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1. WO2020000408 - LED CHIP STRUCTURE

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一种 LED芯片结构

技术领域

[0001] 本申请涉及一种 LED芯片结构,具体地涉及具有反射层的芯片结构。

背景技术

[0002] 现有的 LED芯片结构,影响出光率的因素很多,主要包括外延发光材料的发光 率、外延结构的出光率。其中为了提高出光率,除了置换外延生长衬底成为更 高透光率的生长衬底外,还包括设置金属反射层提高芯片的正面出光率。置换 的永久衬底可以是导电,也可以是非导电的。由于半导体序列的折射率为 3.0左 右,空气的折射率为 1,在半导体序列辐射的光线会在金属反射层界面以及正面 出光界面发生全内反射返回至半导体序列的现象,由于半导体序列的吸收光特 性,辐射效率会降低。为了避免全内反射,现有技术提出了在半导体序列与反 射层之间设置粗化处理或出光面进行粗化处理,粗化降低了全反射的可能性, 在有源区域中产生的电磁辐射能够以更高的效率从半导体本体中射出。此外也 有包括设置增透层如导电类型的透明导电膜 ITO或非导电性的增透膜如氧化硅或 氮化硅等设置在金属反射层与半导体序列之间以形成不同折射率的界面,提高 反射率。然而由于该增透膜层的厚度较薄,在半导体序列进行粗化处理后形成 的增透膜层一般也为粗化处理表面,该金属与增透膜层之间的界面也往往做成 粗化面。该金属与增透膜层之间的界面为粗化面时会改变光路的角度,辐射出 的光线重新回到半导体序列,由于半导体序列会吸收光线,导致出光率降低。 发明概述

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0003] 为了解决上述技术问题,本案提出了一种 LED芯片结构,其包括一载体,载体 上的一半导体层序列,一反射层序列配置在载体和半导体层序列之间,反射层 序列具有一面向半导体层序列的增透膜层和一远离半导体层序列的金属镜面层

,半导体序列包括:第一导电性半导体层、发光层和第二导电性半导体层,其 特征在于:半导体序列与增透膜之间的界面至少部分区域为粗化面或图案化面 ,增透膜层与金属镜面层的界面是光滑面。

[0004] 优选地,增透膜层为生长在半导体序列上,与金属镜面层的界面是光滑处理面

[0005] 优选地,所述的增透膜层为介电层或透明导电层。

[0006] 优选地,所述的介电层包括孔结构,以形成金属反射层与半导体序列与增透膜 层之间的界面之间形成欧姆接触。

[0007] 优选地,所述增透膜层厚度为 100- 1000纳米。

[0008] 优选地,定义所述半导体序列与增透膜之间的界面的表面结构的平均高度 H或 粗化面的平均粗糙度为 Rz,所述的增透膜层与金属反射层之间的界面的粗糙度 R z’(表面结构轮廓的最大高度)为上述平均高度 H或平均粗糙度 Rz的至少一半以下

[0009] 优选地,定义所述的半导体序列与增透膜之间的界面的漫反射率为 R1,而增透 膜与金属反射层界面的漫散射率为 R1的至少三分之一。

[0010] 优选地,定义所述的半导体序列与增透膜界面的漫反射率为至少 50%,所述的 金属反射层界面的反射率为 90%以上,漫反射率为 10%以下。

[0011] 优选地,所述的载体为非导电性载体,所述的金属反射层用于芯片的正面电接 触。

[0012] 优选地,所述的载体为导电性载体,在其背面形成有背电极,用于背面电接触

[0013] 优选地,所述的图案化面包括凹处,这些凹处在垂直于半导体区域的方向上随 着深度增加而扩宽,更优选地,所述的图案化面包括凹处,该凹处扩宽的角度 为 45°。

[0014] 优选地,所述的半导体层序列的顶面出光面是粗化或图案化处理面。

[0015] 优选地,半导体层序列的侧面为粗化或图案化处理面。

[0016] 优选地,所述半导体序列与增透层之间有一层电流扩展层,电流扩展层进行粗 化处理或图案化处理,更优选地,为了增加侧面出光效率,所述的电流扩展层 的厚度为至少 0.5[im,优选 l-2[im。更有选地,所述反射层下方无载体。

