芯片的绝缘反射层的制备方法的流程框图；

图7是led芯片的绝缘反射层的制备方法的详细流程框图。

附图1-7中，附图标记说明如下：

01-绝缘层；02-导电通孔；

10-绝缘反射层；20-外延层；30-金属电极；

1-绝缘层；

2-导电通孔，21-大径端，22-小径端；

3-镜面反射层。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明实施例提供了一种led芯片、led芯片的绝缘反射层及其制造方法，其中，如图3所示，led芯片包括依次设置的外延层20、绝缘反射层10和金属电极30，具体的，如图4所示，绝缘反射层10包括绝缘层1，该绝缘层1设有多个均匀间隔设置的导电通孔2，各导电通孔2内分别填充有导电材料，该导电通孔2包括大径端21和小径端22，并且导电通孔2沿其轴线由大径端21向小径端22渐缩，也就是说，该导电通孔2的内壁呈锥面结构，并且该绝缘反射层10的导电通孔2的大径端21朝向金属电极30的一侧设置，小径端22都朝向外延层20的一侧设置。

也就是说，本实施例所提供的绝缘反射层10的导电通孔2并非直筒结构，而是由大径端21向小径端22渐缩的锥面结构，这一设计相较于现有技术中的直筒型结构的导电通孔2来说可有效减小电阻，参考图2所示的现有技术的圆筒形结构的导电通孔02，该导电通孔02内导电材料的电阻r1＝ρl/(πa²)，其中，ρ是指导电通孔02内部的导电材料的电阻率，l是指导电通孔02的轴向长度，a是指导电通孔02的半径；参考图5所示的本实施例所提供的具有变径结构的导电通孔2，该导电通孔2内导电材料的电阻r2＝ρl/(πa*b)，其中，a是指导电通孔2小径端22的半径，b是指导电通孔2大径端21的半径。如果大径端21的半径b是小径端22的半径a的两倍即当b＝2a时，r2＝0.5r1。

由此可知，当导电通孔2朝向外延层20的一端的截面积相同时，本实施例所提供的具有变径结构的导电通孔2的电阻(导电材料的电阻)要小于直筒结构的导电通孔02的电阻，如此一来，在保证具有相同导电性能的情况下，本实施例所提供的具有变径结构的导电通孔2能够减小朝向外延层20一端(小径端22)的截面积，从而减少金属电极30与外延层20之间的接触面积，降低由于外延层20的缺陷与金属电极30相连而造成短路失效情况的概率。

另外，由于内阻减小，可提升单个led芯片的光照剂量，以光疗仪为例，由于光疗仪对光照剂量的要求比较严格，并且贴近皮肤使用，设置有本实施例所提供的led芯片的光疗仪，在保证具有相同光照剂量的情况下，可降低单位面积内的led芯片的数量，并且无需加大电流，避免光疗仪表面温度过高导致皮肤烫伤的风险。在上述实施例中，绝缘层1为透光材质，各导电通孔2的内壁均设有镜面反射层3，镜面反射层3的反射面朝向导电通孔2外(即朝向绝缘层1)的一侧设置，具体参考图4，箭头表示光线路径，可以看出，本实施例所提供的绝缘反射层的反射界面包括绝缘层1的两侧端面以及设于各导电通孔2侧壁的镜面反射层3的反射面，结合导电通孔2变径结构的设置，可使该绝缘反射层10形成odr反射结构(omnidirectionalreflector，全方位反射镜结构)，同时，由于绝缘层1(半导体)的折射率和外延层20的折射率相差比较大，有利于在二者之间的界面处发生全反射。

当光线照射在绝缘层1朝向金属电极30一侧的表面后，部分光子能够在此表面发生反射，而折射至绝缘层1内的光子部分在绝缘层1朝向外延层20一侧的端面发生反射，部分将会在导电通孔2侧壁的反射面处发生反射至另一个导电通孔2侧壁的反射面，由于变径结构的设计，可使得折射至绝缘层1内的光子在经过多次反射面的反射后被进一步反射至绝缘层1外朝向金属电极30的一侧，从而可以有效减少光损失。

