一种高亮度LED芯片及其制备方法与流程

一种高亮度led芯片及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及发光半导体技术领域，具体涉及一种高亮度led芯片及其制备方法。


背景技术：

2.图1示出了现有大功率倒装led芯片的结构示意图，包括衬底1、n型gan层2、mqw量子阱层3、p型gan层4、第一开口410、第二开口420、侧壁保护层5、透明导电层6、ag镜反射层7、ag镜保护层8、一次钝化层9、n型孔10、n型电流导电层11、p型电流导电层12、二次钝化层13、n型电极焊盘14、p型电极焊盘15。
3.目前，在大功率倒装led芯片中主要采用ito做透明导电层，ito是一种n型氧化物半导体材料——氧化铟锡，为了获得高亮度，在大功率倒装led芯片中的ito层厚度普遍比较薄；图2示出了现有大功率倒装led芯片中的电流路径示意图，电流参照箭头指向流动，从ag镜反射层走到ito层时，如果ito层的导电性差，电流就容易直接垂直穿透ito层进入p型gan层而不会横向扩展到整个ito层，导致芯片内局部电流集中，使工作电压偏高，降低了发光亮度，严重制约着倒装led芯片在大功率、大电流方面的开发应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种高亮度led芯片及其制备方法，通过在ito层中嵌入金属块形成ito金属复合结构，提高电流横向扩展能力，使大电流横向扩展到整个ito层中，再在ito层的各个区域位置垂直进入p型gan层，避免了电流集中，降低了芯片的工作电压，获得高亮度。
5.本发明提供了一种高亮度led芯片，包括p型gan层、设于所述p型gan层上的ito金属复合结构和设于所述ito金属复合结构上的ag反射层，其中：所述ito金属复合结构包括ito层和若干个金属块，所述若干个金属块镶嵌在所述ito层中。
6.具体的，所述ito金属复合结构包括ito盖层和一层以上的ito金属复合层，所述ito盖层设于所述一层以上的ito金属复合层上；所述一层以上的ito金属复合层中的每一层ito金属复合层包括ito层和若干个金属块，所述若干个金属块阵列镶嵌在所述ito层中。
7.具体的，所述一层以上的ito金属复合层为两层以上的ito金属复合层时，相邻ito金属复合层中的若干个金属块在纵向上相互交错排列且在纵向上的投影均不重合；和/或所述ito盖层的厚度和所述ito金属复合层的厚度满足四分之一波长反射定律。
8.具体的，所述ito层的厚度为h，所述金属块的厚度为h，所述h和所述h的关系为：
9.和/或所述h和所述h的关系为：h＝h。
10.具体的，所述金属块为倒圆锥状或倒圆台状结构；所述金属块的宽度为10～20um；和/或每一层ito金属复合层中所述若干个金属块的上表面总面积与所述ito层的面积比取值范围为1:2～2:3。
11.本发明还提供了一种高亮度led芯片的制备方法，包括以下步骤：
12.在p型gan层上沉积ito层；采用湿法或干法刻蚀ito层，在ito层上形成若干个凹坑结构，在所述凹坑结构中沉积满金属粒子形成ito金属复合结构，所述ito金属复合结构包括ito层和镶嵌在ito层中的若干个金属块；在所述ito金属复合结构上沉积ag镜反射层。
13.具体的，在所述ito金属复合结构包括若干层ito金属复合层时，所述采用湿法或干法刻蚀ito层，在ito层上形成若干个凹坑结构，在所述凹坑结构中沉积满金属粒子形成ito金属复合结构包括：
14.采用湿法或干法刻蚀第一ito层，在第一ito层上形成若干个阵列排布的凹坑结构，所述第一ito层位于p型gan层上；
15.在所述第一ito层的凹坑结构中沉积满金属粒子形成第一ito金属复合层，所述第一ito金属复合层包括第一ito层和镶嵌在第一ito层中的若干个金属块；
16.在所述第一ito金属复合层上沉积第二ito层；
17.采用湿法或干法刻蚀第二ito层，在第二ito层上形成若干个阵列排布的凹坑结构；第一ito层中的凹坑结构和第二ito层中的凹坑结构在纵向上相互交错排列，并且在纵向上的投影均不重合；
