一种发光二极管芯片及其制备方法与流程

本发明涉及发光二极管芯片领域。

背景技术：

发光二极管(英文全称：Light Emitting Diode，英文简写：LED)，其核心部件为发光二极管芯片(简称LED芯片)，也就是指的PN结，其主要功能是：把电能转化为光能，PN结一端是P型半导体，其内空穴占主导地位；另一端是N型半导体，其内电子占主导地位。P型半导体和N型半导体之间形成上述P-N结。

现今的发光二极管芯片一般根据其内电流的走向，可以包括水平封装结构和垂直封装结构；两种结构的核心内容均是沉积在衬底上的外延叠层，其区别仅仅是引出电极的位置有差异，使得其外延叠层内的电流呈水平或者垂直走向。

以图1、图2、图3所示的一种发光二极管芯片为例，一般包括如下结构：其最底层为衬底1(蓝宝石衬底)；在衬底1上沉积外延叠层2；该外延叠层2从下到上依次包括N型半导体层21(如N型GaN层)，发光层22，P型半导体层23(如P型GaN层)。在芯片的上表面上从上述P型半导体层23刻蚀至N型半导体层21，形成一电极槽20，该电极槽20内露出的N型半导体层21上镀有N电极b，同时，在P型半导体层23上设有透明导电层3，所述透明导电层3上镀有P电极a，然后在整个芯片上沉积一层SiO₂钝化层4。该N电极b和P电极a通入直流电源后其发光层22即可发光。

LED芯片的外延叠层2是中经过多次MOCVD(金属有机化学气象沉积)形成不同的层叠膜层，不同膜层的物理化学性质不一样，因此膜层会不可避免 的出现一些晶体缺陷。这些缺陷在芯片的使用初期对芯片可能没有明显影响，但是随着芯片使用时间变长，芯片缺陷处会发生漏电，并随时间的增加而变大，当漏电电流达到毫安级别时，LED芯片会变暗或不能点亮，这些都是LED芯片的发光层22失效的结果，因为此时的发光层22中电子与空穴就不能结合产生光子，从而造成不可逆转的破坏。同时，缺陷的量化通常是以缺陷密度来衡量，换句话说，LED芯片中单位面积的缺陷比率相同，所以单位面积芯片的失效几率相同。另外，LED芯片也会在静电击穿作用和一些外观品质异常的情况下也有可能出现漏电，同样会造成LED芯片失效。

技术实现要素：

为解决现有发光二极管芯片由于晶体缺陷、以及静电击穿作用或其他情况下可能出现漏电，造成LED芯片失效的问题，本发明提供了一种发光二极管芯片及其制备方法。

本发明一方面提供了一种发光二极管芯片，包括衬底、外延叠层、透明导电层、N电极和P电极；

所述外延叠层包括从下至上依次沉积的N型半导体层、发光层和P型半导体层；所述N型半导体层位于所述衬底上方，所述透明导电层位于所述P型半导体层上方；

所述发光二极管芯片的水平中心线上，设有从所述P型半导体层蚀刻至所述N型半导体层的电极槽；

所述N电极设置在所述电极槽内露出的所述N型半导体层上；同时，所述P电极镀在所述透明导电层的水平中心线上；

其中，所述外延叠层的水平中心线处蚀刻有将所述外延叠层平分为两半的中心沟槽；所述中心沟槽内填充有绝缘填料，所述透明导电层不覆盖所述中心沟槽和所述电极槽。

本发明提供的发光二极管芯片，在外延叠层上水平中心线处蚀刻所述中心 沟槽，已将该外延叠层平分为两半，同时，其N电极和P电极再同时镀在该水平中心线上，如此，相当于制作出了两颗并联的子芯片；上述两个子芯片在工作过程中彼此不受影响，若其中一颗子芯片由于漏电等原因导致失效或者断路故障时，此时失效的子芯片可以看作是一个电阻，而另一颗子芯片不会受其影响，仍然能够正常点亮。因此无论把本发明公开的发光二极管芯片以串联或者并联的形式形成LED器件，只要两个子芯片不是同时出现问题，那么LED器件仍然可以正常使用。采用上述本发明提供的发光二极管芯片，有效提高了发光二极管芯片的使用寿命，增强了使用该发光二极管芯片的LED器件的可靠性。同时此发光二极管芯片结构非常简单，适于产业规模化。