参考图1所示，现有技术中的绝缘反射层的导电通孔02为直筒型结构时，反射界面只有绝缘层01的两侧端面，光线照射在绝缘层01表面后，部分发生反射，部分折射至绝缘层01内，而折射部分的光线若达到绝缘层01的另一侧端面则会发生部分反射，而折射部分的光线若达到导电通孔2的侧壁，则不会发生反射，从而产生光损失。

很显然，本实施例所提供的绝缘反射层10能够有效减少光损失，设置有本实施例所提供的绝缘反射层10的led芯片，能够进一步保证单个led芯片的光照剂量，使得在保证总体光照剂量的情况下，降低对电流的要求以及单位面积内的led芯片的数量要求，进而简化整体结构、降低成本。

在上述实施例中，导电材料为形成于导电通孔2内的石墨烯或阵列碳纳米管，当然，本实施例中，也可以将导电材料设置为普通的导电金属(如铜等)，而石墨烯和阵列碳纳米管相较于普通的导电金属来说，导电性能更好，如此可降低导电材料的内阻，并且在具有相同的导电性的条件下，可将导电通孔2的孔径设置更小，从而可进一步减少金属电极30和外延层20之间的接触面积。并且，由于石墨烯和阵列碳纳米管在能够起到较好的导电效果的同时，不会发生分子以为扩散至外延层20的情况，避免由于金属扩散至外延层20内造成外延层20缺陷，从而保证led芯片的良率。

本实施例中，石墨烯或阵列碳纳米管均是形成于导电通孔2内，具体的，可以是导电材料填满导电通孔2，也可以是导电材料设于靠近外延层20的小径端22，金属电极30的部分位于导电通孔2的大径端21均可，在实现导电性能的同时，能够避免金属电极30与外延层20接触，从而避免外延层20缺陷、提升产品良率。

在上述实施例中，导电通孔2的截面呈圆形、三角形、方形或菱形，或者还可以呈多边形(如五边形、六边形)或不规则形状均可，对于导电通孔2的设置较为灵活，在此不作具体限制。本实施例中的导电通孔2的截面呈圆形，便于加工，并且导电通孔2的大径端21的直径为180μm-220μm，导电通孔2的小径端22的直径为80μm-120μm，如此设置，可在保证导电性能的同时，避免由于导电通孔2的内径太大影响led芯片的良率。

更进一步的，相邻两个导电通孔2的轴心之间的间距为200μm-220μm，如此设置，能够保证良好的导电性能的同时，减少外延层20和金属电极30之间的接触面积。

在上述实施例中，绝缘层1的材质包括sin和sio2，具体可以是如下比例sin：sio2＝18:1，sin：sio2＝18:3或sin：sio2＝18:5等均可，当然，该绝缘层1也可以是其它绝缘、透光的材质均可。

在上述实施例中，绝缘层1的厚度为200nm-400nm，可在避免金属电极30与外延层20之间产生接触缺陷。

在上述实施例中，led芯片的外延层20包括依次沉积于衬底的gaas缓冲层、n型gaas欧姆接触层、n型gaas掺杂层、gaas量子阱层、p型gaas掺杂层、p型gaas欧姆接触层。