18.在所述第二ito层的凹坑结构中沉积满金属粒子形成第二ito金属复合层，所述第二ito金属复合层包括第二ito层和镶嵌在第二ito层中的若干个金属块；
19.根据ito层的剩余总数按照制备第二ito金属复合层的方法，形成若干层ito金属复合层；
20.在最顶层的ito金属复合层上沉积ito盖层，所述ito盖层和所述若干层ito金属复合层形成ito金属复合结构。
21.具体的，以的速率刻蚀所述ito层形成所述若干个凹坑结构；和/或以的速率在所述若干个凹坑结构中沉积满所述金属粒子。
22.具体的，将所述ito层的1/2～2/3面积刻蚀形成若干阵列排布的所述凹坑结构；和/或将所述凹坑结构刻蚀成凹口宽度为10～20um的倒圆锥状或倒圆台状结构。
23.具体的，在第一ito层刻蚀形成所述凹坑结构时，从所述第一ito层的上表面往下刻蚀至所述第一ito层的1/2～2/3深度形成所述凹坑结构；在若干层ito金属复合层中的任一非第一ito层刻蚀形成所述凹坑结构时，从所述非第一ito层的上表面刻蚀透至所述非第一ito层的下表面形成所述凹坑结构。
24.本发明提供的高亮度led芯片具有以下优点：
25.ito金属复合结构中镶嵌有若干个金属块，增强了led芯片的导电性，使得电流先在ito金属复合结构中径向分散开来，充分横向扩展，然后在该结构与p型gan层接触的各个区域纵向进入p型gan层，避免芯片内局部电流集中，降低了芯片的工作电压，获得高亮度；
26.ito盖层的厚度和ito金属复合层的厚度都满足四分之一波长(波长是指光在材料中的波长)反射定律的厚度要求，能增强光的反射效果。
27.此外，在所述高亮度led芯片的制备方法中，在第一ito层刻蚀形成所述凹坑结构时，即在直接与p型gan层接触的所述ito层中刻蚀形成所述凹坑结构时，从该层的上表面往下刻蚀至该层的1/2～2/3深度形成所述凹坑结构，一般为10～100nm，对于工艺而言最容易控制，而且这样能避免沉积金属粒子形成的金属块与p型gan层直接接触，能避免电流从金
属块与p型gan层的接触处集中进入p型gan层，也避免在刻蚀ito层时对p型gan层造成损伤；
28.在若干层ito金属复合层中的任一非第一ito层刻蚀形成所述凹坑结构时，从所述非第一ito层的上表面刻蚀透至所述非第一ito层的下表面形成所述凹坑结构，在这样的凹坑结构沉积金属粒子形成的金属块能够与上下相邻层的ito金属复合层接触，若干ito金属复合层叠加起来后，使电流横向扩展的同时，也能很好地往下传导；
29.使用湿法蚀刻或干法蚀刻对ito层进行蚀刻，这两种方式都可固定蚀刻速率，能通过蚀刻时间来精准控制蚀刻深度；
30.其次，ito层中的若干个凹坑结构的总面积占该ito层面积的1/2～2/3，其具体占比可以根据降低电压、提高亮度的实际效果来定，而且凹坑结构为10～20um的倒圆锥状或倒圆台状结构，在该ito层中阵列排布，方便刻蚀加工，而且这样沉积金属粒子形成的金属块呈倒圆锥状或倒圆台状，能均匀分散在该的ito层中，使降低电压、提高亮度的实际效果达到最佳；而且单个凹坑结构的面积可以进一步缩小，增加凹坑结构的个数，使沉积形成的金属块的密集程度增大，效果更佳；
31.上下相邻的两层ito层中的凹坑结构在纵向上相互交错排列且在纵向上的投影均不重合，这样能避免沉积出来的金属块连接形成垂直通道，从而避免了电流垂直下流；
32.该方法制备的ito金属复合结构的膜层致密、空洞率低，光电性能良好。
附图说明
33.图1是现有大功率倒装led芯片的结构示意图；
34.图2是现有大功率倒装led芯片中的电流路径示意图；
35.图3是本发明实施例中高亮度led芯片的结构示意图；
36.图4是本发明实施例中高亮度led芯片的ito金属复合结构示意图；
37.图5是本发明实施例中高亮度led芯片中的电流路径示意图；
38.图6是本发明实施例中高亮度led芯片的制备方法第一流程示意图；
39.图7是本发明实施例中高亮度led芯片的制备方法第二流程示意图。
