专利名称：Led芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种LED芯片及其制备方法。
背景技术：
发光二极管(LED)是半导体照明技术的核心，其发光是由pn结在注入高密度电流时的电子和空穴复合而产生的。简单的同质结构Pn结不易得到高效率，因为pn结材料间的折射率之差低，光的阈值也低。双异质结可以提高效率，Pn结材料与有源层材料不同，带隙较高，可以得到较高的折射率之差，所辐射的光不但强而且半高宽较窄。目前，LED的有源层都采用了量子阱结构，其厚度减小到与德布罗意波长相近时，量子效应显现，其带隙不连续。同时，量子阱材料可以改变晶格不匹配以产生压缩性或者伸张性应变，这些应变可以改变波长并减少临界电流。
高功率GaN基白光LED的管芯是采用由禁带宽度不同的异质结材料制成的，其中折射率高的窄禁带材料作有源区，折射率宽禁带材料作限制层。典型的GaN基蓝光LED芯片，底层为具有高浓度自由电子的材料(掺Si的n型GaN)，然后生长多个具有起伏的较小带隙的量子讲薄层材料(l_30nm厚的InGaN/GaN),较小带隙的(InGaN)夹在较大带隙材料(GaN)之间，形成的量子阱实现电子和空穴的空间分离，在阱区形成有效的复合发光，发光波长对应较小的带隙材料(InGaN)。在有源层之上，生长高空穴浓度的材料(掺Mg的p型GaN)。正是异质结的这种带隙差和折射率差，实现了几乎完全的载流子和光的限制，非常有效地提高了载流子的注入效率、电子-空穴对的浓度和发光效率。要增加光取出效率，首先要增加内部量子效率，即产生的光子与进入pn结内的载流子之比，同时也要有高的外部量子效率，即产生的发光光子数目与穿越pn结的载流子数目之比。外部量子效率比内部量子效率低，原因之一是有些光在材料表面福射之前被吸收，而且光到达表面时只有低于临界角的光才能辐射，因此需要改进内部结构以利于电流分布以及减少光吸收。
发明内容
本发明实施例提供一种LED芯片及其制备方法，以使LED芯片电流分布更均匀，并提闻光效。一方面，本发明实施例提供了一种LED芯片，所述LED芯片包括—导电载片，用于作为所述LED芯片的金属衬底；一 N型接触电极，位于所述导电载片之上；一 Ag基底层，位于所述N型接触电极之上；一 P型接触电极，位于所述Ag基底层之上的一开槽中；— P型GaN基半导体层,位于所述Ag基底层之上；一 N型GaN基半导体层，位于所述P型GaN基半导体层之上，所述N型接触电极通过所述P型GaN基半导体层的贯通孔与所述N型GaN基半导体层电气连接。可选的，在本发明一实施例中，所述LED芯片还可以包括一绝缘层，覆盖所述N型接触电极，以隔绝所述N型接触电极与所述Ag基底层及其上的所述P型接触电极相接触。可选的，在本发明一实施例中，所述N型GaN基半导体层位于发光表面的一侧可以为粗糙的表面。可选的，在本发明一实施例中，所述导电载片的材质可以包括如下的一种或者多种铜及其合金、Si、AlN。可选的，在本发明一实施例中，所述贯通孔可以为多个。另一方面，本发明实施例提供了一种LED芯片的制备方法，所述方法包括于一 GaN基LED外延片上的P型GaN基半导体层表面制作一 Ag基底层；于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层； 制作一 N型接触电极，使所述N型接触电极通过所述P型GaN基半导体层的贯通孔与所述N型GaN基半导体层电气连接；采用激光剥离蓝宝石GaN衬底后，将所述GaN基LED外延片倒置于一导电载片上；于所述Ag基底层之上制作一开槽，并于所述开槽中制作一 P型接触电极，以制作一 LED芯片。可选的，在本发明一实施例中，所述方法还可以包括于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层后，制作一绝缘层覆盖所述Ag基底层和所述贯通孔的侧壁。可选的，在本发明一实施例中，所述方法还可以包括于所述Ag基底层之上制作一开槽，并于所述开槽中制作一 P型接触电极后，对所述N型GaN基半导体层位于发光表面的一侧的表面进行表面粗化处理。可选的，在本发明一实施例中，所述将所述GaN基LED外延片倒置于一导电载片上，可以包括采用机械键合或电镀的方式，将所述GaN基LED外延片倒置于一导电载片上。可选的，在本发明一实施例中，所述于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层，可以包括于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀多个贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层。