如图6所示，本发明实施例所提供的led芯片的绝缘反射层10的制备方法包括如下步骤：

s1：在外延层20上沉积绝缘层1；

s2：在绝缘层1的表面旋涂光刻胶层，并放置掩膜版，光透过掩膜版均匀照射至光刻胶层，并在光刻胶层形成交联区和未交联区；

s3：清理位于未交联区的光刻胶；

s4：采用等离子体对未交联区的绝缘层1进行等离子体刻蚀以形成导电通孔2，导电通孔2包括大径端21和小径端22，导电通孔2沿其轴线由大径端21向小径端22渐缩；

s5：在所述导电通孔2内填充导电材料。

详细的讲，步骤s1在外延层20上沉积绝缘层1后，步骤s2在绝缘层1的表面旋涂光刻胶层，并在光刻胶层的表面放置掩膜版，该掩膜版设有预设图案，部分区域透光、部分区域不透光，光照掩膜版后，能够在光刻胶层与透光区域对应的位置形成交联区，并在光刻胶层与不透光区域对应的位置形成未交联区，然后在步骤s3中，将未交联区的光刻胶清理，具体可通过与光刻胶反应的溶液将未交联区的光刻胶清洗掉即可。然后在步骤s4中，对未交联区处的绝缘层1通过等离子体刻蚀以形成导电通孔2，该导电通孔2是沿其轴向由大径端21向小径端22渐缩的变径结构。具体的，导电通孔2的大径端21朝向led芯片的金属电极30的一侧，小径端22朝向led芯片的外延层20的一侧，导电材料位于导电通孔2内并能够在外延层20和金属电极30之间导电。

通过本上述制备方法制备的绝缘反射层10的导电通孔2并非直筒结构，而是由大径端21向小径端22渐缩的锥面结构，这一设计相较于现有技术中的直筒型结构的导电通孔2来说可有效减小电阻，参考图2所示的现有技术的圆筒形结构的导电通孔02，该导电通孔02内导电材料的电阻r1＝ρl/(πa²)，其中，ρ是指导电通孔02内部的导电材料的电阻率，l是指导电通孔02的轴向长度，a是指导电通孔02的半径；参考图5所示的本实施例所提供的具有变径结构的导电通孔2，该导电通孔2内导电材料的电阻r2＝ρl/(πa*b)，其中，a是指导电通孔2小径端22的半径，b是指导电通孔2大径端21的半径。如果大径端21的半径b是小径端22的半径a的两倍即当b＝2a时，r2＝0.5r1。

由此可知，当导电通孔2朝向外延层20的一端的截面积相同时，本实施例所提供的具有变径结构的导电通孔2的电阻要小于直筒结构的导电通孔02的电阻，如此一来，在保证具有相同导电性能的情况下，本实施例所提供的具有变径结构的导电通孔2能够减小朝向外延层20一端(小径端22)的截面积，从而减少金属电极30与外延层20之间的接触面积，降低由于外延层20的缺陷与金属电极30相连而造成短路失效情况的概率。

另外，由于内阻减小，可提升单个led芯片的光照剂量，以光疗仪为例，由于光疗仪对光照剂量的要求比较严格，并且贴近皮肤使用，设置有本实施例所提供的led芯片的光疗仪，在保证具有相同光照剂量的情况下，可降低单位面积内的led芯片的数量，并且无需加大电流，避免光疗仪表面温度过高导致皮肤烫伤的风险。

在上述实施例中，如图7所示，在步骤s4和步骤s5之间还包括步骤s41：在导电通孔2内壁蒸镀镜面银以形成镜面反射层3，该镜面反射层3的反射面朝向导电通孔2外设置。具体参考图4，箭头表示光线路径，可以看出，本实施例所提供的绝缘反射层的反射界面包括绝缘层1的两侧端面以及设于各导电通孔2侧壁的镜面反射层3的反射面，结合导电通孔2变径结构的设置，可使该绝缘反射层10形成odr反射结构，同时，由于绝缘层1(半导体)的折射率和外延层20的折射率相差比较大，有利于在二者之间的界面处发生全反射。

当光线照射在绝缘层1朝向金属电极30一侧的表面后，部分光子能够在此表面发生反射，而折射至绝缘层1内的光子部分在绝缘层1朝向外延层20一侧的端面发生反射，部分将会在导电通孔2侧壁的反射面处发生反射至另一个导电通孔2侧壁的反射面，由于变径结构的设计，可使得折射至绝缘层1内的光子在经过多次反射面的反射后被进一步反射至绝缘层1外朝向金属电极30的一侧，从而可以有效减少光损失。

参考图1所示，现有技术中的绝缘反射层的导电通孔02为直筒型结构时，反射界面只有绝缘层01的两侧端面，光线照射在绝缘层01表面后，部分发生反射，部分折射至绝缘层01内，而折射部分的光线若达到绝缘层01的另一侧端面则会发生部分反射，而折射部分的光线若达到导电通孔2的侧壁，则不会发生反射，从而产生光损失。