40.附图中，1、衬底；2、n型gan层；3、mqw量子阱层；4、p型gan层；410、第一开口；420、第二开口；5、侧壁保护层；6、透明导电层；600、ito金属复合结构；610、ito金属复合层；611、第一ito金属复合层；612、第二ito金属复合层；620、ito盖层；601、ito层；602、金属块；7、ag镜反射层；8、ag镜保护层；9、一次钝化层；10、n型孔；11、n型电流导电层；12、p型电流导电层；13、二次钝化层；14、n型电极焊盘；15、p型电极焊盘。
具体实施方式
41.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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
42.图3示出了本发明实施例中高亮度led芯片的结构示意图，所述高亮度led芯片包括衬底1、设置在衬底1上的外延层叠结构；外延层叠结构包括依次层叠设置的n型gan层2、mqw量子阱层3和p型gan层4；沿外延层叠结构的边缘位置设置有阶梯状的第一开口410，靠
近外延层叠结构的中心区域设置有倒梯形的第二开口420；于p型gan层4上依次层叠设置有ito金属复合结构600、ag镜反射层7、ag镜保护层8；沿第一开口410和第二开口420的表面设置有侧壁保护层5；沿侧壁保护层5和ag镜保护层8的表面设置有一次钝化层9；在靠近第二开口420底部的区域设置有n型孔10；于一次钝化层9上设置有电流导电层，包括填充第二开口420的n型电流导电层11和通过一次钝化层9中的孔洞接触ag镜保护层8的p型电流导电层12；于n型电流导电层11上设置有n型电极焊盘14，于p型电流导电层12上设置有p型电极焊盘15；沿边缘的一次钝化层9表面设置有二次钝化层13，并且n型区和p型区之间也设置有二次钝化层13。
43.图4示出了本发明实施例中高亮度led芯片的ito金属复合结构示意图，所述ito金属复合结构600包括ito层601和若干个金属块602，所述若干个金属块602镶嵌在所述ito层601中；所述ito金属复合结构600包括ito盖层620和一层以上的ito金属复合层610，所述ito盖层620设于所述一层以上的ito金属复合层610上；所述一层以上的ito金属复合层610中的每一层ito金属复合层610包括ito层601和若干个金属块602，所述若干个金属块602阵列镶嵌在所述ito层601中。所述一层以上的ito金属复合层610为两层以上的ito金属复合层610时，相邻ito金属复合层610中的若干个金属块602在纵向上相互交错排列且在纵向上的投影均不重合。
44.所述一层以上的ito金属复合层610为两层以上的ito金属复合层610时，ito金属复合层610的数量为2～8层，优选地，ito金属复合层610的数量为4～6层；层数越多，ito金属复合层610中金属块602的含量越多，导电性就越强，电压就会越低，但是光经过多层ito金属复合层610时，难免会发生光折射和光吸收而导致光损失，影响光反射比例，造成led芯片的亮度降低；层数越少，ito金属复合层610中金属块602的含量越少，导电性就越弱，电压就会越高，但是光经过多层ito金属复合层610时的光折射和光吸收造成的损失比例低，光反射比例高，使led芯片的亮度高；ito金属复合层610的数量为4～6层时，电压及亮度达到平衡，效果最佳，电压降低0.05～0.10v，亮度提升5％～10％。
45.图5示出了本发明实施例中高亮度led芯片中的电流路径示意图，电流参照箭头指向流动，电流从ag镜反射层7纵向走到ito金属复合结构600时，由于ito金属复合结构600中镶嵌有若干个金属块602，增强了导电性，使得电流在该结构中能充分横向扩展，所以电流先在ito金属复合结构600中径向分散，然后在该结构与p型gan层4接触的各个区域纵向进入p型gan层4，避免芯片内局部电流集中，降低了芯片的工作电压，获得高亮度。
46.所述ito盖层620的厚度和所述ito金属复合层610的厚度满足四分之一波长(波长是指光在材料中的波长)反射定律，能增强光的反射效果。
47.所述ito层601的厚度为h，所述金属块602的厚度为h，所述h和所述h的关系为：
48.和/或所述h和所述h的关系为：h＝h。