上述技术方案具有如下有益效果因为采用激光剥离蓝宝石GaN衬底技术，将发光外延层转移到导电和导热性能良好的金属衬底上，制作垂直结构的GaN基白光LED芯片。N型接触电极通过P型GaN基半导体层贯通孔与N型GaN类半导体层电气连接。为了避免N型接触电极与P型接触电极以及起到光反射层作用的Ag基底层发生短路，在两电极间设有绝缘层。该结构使LED芯片电流分布更均匀，可有效提高光效和改善散热。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为本发明实施例一种LED芯片结构示意图2为本发明实施例一种LED芯片的制备方法流程示意图；图3为本发明实施例基于图形衬底的横向外延过生长示意图；图4为本发明实施例N型接触电极通孔技术示意图；图5为本发明实施例器件发光面的粗化示意图；图6A-图6E为本发明实施例N电极通孔结构白光LED制作工艺过程示意图。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全 部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图I所示,为本发明实施例一种LED芯片结构示意图,所述LED芯片包括—导电载片，用于作为所述LED芯片的金属衬底；一 N型接触电极(可简称N电极)，位于所述导电载片之上；一 Ag基底层(又简称Ag反射镜)，位于所述N型接触电极之上；一 P型接触电极(可简称P电极)，位于所述Ag基底层之上的一开槽中；一 P型GaN基半导体层(可简称P-GaN)，位于所述Ag基底层之上；一 N型GaN基半导体层(可简称N-GaN)，位于所述P型GaN基半导体层之上，所述N型接触电极通过所述P型GaN基半导体层的贯通孔与所述N型GaN基半导体层电气连接。可选的，在本发明一实施例中，所述LED芯片还可以包括一绝缘层，覆盖所述N型接触电极，以隔绝所述N型接触电极与所述Ag基底层及其上的所述P型接触电极相接触。为了避免N型接触电极与P型接触电极以及起到光反射层作用的Ag基底层发生短路，在两电极间设有绝缘层。可选的，在本发明一实施例中，所述N型GaN基半导体层位于发光表面的一侧可以为粗糙的表面。该设计可增加光的取出效率。可选的，在本发明一实施例中，所述导电载片的材质可以包括如下的一种或者多种铜及其合金、Si、AlN。可选的，在本发明一实施例中，所述贯通孔可以为多个。该设计可改善散热。本发明实施例LED芯片结构使LED芯片电流分布更均匀，可有效提高光效。如图2所示，为本发明实施例一种LED芯片的制备方法流程示意图，所述方法包括201、于一 GaN基LED外延片上的P型GaN基半导体层表面制作一 Ag基底层；202、于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层；203、制作一 N型接触电极，使所述N型接触电极通过所述P型GaN基半导体层的贯通孔与所述N型GaN基半导体层电气连接；204、采用激光剥离蓝宝石GaN衬底后，将所述GaN基LED外延片倒置于一导电载片上；
205、于所述Ag基底层之上制作一开槽，并于所述开槽中制作一 P型接触电极，以制作一 LED芯片。可选的，在本发明一实施例中，所述方法还可以包括于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层后，制作一绝缘层覆盖所述Ag基底层和所述贯通孔的侧壁。可选的，在本发明一实施例中，所述方法还可以包括于所述Ag基底层之上制作一开槽，并于所述开槽中制作一 P型接触电极后，对所述N型GaN基半导体层位于发光表面的一侧的表面进行表面粗化处理。可选的，在本发明一实施例中，所述将所述GaN基LED外延片倒置于一导电载片上，可以包括采用机械键合或电镀的方式，将所述GaN基LED外延片倒置于一导电载片上。可选的，在本发明一实施例中，所述于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层，可以包括于所述Ag基 底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀多个贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层。上述技术方案具有如下有益效果因为采用激光剥离蓝宝石GaN衬底技术，将发光外延层转移到导电和导热性能良好的金属衬底上，制作垂直结构的GaN基白光LED芯片。N型接触电极通过P型GaN基半导体层贯通孔与N型GaN类半导体层电气连接。