很显然，本实施例所提供的绝缘反射层10能够有效减少光损失，设置有本实施例所提供的绝缘反射层10的led芯片能够进一步保证单个led芯片的光照剂量，从而在保证总体光照剂量的情况下，降低对电流的要求以及单位面积内的led芯片的数量要求，进而简化整体结构、降低成本。

进一步的，如图7所示，在步骤s41和步骤s5之间还包括步骤s42：抛光导电通孔2的内壁，具体可通过hcl溶液对导电通孔2的内壁进行抛光即可，保证镜面反射层3的反射面平整，进而保证其反射效果。

在上述实施例中，步骤s5中所述的在导电通孔2内填充导电材料包括以下两种情况：

第一种情况是导电材料为阵列碳纳米管，此时步骤s5具体包括：

s51：在导电通孔2内沉积纳米级金属催化剂；

s52：以氢氩混合气为载气，二甲苯为碳源，800℃进行阵列碳纳米管生长，生长时间5s-10s，碳纳米管的长度为150nm-250nm，直径为20nm-50nm；

第二种情况是导电材料为石墨烯，此时，步骤s5具体包括：

s51：在导电通孔2内沉积纳米级金属催化剂；

s52：以氢氩混合气为载气，甲烷为碳源，在1050℃环境下进行石墨烯生长，生长时间为5s-10s，石墨烯的片径尺寸为100mm-500nm。

也就是说，本实施例中的导电材料为原位生长于导电通孔2内壁的石墨烯和阵列碳纳米管，当然，本实施例中，也可以将导电材料设置为普通的导电金属(如铜等)，而石墨烯和阵列碳纳米管相较于普通的导电金属来说，导电性能更好，如此可降低导电材料的内阻，并且在具有相同的导电性的条件下，可将导电通孔2的孔径设置更小，从而可进一步减少金属电极30和外延层20之间的接触面积。并且，由于石墨烯和阵列碳纳米管在能够起到较好的导电效果的同时，不会发生分子以为扩散至外延层20的情况，避免由于金属扩散至外延层20内造成外延层20缺陷，从而保证led芯片的良率。

本实施例中，石墨烯或阵列碳纳米管均是形成于导电通孔2内，具体的，可以是导电材料填满导电通孔2，也可以是导电材料设于靠近外延层20的小径端22，金属电极30的部分位于导电通孔2的大径端21均可，在实现导电性能的同时，能够避免金属电极30与外延层20接触，从而避免外延层20缺陷、提升产品良率。

在上述实施例中，纳米级金属催化剂的厚度为1nm-10nm，保证其催化效果，该金属催化剂铺设于导电通孔2内，具体位于导电通孔2的内壁以及底壁(外延层20的表面)，该纳米级金属催化剂不仅有利于原位生长高导电性的石墨烯和阵列碳纳米管的生长，而且有利于控制导电材料的大小，对于该金属催化剂的种类不做限制，如当导电材料为阵列碳纳米管时，催化剂可以选用铁，当导电材料为石墨烯时，催化剂可以选用镍。另外，当导电材料为石墨烯时，可重复步骤52的生成工艺使其具有一定的厚度(具体厚度不做限定，可根据实际情况进行设置)。

在上述实施例中，在步骤s1之前还包括步骤s0：将沉积有外延层20的衬底放入10％的nh4oh溶液中清洗，再用去离子水中超声清洗，将上述沉积有外延层20的衬底正面朝上，充分烘干。也就是说，在制备绝缘反射层10之前，先将外延层20的表面进行清理和烘干，避免外延层20表面的杂质导影响产品的良率。

另外，外延层20的制备是通过mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备在衬底上依次沉积gaas缓冲层、n型gaas欧姆接触层、n型gaas掺杂层、gaas吸收层、p型gaas掺杂层和p型gaas欧姆接触层，并在冷却至室温后从化学气相沉积设备中取出。金属电极30的制备是在上述步骤s5之后，采用pvd(physicalvapordeposition，物理气相沉积方法)在绝缘层1小径端22的一侧面蒸镀金属电极30。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。