优选地，所述外延叠层上还包括设置在最下方的缓冲层，所述缓冲层沉积在所述衬底上。

优选地，在所述发光二极管芯片除N电极和P电极外的表面上沉积有钝化层。

优选地，所述中心沟槽的宽度为5-10μm。

优选地，所述绝缘填料为SiO₂。

本发明第二方面提供了一种发光二极管芯片的制备方法，包括如下步骤：

S1、外延叠层制备步骤：在衬底上沉积外延叠层；包括从下至上依次沉积的N型半导体层、发光层和P型半导体层；

S2、中心沟槽蚀刻步骤：在所述外延叠层的水平中心线处蚀刻将所述外延叠层平分为两半的中心沟槽；

S3、电极槽蚀刻步骤：在所述外延叠层的水平中心线上，从所述N型半导体层至所述P型半导体层蚀刻出一电极槽；

S4、绝缘填料填充步骤：在所述中心沟槽内填充绝缘填料；

S5、透明导电层制备步骤：在所述P型半导体层上镀透明导电层；所述透明导电层不覆盖所述中心沟槽和所述电极槽；

S6、电极制备步骤：将所述N电极镀在所述电极槽露出的所述N型半导体 层上；同时，将所述P电极镀在所述透明导电层的水平中心线上。

本发明提供的发光二极管芯片制造方法，由于其在制备得到外延叠层后，在其外延叠层的水平中心线上蚀刻出将外延叠层平分为两半的中心沟槽，并在沟槽内填充绝缘填料，同时，其N电极和P电极再同时镀在该水平中心线上，如此，该制造方法相当于制作出了两颗并联的子芯片；上述两个子芯片在工作过程中彼此不受影响，若其中一颗子芯片由于漏电等原因导致失效或者断路故障时，此时失效的子芯片可以看作是一个电阻，而另一颗子芯片不会受其影响，仍然能够正常点亮。因此无论把本发明公开的发光二极管芯片以串联或者并联的形式形成LED器件，只要两个子芯片不是同时出现问题，那么LED器件仍然可以正常使用。采用上述本发明提供制备方法非常简单，适于产业规模化。其制备得到的发光二极管芯片，有效提高了发光二极管芯片的使用寿命，增强了使用该发光二极管芯片的LED器件的可靠性。同时此发光二极管芯片结构非常简单。

优选地，所述步骤S1中，还包括在衬底上沉积缓冲层，然后将所述N型半导体层沉积在所述缓冲层上的步骤。

优选地，在所述S6步骤后，还包括如下步骤：

S7、钝化层沉积步骤：在所述发光二极管芯片除N电极和P电极外的表面上沉积钝化层。

优选地，所述步骤S2具体包括如下步骤：

用光刻的方法，在外延叠层的水平中心线处暴露出需要刻蚀的中心沟槽区域，然后用电感耦合等离子刻蚀机进行干法刻蚀出中心沟槽，刻蚀完成后，去除表面残余光刻胶。

优选地，所述步骤S3具体包括如下步骤：在完成上述步骤S2后，再次进行光刻，在所述外延叠层的水平中心线上，暴露出需要刻蚀的电极槽区域，用用ICP刻蚀机进行干法刻蚀，在该电极槽区域蚀刻电极槽，然后去除表面残余光刻胶。

优选地，所述步骤S4具体包括如下步骤：将步骤S3中制备的半成品放入PECVD设备中，沉积绝缘填料；沉积完成后，再次进行光刻，遮挡住中心沟槽，用HF/NH₄F缓冲溶液进行湿法刻蚀，保留中心沟槽内的绝缘填料。

优选地，所述步骤S5具体包括如下步骤：采用蒸镀或者溅射镀膜的方法，在P型半导体层表面制得透明导电层；然后再次进行光刻，保留需要的区域；光刻完成后进行湿法刻蚀，湿法刻蚀完成后，去除残余光刻胶，然后将半成品放入退火炉中进行退火。

优选地，所述步骤S6具体包括如下步骤：在黄光条件下，采用负性光刻胶进行光刻，暴露出需要镀电极的区域，接着放置在蒸镀机中蒸镀N电极和P电极；蒸镀完成后用退火炉在氮气氛围下对N电极和P电极进行退火处理。

优选地，所述步骤S7具体包括如下步骤：采用PECVD设备，在步骤S6制备得到的LED芯片表面沉积钝化层；接着进行黄光光刻，湿法刻蚀；去除N电极和P电极表面的钝化层，完成后浸泡去胶液去除残余光刻胶。