发明的有益效果

有益效果

[0017] 根据本发明的 LED芯片结构,其具备以下有益效果:

[0018] 1.由于辐射从半导体序列到增透膜中是光密介质到光疏介质,进入增透膜的光 线会形成大角度光线,增透膜层与金属镜面层的界面是光滑面,该光滑面能够 将大角度光线反射回去,促进侧面出光,有效提高出光率,反之,若为粗化面 ,则会发生光线光路角度改变,更多光线返回至半导体序列,发生二次吸收, 出光率降低。

[0019] 2.半导体层序列的顶面和侧面出光面是粗化或图案化处理面,以减少由于半导 体序列的折射率高于空气层而在界面发生的全内反射,增加直接顶面和侧面的 出山尤华中。

[0020] 3.图案化面包括凹处,这些凹处在垂直于半导体区域的方向上随着深度增加而 扩宽,更优选地凹处扩宽的角度为 45°,改变光线直接在半导体序列和增透层之 间的界面反射的角度,利于更多光线直接正面出光。

[0021] 4.半导体序列与增透膜之间的界面至少部分区域为粗化面或图案化面,其中至 少部分区域是指芯片中间部分为粗化面或图案化面,边缘区域设置为光滑面或 光滑处理面,以利于边缘的光线被直接反射到侧边直接出光。

对附图的简要说明

附图说明

[0022] 附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的 实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。此外,附图数据是描 述概要,不是按比例绘制。

[0023] 图 1是制备 LED芯片结构的部分工艺流程示意图;

[0024] 图 2是制备 LED芯片结构的部分工艺流程示意图;

[0025] 图 3-4是本发明的 LED芯片结构示意图;

[0026] 图 5是 LED芯片结构中光路示意图。

[0027] 1.载体, 2 -反射层, 3 -增透膜层, 4, -第二导电性半导体层, 5 -发光层, 6 -第一 导电性半导体层, 7 -第一电极, 8 , 9 -第二电极, 21 -生长衬底, 22 -第一导电性半 导体层, 23 -发光层, 24 -第二导电性半导体层, 25 -电流扩展层, 26 -增透膜层, 2 7 -反射层, 28 -键合层, 29 -载体, 30 -第一电极, 31 -第二电极, 32 -绝缘保护层。 发明实施例

本发明的实施方式

[0028] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式,借此对本发明如何应 用技术手段来解决技术问题,并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实 施。需要说明的是,只要不构成冲突,本发明中的各个实施例以及各实施例中 的各个特征可以相互结合,所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

[0029] 本实施例提供一种 LED芯片结构,其包括一载体,载体上的一半导体层序列, 一反射层序列配置在载体和半导体层序列之间,反射层序列具有一面向半导体 层序列的增透膜层和一远离半导体层序列的金属镜面层,半导体序列包括:第 一导电性半导体层、发光层和第二导电性半导体层,半导体序列与增透膜之间 的界面至少部分区域为粗化面或图案化面,增透膜层与金属镜面层的界面是光 滑面。

[0030] 为了制作上述的 LED芯片结构,如图 1(a)所示,首先提供一个外延片,衬底含 有例如 GaAs,并且半导体序列优选外延生长在生长衬底上,使得生长衬底可以 形成半导体序列的生长衬底。在这样的情况下,有源区和 /或半导体序列优选基 于 AlxGaylnl-x-yP,尤其是 x#0和 /或 y#0,并且特别优选为 AlxGal-xAs,
x<l , 优选 x > 0。 GaAs衬底特别适于生长基于 AlxGaylnl-x-yP的半导体序列。半 导体序列包括第一导电性半导体层、第二导电性半导体层以及有源区,有源区 优选包括双异质结构、单量子阱结构或者多量子阱结构。这类结构由于可达到 的高的内部量子效率而特别适于有效地产生辐射。优选地,所述的半导体序列 进一步包括一层电流扩展层,该电流扩展层为外延生长形成,如 p-GaP层,其厚 度优选为 2[im以下。