49.在直接与p型gan层4接触的ito金属复合层610中，金属块602的厚度是ito层601的厚度的1/2～2/3，此时，金属块602的上表面与ito层601的上表面重合，这样能避免金属块602与p型gan层4直接接触，能使电流扩散到ito层601各个区域后再进入p型gan层4。
50.在层叠于ito金属复合层610上的ito金属复合层610中，金属块602的厚度与ito层
601的厚度相等，金属块602能够与上下相邻层的ito金属复合层610接触，若干ito金属复合层610叠加起来后，能使电流横向扩展的同时，也能很好地往下传导。
51.金属块602由ag、al或cr中的一种组成，这些金属拥有良好的导电性；金属块602为倒圆锥状或倒圆台状结构，金属块602的宽度为10～20um，可以更密集地阵列镶嵌在ito层601中，获得更佳地导电性能；每一层ito金属复合层610中的若干个金属块602的上表面总面积与ito层601的面积比取值范围为1:2～2:3，可根据降低电压、提高亮度的实际效果来调节，以获得最佳效果。
52.图6示出了本发明实施例中高亮度led芯片的制备方法第一流程示意图，
53.该高亮度led芯片的制备方法包括以下步骤：
54.s1、在p型gan层4上沉积ito层601；
55.在p型gan层4上需要采用低功率沉积工艺沉积所述ito层601以降低对p型gan层4的损伤，具体的，在p型gan层4上以的速率沉积所述ito层601；沉积速率与对p型gan层4的损伤程度、ito层601的质量有关，是一个比较小的沉积速率范围，使用该速率沉积ito层601对p型gan层4的损伤小，而且沉积的ito层601与p型gan层4之间的界面电阻低、电压低；同时使用该速率沉积的ito层601拥有良好的致密性；此外，采用小的沉积速率还有利于精确控制ito层601的沉积厚度。
56.s2、采用湿法或干法刻蚀ito层601，在ito层601上形成若干个凹坑结构；
57.使用湿法蚀刻或干法蚀刻对ito层601进行蚀刻，这两种方式都可固定蚀刻速率，能通过蚀刻时间来精准控制蚀刻深度；在ito层601上使所述凹坑结构阵列排布，一方面便于精确加工，另一方面使凹坑结构均匀分布。
58.在直接与p型gan层4接触的ito层601的上表面往下刻蚀至该ito层的1/2～2/3深度形成所述凹坑结构，一般为10～100nm，对于工艺而言最容易控制，而且这样能避免沉积金属粒子形成的金属块602与p型gan层4直接接触，能避免电流从金属块602与p型gan层4的接触处集中进入p型gan层4，也避免在刻蚀ito层601时对p型gan层4造成损伤。
59.在刻蚀ito层601时，采用小的蚀刻速率会导致工艺时间很长，采用大的蚀刻速率会导致无法精准控制蚀刻深度，具体的，以的速率刻蚀ito层601较为合适。
60.其次，将ito层的1/2～2/3面积刻蚀形成若干阵列排布的凹坑结构，这样后续沉积形成的金属块602的总面积占比足够大，而且若干个金属块602在ito层中阵列排布，能使其扩展电流的作用达到最强；将凹坑结构刻蚀成凹口宽度为10～20um的倒圆锥状或倒圆台状结构，这两种形状结构在实际工艺中最容易实现，同时也便于后续沉积金属粒子时能使金属粒子密集严实地填充满凹坑结构，避免产生缝隙；一旦产生缝隙，led芯片在高温大电流下使用时，缝隙区域就会聚热并热膨胀，然后炸开，导致led芯片失效异常。
61.而且将凹坑结构刻蚀成凹口宽度为10～20um的倒圆锥状或倒圆台状结构，便于缩小单个凹坑结构的面积，增加凹坑结构的个数，从而更密集地阵列布置凹坑结构，使后续沉积形成更密集的金属块602，获得更佳的导电性能。
62.s3、在所述凹坑结构中沉积满金属粒子形成ito金属复合结构600；所述ito金属复合结构600包括ito层601和镶嵌在ito层601中的若干个金属块602；所述ito金属复合结构600的膜层致密、空洞率低，光电性能良好；
63.金属粒子沉积可使用磁控溅射、ebm电子束蒸发或thermal热蒸发工艺等pvd物理气相沉积工艺，优选地，使用磁控溅射工艺进行沉积金属粒子，通过功率及气体流量等可以准确控制沉积速率，金属粒子沉积速率控制在沉积速率太小，机台硬件/软件及工艺参数无法控制；沉积速率太大，金属粒子沉积堆叠时容易出现间隙，导致金属粒子填充不致密，形成粒子间空洞，使得电压升高，亮度变低。