附图说明

图1是现有技术中提供的发光二极管芯片俯视示意图；

图2是图1中发光二极管芯片在P电极处的截面示意图；

图3是图1中发光二极管芯片在N电极处的截面示意图；

图4是本发明具体实施方式中提供的发光二极管芯片在P电极处的截面示意图；

图5是本发明具体实施方式中提供的发光二极管芯片在N电极处的截面示意图；

图6是本发明具体实施方式中提供的发光二极管芯片在P电极处的截面示意图；

图7是本发明具体实施方式中提供的发光二极管芯片的制备流程图；

图8是本发明具体实施方式中提供的发光二极管芯片进一步优选的制备流 程图；

图9是本发明具体实施方式中提供的在外延叠层上蚀刻中心沟槽示意图；

图10是本发明具体实施方式中提供的的在外延叠层上蚀刻电极槽示意图；

图11是本发明具体实施方式中提供的在中心沟槽内填充绝缘填料示意图；

图12是本发明具体实施方式中提供的在P型半导体层上镀透明导电层示意图。

其中，1、衬底；2、外延叠层；3、透明导电层；4、钝化层；5、中心沟槽；6、绝缘填料；20、电极槽；21、N型半导体层；22、发光层；23、P型半导体层；24、缓冲层；b、N电极；a、P电极；2a、第一子叠层；2b、第二子叠层。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本例将对本发明提供的发光二极管芯片的结构进行具体解释说明，如图4、图5、图6所示，其包括衬底1、外延叠层2、透明导电层3、N电极b和P电极a；

所述外延叠层2包括从下至上依次沉积的N型半导体层21、发光层22和P型半导体层23；所述N型半导体层21位于所述衬底1上方，所述透明导电层3位于所述P型半导体层23上方；

所述发光二极管芯片的水平中心线上，设有从所述P型半导体层23蚀刻至所述N型半导体层21的电极槽20；

所谓的水平中心线如图4所示，其位于该外延叠层2的中心位置处，从图中左侧延伸至图中右侧，需要注意的是，当然，旋转90度去看也是可以的，此 时，该水平中心线变成了图中上下方向，其实质是一样的。请理解，该发光二极管的芯片的水平中心线，也即为外延叠层2的中心线。描述该水平中心线的目的，是为了描述中心沟槽5的位置，以及电极槽20和上述N电极b和P电极a的位置。

所述N电极b镀在所述电极槽20内露出的所述N型半导体层21上；同时，所述P电极a镀在所述透明导电层3的水平中心线上；上述已经描述，电极槽20设置在发光二极管芯片的水平中心线上；可见，N电极b和P电极a都是设置在该中心线上的。关于该N电极b和P电极a的具体方向及尺寸设置，并无需特别限定，作为一种举例，本例如图4中所示，其N电极b设置在图4中右侧，而P电极a设置在图4中左侧。

其中，所述外延叠层2的水平中心线处蚀刻有将所述外延叠层2平分为两半的中心沟槽5；所述中心沟槽5内填充有绝缘填料6，所述透明导电层3不覆盖所述中心沟槽5和所述电极槽20。

本例中，关于该外延叠层2的结构、以及关于P电极a和N电极b的结构，均可采用本领域技术人员所公知的结构，本例中的主要改进点为在原有发光二极管芯片的基础上，增加了中心沟槽5，并在中心沟槽5内填充绝缘填料6。设置该中心沟槽5，并在中心沟槽5内填充绝缘填料6的目的，均是为了将外延叠层2分成独立的两部分，当在透明导电层3上镀P电极a时，为了达到两部分相互不受影响的效果，需保证该透明导电层3不覆盖中心沟槽5和电极槽20。

如图9、图10所示，该中心沟槽5将外延叠层2平分为图示纸面上方的第一子叠层2a和纸面下方的第二子叠层2b；上述第一子叠层2a结合透明导电层3、N电极b和P电极a形成一子芯片；上述第二子叠层2b结合透明导电层3、N电极b和P电极a形成另一子芯片；上述两个子芯片并联连接。

所谓的外延叠层2的水平中心线处蚀刻有将所述外延叠层2平分为两半的中心沟槽5；即指该中心沟槽5从外延叠层2的最上层一直蚀刻至最下层，直至露出衬底1。

其中，所述外延叠层2还可选择性地包括设置在最下方的缓冲层24，所述缓冲层24沉积在所述衬底1上。当在形成中心沟槽5时，该缓冲层24的水平中心线处也被蚀刻，露出衬底1。缓冲层24材料就是未掺杂的本征物质。以GaN蓝光LED为例，缓冲材料是没有掺杂的GaN。

本例中，在所述发光二极管芯片除N电极b和P电极a外的表面上沉积有钝化层4。

其中，所述N型半导体层21为N型GaN(氮化镓)层、N型GaAs(砷化镓)层中的一种，所述P型半导体层23为P型GaN层、或P型GaAs层中的一种。本例中，作为具体的实施方式，该所述N型半导体层21为N型GaN层，P型半导体层23为P型GaN层。