为了避免N型接触电极与P型接触电极以及起到光反射层作用的Ag基底层发生短路，在两电极间设有绝缘层。该结构使LED芯片电流分布更均匀，可有效提高光效和改善散热。如图3所不,为本发明实施例基于图形衬底的横向外延过生长不意图。利用有图形的蓝宝石衬底进行GaN的外延生长是获得高质量材料的有效方法，生长过程如图3所示。先用两步法生长一定厚度的GaN外延层；然后在外延层上进行SiN掩膜；用光刻工艺形成所需的窗口图形；刻蚀出具有斜面的凹槽图形衬底，要求一直至缓冲层以下的衬底；刻蚀好的图形衬底重新进行生长，由于GaN既不能从凹槽底部直接生长，也不能从凸起的SiN掩膜层上直接生长，外延只能优从一次外延的GaN侧面向两侧生长。在这样的生长模式下，位错全部是水平延伸的，因此绝大部分位错在水平方向相遇而湮灭。同时，晶体向两侧空间悬挂生长，处于更自由的生长状态，可得到沿竖向延伸位错密度极少的GaN材料。如图4所示，为本发明实施例N型接触电极通孔技术示意图。采用激光剥离蓝宝石GaN衬底技术，将发光外延层转移到导电和导热性能良好的金属衬底上，制作垂直结构的GaN基白光LED芯片。如图4所示，N型接触电极通过P型GaN基半导体层贯通孔与N型GaN类半导体层电气连接。为了避免N型接触电极与P型接触电极以及起到光反射层作用的Ag基底层发生短路，在两电极间设有绝缘层。该结构使LED芯片电流分布更均匀，可在芯片表面内使电压均一施加到n型GaN半导体层，消除了电流密度局布较高的部分，因此可大幅减少光效的降低。驱动电流越增加、量子效率越下降的原因是俄歇复合。俄歇复合是一种不伴随发光的非放射再结合，电流密度越高，则俄歇复合越会增加。该结构可将电流密度降低到最小限度，因此可减少俄歇复合，减少量子效率的下降。因此，LED驱动电流每次增加时LED的量子效率都会下降的问题得以减轻。通孔工序还可以使LED芯片热量更均匀，而不是集中在某一处，更有利于散热，有效提高光效和改善散热。同时，通过改进N型接触电极的配置，获得了较高的外部量子效率。N型接触电极从表面移除，而植入到了 LED芯片内部。这样，当从LED芯片内部产生的光射向芯片外时就没有了遮挡物，从而提高了光的取出效率。如图5所示，为本发明实施例器件发光面的粗化示意图。在常规的GaN LED外延片上制作一个无光刻的随机Si02掩膜，通过控制MOCVD生长条件，二次外延可以形成可控尺度和密度的P-GaN微型小丘，此粗糙表面破坏了 LED的表面对称性，从而提高出光效率。也可利用化学腐蚀的方法将表面粗糙化，由于异质外延的GaN材料中存在大量的位错密度，在用强酸、碱对材料进行湿法腐蚀时，腐蚀从位错坑处开始，并将位错坑加深、扩大，形成粗糙的表面，增加光的取出效率(如图5所示)。如图6A-图6E所示，为本发明实施例N电极通孔结构白光LED制作工艺过程示意图。在GaN基LED外延片(如图6A)上P型层表面制作Ag反射镜(如图6B)。在P型层Ag反射镜表面刻蚀N电极通孔(如图6C)，N型接触电极通过P型GaN层贯通孔与N型GaN层电气连接；为了避免N型接触电极与P型接触电极以及起到光反射层作用的Ag基底层发生短路，在两电极间设有绝缘层，利用ALD技术沉积制作N型金属电极(如图6D)。采用激光剥离蓝宝石GaN衬底技术，将发光外延层转移到导电和导热性能良好的金属衬底上，制 作开槽P电极(如图6E)，再进行表面粗化和钝化。要增加光取出效率，首先要增加内部量子效率，即产生的光子与进入pn结内的载流子之比，同时也要有高的外部量子效率，即产生的发光光子数目与穿越pn结的载流子数目之比。外部量子效率比内部量子效率低，原因之一是有些光在材料表面辐射之前被吸收，而且光到达表面时只有低于临界角的光才能辐射，因此需要改进内部结构以利于电流分布以及减少光吸收。LED存在向电流密度越高，发光效率反而越低的现象，这是无法避免的。虽然这一现象无法消除，但却可以减轻。传统白光LED是在芯片表面设置n型接触电极。具体来说，就是在芯片四端中的一端设置用于从外部进行电气连接的焊盘，并使连接该焊盘的电极线(格栅)围绕在芯片表面上，由此使电流流过整个芯片。而实际上电流并非均一流过芯片表面，在芯片表面上，越是接近焊盘及格栅之处，流过的电流就越大，因此出现了电流密度高的局部区域。这是因为，距离焊盘越远，格栅布线电阻的影响就越大。随着输入芯片的电流加大，这一倾向会不断增强，从而使发光效率的下降趋于明显。本发明实施例采用激光剥离蓝宝石GaN衬底技术，将发光外延层转移到导电和导热性能良好的金属衬底上，制作垂直结构的GaN基白光LED芯片。N型接触电极通过P型GaN基半导体层贯通孔与N型GaN类半导体层电气连接。为了避免N型接触电极与P型接触电极以及起到光反射层作用的Ag基底层发生短路，在两电极间设有绝缘层。