64.s4、在所述ito金属复合结构600上沉积ag镜反射层7；
65.该ag镜反射层7的厚度可以设置得厚一些，为用于反射出光。ag镜反射层7一般包括ag单质子层和初级保护子层；ag单质子层的厚度会影响其反射率，一般设定为在此区域内ag单质子层反射率最高；初级保护子层由tiw、ti、ni或pt等金属中的一种或若干种有机叠加组合而制成，一般设定为如果太薄会对ag单质子层的保护不足，使ag单质子层析出被氧化，导致ag单质子层导电性低、反射率低；如果太厚，则会导致工艺效率低，且工艺成本高。
66.图7示出了本发明实施例中高亮度led芯片的制备方法第二流程示意图，在所述ito金属复合结构600包括若干层ito金属复合层610时，该高亮度led芯片的制备方法包括以下步骤：
67.s21、在p型gan层4上沉积第一ito层；
68.以的速率沉积所述第一ito层，后续以的速率沉积任一非第一ito层，能使不同ito层601之间结合紧密，形如一体，削弱界面电阻，增强不同ito层601之间的导电性；还能减少光在不同ito层601之间的界面折射损失。
69.s22、采用湿法或干法刻蚀第一ito层，在第一ito层上形成若干个阵列排布的凹坑结构，所述第一ito层位于p型gan层4上；在第一ito层刻蚀形成所述凹坑结构，即在直接与p型gan层4接触的所述ito层601中刻蚀形成所述凹坑结构，从该层的上表面往下刻蚀至该层的1/2～2/3深度形成所述凹坑结构。
70.s23、在所述第一ito层的凹坑结构中沉积满金属粒子形成第一ito金属复合层611，所述第一ito金属复合层611包括第一ito层和镶嵌在第一ito层中的若干个金属块；
71.s24、在所述第一ito金属复合层上沉积第二ito层；
72.s25、采用湿法或干法刻蚀第二ito层，在第二ito层上形成若干个阵列排布的凹坑结构；第一ito层中的凹坑结构和第二ito层中的凹坑结构在纵向上相互交错排列，并且在纵向上的投影均不重合，这样能避免沉积出来的金属块602连接形成垂直通道，从而避免了电流垂直下流。
73.而且在若干层ito金属复合层610中的任一非第一ito层刻蚀形成所述凹坑结构时(非第一ito层是指设于第一ito层上的任一ito层)，从所述非第一ito层的上表面刻蚀透至所述非第一ito层的下表面形成所述凹坑结构，在所述凹坑结构中沉积金属粒子形成的金属块602能够与上下相邻层的ito金属复合层610接触，若干ito金属复合层610叠加起来后，使电流横向扩展的同时，也能很好地往下传导。
74.s26、在所述第二ito层的凹坑结构中沉积满金属粒子形成第二ito金属复合层612，所述第二ito金属复合层612包括第二ito层和镶嵌在第二ito层中的若干个金属块；
75.s27、根据ito层601的剩余总数按照制备第二ito金属复合层612的方法，形成若干
层ito金属复合层610；
76.s28、在最顶层的ito金属复合层610上沉积ito盖层620，所述ito盖层620和若干层ito金属复合层610形成ito金属复合结构600；
77.s29、在所述ito金属复合结构600上沉积ag镜反射层7。
78.通过控制凹坑结构的面积、深度、排布方式等，使沉积形成的金属块602均匀交错分散镶嵌在ito金属复合结构600中(如图4所示)，在采用该ito金属复合结构600的高亮度led芯片中，如图5所示，电流参照箭头指向流动，电流从ag镜反射层7走到ito金属复合结构600时，由于ito金属复合结构600中镶嵌有若干个金属块602，增强了导电性，使得电流在该结构中能充分横向扩展，先在ito金属复合结构600中径向分散开来，然后在该结构与p型gan层4接触的各个区域纵向进入p型gan层4，避免芯片内局部电流集中，降低了芯片的工作电压，获得高亮度；导电性一般使用电阻率来量化，此ito金属复合结构600将电阻率降低了30％～50％，体现在led芯片上就是电压降低了0.05～0.1v，使亮度提升5％～10％。
79.以上对本发明实施例所提供的一种高亮度led芯片及其制备方法进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。