[0031] 接着,如图 1(b)所示,半导体序列的与衬底背离的表面设置有表面结构,表面 结构为图案化面。该图案化面可以构建在例如 p型导电的半导体层表面或电流扩 展层表面,该半导体层表面优选在与衬底背离的侧上形成半导体序列的边界。

可以借助刻蚀(例如湿化学刻蚀或者干化学刻蚀)在使用合适的掩膜的情况下在半 导体序列中产生图案化面。对此,优选在表面上构建根据表面结构被留空的掩 膜。通过掩膜的留空而产生表面结构并且随后去除掩膜。表面结构也可以由粗 糙化(:例如借助湿法蚀刻的方法或干蚀刻的方法)来产生形成粗化面,优选使整个 表面受到粗糙化。表面结构例如可以包括多个优选等距离的凹处,例如截顶棱 锥、截顶圆锥或者微棱镜形状的凹处。凹处在横向方向上优选随着深度的减小 而扩宽。借助表面结构可以在要制造的半导体芯片中简化地实现辐射从结构化 的表面侧以反射角的宽分布反射。由有源区产生的辐射在半导体材料中持续全 反射的概率由于表面结构而降低,由此辐射从所制造的半导体芯片的半导体材 料的耦合输出效率被提高。更优选地,所述的半导体序列的顶面和侧面出光面 为半导体序列与空气之间的界面,由于半导体序列的折射率高于空气折射率, 因此将顶面和侧面出光面通过干蚀刻或化学蚀刻进行粗化处理以获得侧面粗化 的效果,降低全内反射的概率,从而提高顶面和侧面出光效率。

[0032] 随后,通过蒸镀或 CVD法在表面结构上获得一层增透膜层,该增透层为透明导 电层或介电层,该增透膜层的折射率低于半导体序列(包括电流扩展层)的折 射率,透明导电层可以为 ITO或 FTO等结构,介电层为氧化硅或氮化硅或氟化镁 等构成,也可以是透明导电层与介电层的组合,彼此间隔地分布在表面结构上 ,并具有相同的厚度,透明导电层用于电接触。介电层和透明导电层的折射率 低于半导体序列,金属反射层通过蒸镀或溅镀或电镀在增透膜的一侧。例如氧 化硅或氮化硅,其折射率为 1.5左右,半导体层序列的折射率为 3.0左右。优选, 所述的增透膜层的厚度为 100-1000纳米,更优选地,所述的增透膜层厚度为 100- 500纳米。更优先地,所述的厚度为 100-200纳米,可降低电阻,避免芯片内部产 生过热现象,如图 1(c)所示,为了获得增透膜与金属反射层之间平坦的界面,优 选先生长一层加厚的厚度,进一步地如图 1(d)所示通过化学抛光的方式将金属反 射层表面磨平以形成平坦的面。若直接生长一层目标厚度的增透膜层,则会导 致半导体序列表面结构或粗糙度会复制到该增透膜层的表面。更优选地,定义 所述半导体序列与增透膜之间的界面的表面结构的平均深度 H或粗化面的平均粗 糙度为 Rz,通过平坦化处理,所述的增透膜层与金属反射层之间的界面的粗糙 度 Rz’(表面结构轮廓的最大高度) 为上述平均高度 H或平均粗糙度 Rz的至少一半 以下,更优选地,为四分之一以下。定义所述的半导体序列与增透膜之间的界 面的漫反射率为 R1,而增透膜与金属反射层界面的漫散射率为 R1的至少三分之一 ,更优选地所述的半导体序列与增透膜界面的漫反射率为至少 50%,所述的金属 反射层与增透膜之间界面的反射率为 90%以上,漫反射率为 10%以下。

[0033] 本实施例优选增透膜层为介电层,在平坦的面获得后,如图 1(e)所示需要通过 设置掩膜的方式在介电层设置孔结构,并通过蒸镀或溅镀填充相同或不同于金 属反射层的导电材料,导电材料为金属材料或透明导电层,以保证金属反射层 与半导体序列之间的电连接。

