专利名称：一种发光二极管芯片结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管，尤其是指一种应用于发光二极管内的发光二极管芯片结构及 其制造方法。
背景技术：
LED是英文light emitting diode (发光二极管)的縮写，它的基本结构是一块电 致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内 部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半 导体组成的晶片，在P型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半 导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式 释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不 发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于 正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发 出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
作为环保节能的新一代绿色光源和照明技术，LED近年来得到快速发展。但是LED 尚存在散热不畅和出光率不高的问题，因为散热直接影响到LED的可靠性，进而影响到 其寿命及应用，而出光效率低则直接制约了 LED的发展。解决LED的散热问题目前采取 的方法主要是外加导热金属板或添加其他散热装置进行热量的疏导，而对于出光效率的提 高目前的主要办法是图形衬底技术、外延粗化技术和芯片封装技术的改进，而这些改进无 疑都对技术和工艺提出了更高的要求，生产成本也相应增加。
鉴于此，实有必要提供一种新型的提高散热率和出光率的发光二极管芯片结构及其 制造方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供良好散热结构设计和良好的电流分布以降低芯片 温度和提高出光效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
一种发光二极管芯片结构，其包括外延片及电极，所述为外延片从下至上依次包括衬 底、N层、发光层及P层，所述电极包括位于P层上的P电极及位于N层上的N电极；其特征在于所述外延片上设有若干穿透发光层及P层且使N层暴露的孔洞；所述孔洞 的侧壁与其底面形成45度至135度的夹角；所述孔洞的形状尺寸和密度在芯片的不同位 置有所不同。
作为本发明的优选技术方案之一，所述孔洞的横截面为圆形、椭圆或多边形。 作为本发明的优选技术方案之一，所述孔洞的横截面为圆形，其孔径范围限制在
0.01-500跳
本发明进一步包括该方法包括一种发光二极管芯片结构的制造方法，该方法包括以下
步骤
步骤一，在蓝宝石、硅或碳化硅衬底上外延生长成核层、缓冲层、N层、发光层及P
层；
步骤二，对外延结构清洗之后蒸镀透明电极结构；
步骤三，通过湿法腐蚀或千法刻蚀的方法在外延表面按照掩模板的设计进行刻蚀，刻 蚀深度达到发光层之下甚至可以穿过N层，刻蚀孔洞侧壁与底面的夹角为45度至135度； 步骤四，蒸镀N电极和P电极，最后蒸镀一层Si02保护层。
作为本发明的优选技术方案之一，在结合激光剥离技术的条件下，采用激光剥离之前 自P层向N层刻蚀，或者是激光剥离之后自N层向P层刻蚀到量子阱以下且穿过P层。
本发明的有益效果在于由于结构中的孔洞提供了更多的散热通道因此芯片的散热 问题得到了很好的解决，由于孔洞结构的存在电流的分布将会改变原来的走向而重新分布 进而提高了发光效率，结合孔洞结构尺寸、形状、侧壁倾角和布局的合理搭配使出光更加 均匀。孔洞结构的设计使发光面积增大，光线不仅可以从顶部发出还可以从侧壁方向发出。 孔洞结构的设计改变了光线在芯片中的走向，通过孔洞侧壁与底面角度的合理设计可以使 更多的光由全反射进入芯片内部变为从侧面射出，提高了发光效率。通过孔洞分布的设计 可以控制电流走向以设计出发光区域分散均匀的芯片。
此发光二极管芯片结构不仅可以用于一般的发光芯片设计，还可以特别用于大电流 的功率发光二极管芯片结构中。
图1是现有的发光二极管芯片结构示意图； 图2是本发明的发光二极管芯片结构示意图； 图3是本发明芯片立体结构示意图； 图4是本发明一种实施例的示意图；图5是本发明另一种实施例的示意图。
衬底 1 P层 4
N层 2 P电极 5
发光层 3 N电极 6
孔洞 具体实施例方式
本发明的内容、优点和目的将在下面实施例的说明中予以阐述。
在发光芯片的结构设计中，急需解决的两个问题是提供良好散热结构设计和良好的 电流分布以降低芯片温度和提高出光效率。本发明则通过一种巧妙的结构设计来同时解决 以上两个问题，在提供良好散热的前提下，给出了更多的出光面让光可以从侧面和顶面同 时发射出来。同时，由于在P层和N层均提供了良好的电流分布设计，因此电流的分布 也更加均匀合理。此种设计不仅可以用于一般的发光芯片设计而且特别适用于大电流的功 率型发光二极管芯片结构设计。
一种发光二极管芯片结构，其包括外延片及电极，所述为外延片从下至上依次包括 衬底l、 N层2、发光层3及P层4，所述电极包括位于P层4上的P电极5及位于N层 2上的N电极6;所述外延片上设有若干穿透发光层3及P层4且使N层5暴露的孔洞7。