在发光二极管芯片中，衬底1常见可以选用蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。本例中，由于发光二极管芯片采用水平电极结构，因此，选用蓝宝石衬底。

本例中，发光层22为MQW(英文全称：Multi Quantum Well，中文全称：多量子肼)发光层22；所谓的MQW发光层22为公众所知，发光过程即在该层中进行。

其中，所述透明导电层3为ITO(英文全称：Indium Tin Oxides，中文全称：氧化铟锡)薄膜层、ZnO(氧化锌)薄膜层中的一种。该透明导电层3为公众所知，其所起作用为将连接P型半导体和P电极a，起到导电和电流扩散的作用，该透明导电层3的结构和用途均为公众所知，本例中，透明导电层3选用ITO薄膜层。本例中，该ITO薄膜层的厚度为100-300nm。

其中，该中心沟槽5的深度与外延叠层2的厚度相同，比如约5-7μm，其中心沟槽5的宽度并不特别限定，只要其能保证起到将外延叠层2平分为两部分，在填充绝缘填料6的基础上，保证其绝缘性能即可。本例中，所述中心沟槽5的宽度为5-10μm。

所述绝缘填料6可以为任意具备绝缘性能的材料，比如，本例中为二氧化 硅(SiO₂)。本例中，该二氧化硅钝化层4的厚度80um。其绝缘填料6的高度恰好与沟槽的高度相同。

上述N电极b和P电极a根据需要设计成利于电流扩散的形状和分支，关键是N电极b和P电极a由对称的第一子叠层2a和第二子叠层2b共同使用，因此该N电极b和P电极a也是关于上述水平中心线对称分布。该N电极b和P电极a是LED芯片在封装时作为焊接引出导线的结构。

通过上述中心沟槽5的设置，以及对N电极b和P电极a的优化设置，最终形成了类似于两个子芯片并联的单个LED芯片。当电流从P电极a(正极)流入，由于中心沟槽5的隔绝作用，电流会分别流向两个子芯片，并且互不干扰，然后从N电极b(负极)流出。

本例提供的发光二极管芯片，在外延叠层2上水平中心线处蚀刻所述中心沟槽5，已将该外延叠层2平分为两半，同时，其N电极b和P电极a再同时镀在该水平中心线上，如此，相当于制作出了两颗并联的子芯片；上述两个子芯片在工作过程中彼此不受影响，若其中一颗子芯片由于漏电等原因导致失效或者断路故障时，此时失效的子芯片可以看作是一个电阻，而另一颗子芯片不会受其影响，仍然能够正常点亮。因此无论把本发明公开的发光二极管芯片以串联或者并联的形式形成LED器件，只要两个子芯片不是同时出现问题，那么LED器件仍然可以正常使用。采用上述本发明提供的发光二极管芯片，有效提高了发光二极管芯片的使用寿命，增强了使用该发光二极管芯片的LED器件的可靠性。同时此发光二极管芯片结构非常简单，适于产业规模化。

实施例2

本例将对本发明公开的一种发光二极管芯片的制备方法进行具体解释说明，如图7所示，包括如下步骤：

S1、外延叠层2制备步骤：在衬底1上沉积外延叠层2；包括从下至上依次沉积的N型半导体层21、发光层22和P型半导体层23；

S2、中心沟槽5蚀刻步骤：如图9所示，在所述外延叠层2的水平中心线处蚀刻(或称刻蚀)将所述外延叠层2平分为两半的中心沟槽5；

S3、电极槽20蚀刻步骤：如图10所示，在所述外延叠层2的水平中心线上，从所述P型半导体层23至所述N型半导体层21蚀刻出一电极槽20；

S4、绝缘填料6填充步骤：如图11所示，在所述中心沟槽5内填充绝缘填料6；

S5、透明导电层3制备步骤：如图12所示，在所述P型半导体层23上镀透明导电层3；所述透明导电层3不覆盖所述中心沟槽5和所述电极槽20；

S6、电极制备步骤：将所述N电极b镀在所述电极槽20内露出的所述N型半导体层21上；同时，将所述P电极a镀在所述透明导电层3的水平中心线上；

本例中，优选如图8所示，在所述S6步骤后，还包括如下步骤：

S7、钝化层4沉积步骤：在所述发光二极管芯片除N电极b和P电极a外的表面上沉积钝化层4。其制备得到的LED芯片如图4、图5、图6所示。

其中，作为可选择的方式，所述步骤S1中，还包括在衬底1上沉积缓冲层24，然后将所述N型半导体层21沉积在所述缓冲层24上的步骤。

所述步骤S1具体描述如下：在MOCVD(金属有机化学气象沉积)设备中，以蓝宝石为衬底1，沉积外延叠层2，即依次在衬底1上从下到上依次沉积缓冲层24，N型半导体层21，MQW发光层22，P型半导体层23。