该结构使LED芯片电流分布更均匀，可在芯片表面内使电压均一施加到n型GaN半导体层，消除了电流密度局布较高的部分，因此可大幅减少光效的降低。驱动电流越增加、量子效率越下降的原因是俄歇复合。俄歇复合是一种不伴随发光的非放射再结合，电流密度越高，则俄歇复合越会增加。该结构可将电流密度降低到最小限度，因此可减少俄歇复合，减少量子效率的下降。因此，LED驱动电流每次增加时LED的量子效率都会下降的问题得以减轻。通孔工序还可以使LED芯片热量更均匀，而不是集中在某一处，更有利于散热，有效提高光效和改善散热。同时，通过改进n型接触电极的配置，获得了较高的外部量子效率。n型接触电极从表面移除，而植入到了 LED芯片内部。这样，当从LED芯片内部产生的光射向芯片外时就没有了遮挡物，从而提高了光的取出效率。为本发明实施例实现1301m/W以上的输出光效奠定基础。传统平面结构白光LED芯片与薄膜结构芯片的技术特点比较见表I。
权利要求
1.ー种LED芯片，其特征在于，所述LED芯片包括 ー导电载片，用于作为所述LED芯片的金属衬底； 一 N型接触电极,位于所述导电载片之上； 一 Ag基底层，位于所述N型接触电极之上； 一 P型接触电极，位于所述Ag基底层之上的一开槽中； 一 P型GaN基半导体层,位于所述Ag基底层之上； 一 N型GaN基半导体层，位于所述P型GaN基半导体层之上，所述N型接触电极通过所述P型GaN基半导体层的贯通孔与所述N型GaN基半导体层电气连接。
2.如权利要求I所述LED芯片，其特征在于，所述LED芯片还包括 一绝缘层，覆盖所述N型接触电极，以隔绝所述N型接触电极与所述Ag基底层及其上的所述P型接触电极相接触。
3.如权利要求I所述LED芯片，其特征在干，所述N型GaN基半导体层位于发光表面的ー侧为粗糙的表面。
4.如权利要求I所述LED芯片，其特征在于，所述导电载片的材质包括如下的一种或者多种铜及其合金、Si、AlN。
5.如权利要求I所述LED芯片，其特征在于，所述贯通孔为多个。
6.—种LED芯片的制备方法,其特征在于,所述方法包括 于ー GaN基LED外延片上的P型GaN基半导体层表面制作一 Ag基底层； 于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层； 制作一 N型接触电极，使所述N型接触电极通过所述P型GaN基半导体层的贯通孔与所述N型GaN基半导体层电气连接； 采用激光剥离蓝宝石GaN衬底后，将所述GaN基LED外延片倒置于ー导电载片上；于所述Ag基底层之上制作ー开槽，并于所述开槽中制作一 P型接触电极，以制作一 LED芯片。
7.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述方法还包括 于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层后，制作一绝缘层覆盖所述Ag基底层和所述贯通孔的侧壁。
8.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述方法还包括 于所述Ag基底层之上制作一开槽，并于所述开槽中制作一 P型接触电极后，对所述N型GaN基半导体层位于发光表面的ー侧的表面进行表面粗化处理。
9.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述将所述GaN基LED外延片倒置于ー导电载片上，包括 采用机械键合或电镀的方式，将所述GaN基LED外延片倒置于ー导电载片上。
10.如权利要求6所述方法，其特征在于，所述于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层，包括 于所述Ag基底层和所述P型GaN基半导体层中刻蚀多个贯通孔至所述GaN基LED外延片上的N型GaN基半导体层。
全文摘要
本发明实施例提供一种LED芯片及其制备方法，所述LED芯片包括一导电载片，用于作为所述LED芯片的金属衬底；一N型接触电极，位于所述导电载片之上；一Ag基底层，位于所述N型接触电极之上；一P型接触电极，位于所述Ag基底层之上的一开槽中；一P型GaN基半导体层，位于所述Ag基底层之上；一N型GaN基半导体层，位于所述P型GaN基半导体层之上，所述N型接触电极通过所述P型GaN基半导体层的贯通孔与所述N型GaN基半导体层电气连接。本发明实施例可以使LED芯片电流分布更均匀，并提高光效。
文档编号H01L33/14GK102751431SQ20111009656
公开日2012年10月24日 申请日期2011年4月18日 优先权日2011年4月18日
发明者房力 申请人:北京地调科技发展有限公司