孔洞7是在制备传统的电极结构之前，先在生长好的外延结构上用湿法腐蚀或干法 刻蚀的方法在外延结构进行局部开孔而成，以使N型氮化镓层(N层)露出。其具体的 刻蚀孔洞形状可以为各种形状，如六角状、圆形、椭圆、菱形或其他多边形。
开孔区域的侧壁与底面可以垂直也可以呈一定的角度，其具体角度范围在45度-135 度之间。刻蚀孔径尺寸为0.01um-500um，孔径的具体大小和分布根据芯片尺寸及散热要 求、功率大小等来确定。
开孔区刻蚀深度必须达到发光层3之下。
由于孔洞7提供了更多的散热通道因此芯片的散热问题得到了很好的解决，同时由 于孔洞结构的存在电流的分布将会改变原来的走向而重新分布进而提高了发光效率。
孔洞结构的设计使发光面积增大，光线不仅可以从顶部发出还可以从侧壁方向发出。
孔洞结构的设计改变了光线在芯片中的走向，通过孔洞侧壁与底面角度的合理设计 可以使更多的光由全反射进入芯片内部变为从侧面射出，提高了发光效率。
通过孔洞分布的设计可以控制电流走向以设计出发光区域分散均匀的芯片。此发光二极管芯片结构不仅可以用于一般的发光芯片设计，还可以特别用于大电流 的功率发光二极管芯片结构中。
首先对于生长发光结构的外延材料表面进行清洗，此外延结构材料自上而下分别包 括P层4、发光层3、 N层2和衬底层l。
然后在此外延结构材料表面蒸镀一层ITO或Ni/Au透明导电层并通过融合技术使接 触层形成良好的欧姆接触；
之后结合光刻和干法刻蚀技术在材料表面刻蚀出圆形的孔洞，刻蚀深度达到发光层以 下区域，刻蚀孔洞的侧壁与底面呈120度夹角。
然后刻蚀出P电极和N电极区域并在该区域蒸镀上P电极5和N电极6。
最后整个结构表面蒸镀一层Si02材料形成保护，再通过刻蚀技术把电极部分暴露出 来即形成最终的发光二极管芯片结构。
该实施例中是在实施例1的基础上，根据孔洞尺寸和布局的设计以使电流在整个结 构内均匀分布。如图所示的芯片A、 B和C部分,由于三部分孔洞的大小和疏密程度不同 致使从芯片的不同部位连接两个电极之间的通道的电阻值近似，最终导致通电时电流在整 个芯片内部分散均匀。
孔洞布局设计的原理如下由于相同的材料具有相同的体电阻，而芯片不同部分的 厚度相同，因此任何连接两电极之间的电流通道间的电阻值直接与该通道的表面积成正 比，设计孔洞布局以使任意连接两电极之间的有效面积接近即能达到电流均匀分散的目 的。因此通过平衡设计使A、 B、 C部分的有效面积值相近进而使电流在流经芯片时均匀 分布，整个芯片表面的发光状态均匀。由于不同区域的电阻值接近整体的散热也比较均匀， 所以有利于芯片寿命的改善。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉 本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理 应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领 域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围 之内。
权利要求
1、一种发光二极管芯片结构，其包括外延片及电极，所述为外延片从下至上依次包括衬底、N层、发光层及P层，所述电极包括位于P层上的P电极及位于N层上的N电极；其特征在于所述外延片上设有若干穿透发光层及P层且使N层暴露的孔洞；所述孔洞的侧壁与其底面形成45度至135度的夹角；所述孔洞的形状尺寸和密度在芯片的不同位置有所不同。
2、 如权利要求1所述的发光二极管芯片结构，其特征在于所述孔洞的横截面为圆形、 椭圆或多边形。
3、 如权利要求1所述的发光二极管芯片结构，其特征在于所述孔洞的横截面为圆形，其孔径范围限制在0.01-500um。
4、 如权利要求1所述的发光二极管芯片结构的制造方法，其特征在于该方法包括以下 步骤步骤一，在蓝宝石、硅或碳化硅衬底上外延生长成核层、缓冲层、N层、发光层及P层； 步骤二，对外延结构清洗之后蒸镀透明电极结构；步骤三，通过湿法腐蚀或干法刻蚀的方法在外延表面按照掩模板的设计进行刻蚀，刻蚀深 度达到发光层之下甚至可以穿过N层，刻蚀孔洞侧壁与底面的夹角为45度至135度；所 述孔洞的形状尺寸和密度在芯片的不同位置有所不同；步骤四，蒸镀N电极和P电极，最后蒸镀一层Si02保护层。
5、 如权利要求4所述的发光二极管芯片结构的制造方法，其特征在于在结合激光剥离技术的条件下，采用激光剥离之前自P层向N层刻蚀，或者是激光剥离之后自N层向P层刻蚀到量子阱以下且穿过p层。
全文摘要
本发明提供一种发光二极管芯片结构及其制造方法，在制备传统的电极结构之前，先在生长好的外延结构上用湿法腐蚀或干法刻蚀的方法在外延结构进行局部开孔，以使N型氮化镓层露出，同时根据散热和电流分散的要求合理安排孔径的尺寸和布局。该技术方案在提供良好散热的前提下，给出了更多的出光面让光可以从侧面和顶面同时发射出来。同时，由于提供了良好的电流分布设计，因此电流的分布也更加均匀合理。此种设计不仅可以用于一般的发光芯片设计而且特别适用于大电流的功率型发光二极管芯片结构设计；本发明所提及的技术从根本上对于散热和发光效率进行了改进，改进所需的工艺方法简单高效，并且不需要额外的工艺设备和材料。
文档编号H01L33/00GK101488547SQ200810204989
公开日2009年7月22日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者刘善鹏, 淼 李, 郝茂盛, 颜建锋 申请人:上海蓝光科技有限公司;彩虹集团公司