所述步骤S2具体包括如下步骤：用光刻的方法，在外延叠层2的水平中心线处暴露出需要刻蚀的中心沟槽5区域，用ICP(电感耦合等离子刻蚀)刻蚀机进行干法刻蚀，蚀刻时间1小时，形成深度约5-7um，宽度5-10um的中心沟槽5，此时中心沟槽5内没有外延叠层2被蚀刻掉，中心沟槽5底部表面就是蓝宝石材质的衬底1表面。其刻蚀气体是氯气和三氯化硼，刻蚀完成后，去除表面残余光刻胶。

其中，步骤S3具体包括如下步骤：在完成了上述中心沟槽5刻蚀后，再次 进行光刻，在所述外延叠层2的水平中心线上，暴露出需要刻蚀出的电极槽区域，用电感耦合等离子刻蚀机进行干法刻蚀，在该电极槽区域蚀刻电极槽20，刻蚀时间15分钟，刻蚀深度1.2-1.5um，去除表面残余光刻胶。

其中，所述步骤S4具体包括如下步骤：将步骤S3中制备的半成品放入PECVD设备(等离子增强化学气相沉积设备)中，沉积用作绝缘填料6的SiO₂；具体使用气体N₂O和SiH₄，其PECVD设备腔体温度350摄氏度，时间15-18分钟，达到恰好能够填充满中心沟槽5的效果，填充的深度约5-7um。沉积完成后，再次进行黄光光刻，遮挡住中心沟槽5，用一定浓度的HF/NH₄F缓冲溶液进行湿法刻蚀，最后仅仅保留中心沟槽5内的绝缘填料6(即SiO₂)。中心沟槽5起到隔断第一子叠层2a和第二子叠层2b的作用。

所述步骤S5具体包括如下步骤：采用蒸镀或者溅射镀膜的方法，在P型半导体层23表面制得透明导电层3(本例中为ITO薄膜层)，其厚度约100-300nm。然后再次进行黄光光刻，保留需要的区域，使ITO薄膜层只覆盖在P型半导体层23表面，而在电极槽20周围留3-5um的距离没有ITO，并且在中心沟槽5的正上方区域也没有ITO。光刻完成后利用ITO刻蚀液对ITO薄膜层进行湿法刻蚀，时间10-20分钟。湿法刻蚀完成后，去除残余光刻胶，然后将半成品放入退火炉中进行退火，退火温度450-540℃，时间30分钟。

所述步骤S6具体包括如下步骤：在黄光条件下，采用负性光刻胶进行光刻，暴露出需要镀电极的区域，接着放置在蒸镀机中制作N电极b和P电极a。N电极b和P电极a的材料选用可选用Cr/Ti/Au、Ti/Al/Ti/Au等合金制成，镀后的N电极b和P电极a厚度约1.5-2um。蒸镀完成后用退火炉在氮气氛围下对N电极b和P电极a进行退火处理，退火时间16分钟，温度300-350℃。

所述步骤S7具体包括如下步骤：采用PECVD(等离子增强化学气相沉积)设备，PECVD设备腔体温度300℃，步骤S6制备得到的LED芯片表面沉积一层钝化层4，其膜层厚度80um；接着进行黄光光刻，湿法刻蚀，去除N电极b和P电极a表面的钝化层4；去除残余光刻胶。至此，芯片制作完成。

本例提供的发光二极管芯片制造方法，由于其在制备得到外延叠层2后，在其外延叠层2的水平中心线上蚀刻出将外延叠层2平分为两半的中心沟槽5，并在沟槽内填充绝缘填料6，同时，其N电极b和P电极a再同时镀在该水平中心线上，如此，该制造方法相当于制作出了两颗并联的子芯片；上述两个子芯片在工作过程中彼此不受影响，若其中一颗子芯片由于漏电等原因导致失效或者断路故障时，此时失效的子芯片可以看作是一个电阻，而另一颗子芯片不会受其影响，仍然能够正常点亮。因此无论把本发明公开的发光二极管芯片以串联或者并联的形式形成LED器件，只要两个子芯片不是同时出现问题，那么LED器件仍然可以正常使用。采用上述本发明提供制备方法非常简单，适于产业规模化。其制备得到的发光二极管芯片，有效提高了发光二极管芯片的使用寿命，增强了使用该发光二极管芯片的LED器件的可靠性。同时此发光二极管芯片结构非常简单。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。