[0034] 随后,如图 1(f)所示,通过蒸镀或溅镀制备金属反射层,金属反射层的材料为 金、金锌或锌铍或银等反射率高的金属材料。

[0035] 随后,如图 2(a)所示,在金属反射层上直接制作非导电性载体。载体可以借助 溅射或 CVD等方法构建在复合结构上。作为支承层的材料特别适合的是氮化铝 , WAIN,或者氧化铝,如 AIO或者 AI 2O 3。或选择一导电性载体如硅等衬底作 为载体,表面溅镀或电镀一层金属键合层如 AuSn等。将外延结构和衬底之间通 过高温高压键合以将金属反射层与载体进行复合以形成载体的制作。本实施例 优选所述的衬底为导电性衬底。

[0036] 随后,如图 2(b)所示,从半导体序列去除生长衬底。例如,衬底被刻蚀掉或者 例如激光分离方法来剥离。

[0037] 随后,制作电极,对于载体为直接沉积形成非导电性载体,将半导体序列结构 化,通过第一导电性半导体层局部或区域性地 (通过掩膜) 表面蚀刻穿过有源 区、第二导电性半导体层、增透膜层至金属反射层表面,使得暴露金属反射层 、通过蒸镀或电镀或溅镀的方式在第一导电性半导体层层、金属反射层表面形 成第一电极、第二电极。对于载体为键合工艺形成的导电性载体,如图 2(c)所示 ,移除生长衬底前,通过在背面电镀、蒸镀或 CVD获得一层导电金属层以通过 背面第一电极,然后移除衬底,在半导体序列侧电镀、蒸镀第二电极。电极制 作完成后,如图 2(d)所示,进行绝缘保护层制作,用于将电极以外的半导体序列 表面进行绝缘、防水汽保护,绝缘保护层为氮化硅或氧化硅等材料,由此获得 了本发明的芯片结构。

[0038] 图 3和 4所示的根据本实施例获得的两种类型 LED芯片结构,图 3为具有导电性 载体,导电性载体背面设置有第一电极,正面通过键合层(图中未示出)、反 射层、增透膜层以及外延半导体序列连接,外延半导体序列上方设置有第二电 极,并通过绝缘保护层进行保护,其中金属镜面层与增透膜层之间为光滑面或 光滑处理面,半导体序列与增透膜层之间是粗化面,增透膜层为介电层,并通 过孔结构填充导电材料以实现金属反射层与半导体序列之间的电连接。图 4为具 有非导电性载体的 LED芯片结构,其中增透膜层为透明导电层,并且金属反射层 的侧面设置有平台以实现外部电接触。

[0039] 本实施例的产品由于具有表面结构,所以相对于在平坦的面上的反射,有利的 是以在半导体序列与增透膜之间反射时降低了辐射在半导体本体中持续全反射 ,而降低了被半导体序列反复吸收的概率,因此提高了半导体芯片的光输出效 率。金属反射层反射在半导体芯片工作时在有源区中产生的辐射。图 5(a)为半导 体序列与增透膜之间有表面结构(粗化面)以及金属反射层与增透膜之间为粗 化面光路示意图,图 5(b)为半导体序列与增透膜之间有表面结构(粗化面)以及 金属反射层与增透膜之间为光滑面的光路示意图,可以看出的是,由于该金属 反射层与增透膜层之间的界面为光滑面或光滑处理面,能够保持光路反射,而 不经过漫反射,保证光路大角度侧面出光。

[0040] 作为本实施例结构的变形,更优选地,半导体序列与增透膜之间的界面至少部 分区域为粗化面或图案化面,其中至少部分区域是指中间区域为粗化面或图案 化面,边缘区域设置为光滑处理面或光滑处理面,边缘区域为距离侧壁的距离 小于等于半导体序列的厚度,该发射至该区域的光能够直接通过光滑面或光滑 处理面进行反射,直接从侧面出光。

[0041] 以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已,并不用以限制本发明创造,凡在 本发明创造的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包 含在本发明创造的保护范围之内。