CN104766914A - 一种高取光率的高压led芯片结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高取光率的高压LED芯片结构，属于光电子发光器件领域。包括多个微晶粒单元，每个微晶粒单元包括衬底以及衬底上依次生长的N型氮化物层、发光层、P型氮化物层和透明导电层，所述N型氮化物层连接N型电极，所述透明导电层连接P型电极，所述各微晶粒单元之间由金属导电层连接形成串联或/和并联，所述金属导电层底面设有钝化层，其特征在于，所述高压LED芯片表面还设置涂覆层，所述涂覆层的表面是非平整的。本发明通过对表面涂覆层粗化处理形成非平整的结构，有效提高了高压LED芯片的取光效率及出光量，提升了高压LED芯片的性能，且成本低廉，操作简单。
Description
技术领域
本发明属于光电子发光器件领域，具体涉及一种高取光率的高压LED芯片结构。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)具有体积小、寿命长、功耗低、稳定性好等优点，已广泛应用于照明、背光显示、汽车车灯等日常生活中。目前应用最广泛的是大功率LED，但传统的直流大功率LED采用大电流低电压的驱动方式，大的驱动电流会导致器件出现严重的热耗，光出射率低，电流扩散差。为了解决大功率LED大电流驱动存在的问题，人们提出了高压LED芯片。高压LED芯片是在芯片级实现微晶粒的串并联构成的新型LED芯片。高压LED芯片采用低电流驱动，提高了高压LED器件的可靠性，降低了应用过程中的线路损耗；同时还可大幅度降低对散热外壳和散热***的设计要求，降低封装成本。
随着氮化镓(GaN)材料P型掺杂的突破为起点的第三代半导体材料的兴起，以及以III族氮化物为基础的高亮度LED的技术突破，用于新一代绿色环保固体照明光源的氮化物LED得到了广泛的关注和研究。然而，GaN半导体的折射率较高(约为2.5)，大于临界角入射的光线会在两种不同材料(半导体与空气)界面处发生全反射而不能出射，导致光线在半导体材料中来回反射，从芯片台面边缘出射，甚至被半导体材料吸收而消耗掉。为了降低半导体与空气之间的折射率差，提高取光效率，通常会在高压LED芯片表面涂覆一层环氧树脂或硅胶等有机物。表面涂覆层虽然会提高取光效率，但还是有光线会因为全反射被限制在芯片内部，或者经过多次全反射从芯片侧面出射，在芯片内全反射过程中光线也会衰减；并且对于侧面积所占比例很小的LED来说，取光率会很低，限制了超大面积高压LED芯片的研究和应用。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种高取光率的高压LED芯片结构，该高压LED芯片可有效提高高压LED的取光效率，增加高压LED的出光量，提升高压LED的性能。
本发明的技术方案如下：
一种高取光率的高压LED芯片结构，包括多个微晶粒单元，每个微晶粒单元包括衬底1以及衬底1上依次生长的N型氮化物层2、发光层3、P型氮化物层4和透明导电层5，所述N型氮化物层2连接N型电极8，所述透明导电层5连接P型电极11，所述各微晶粒单元之间由金属导电层9连接形成串联或/和并联，所述金属导电层9底面设有钝化层10，其特征在于，所述高压LED芯片表面还设置涂覆层，所述涂覆层的表面是非平整的。
进一步地，所述涂覆层的表面为高低起伏的凸起或/和凹陷结构。
进一步地，所述凸起或凹陷为规则或/和不规则图形构成。
进一步地，所述涂覆层为低折射率的有机高分子材料，具体为环氧树脂或硅胶等。
进一步地，所述衬底为高热导率的材料，如碳化硅等；所述钝化层为氮化硅等。
进一步地，所述涂覆层为对表面进行粗化处理得到。
一种高取光率的高压LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底上采用常规方法制备N型氮化物层、发光层、P型氮化物层、透明导电层、N型电极、P型电极、金属导电层和钝化层；
步骤2：制作硅基粗化模板；
步骤3：在步骤1得到的LED芯片表面制备一层涂覆层，将步骤2得到的硅基粗化模板倒压在涂覆层上，固化，取下粗化模板，得到本发明所述的高压LED芯片。
本发明的有益效果为：本发明通过对高压LED芯片表面涂覆层进行粗化处理，形成非平整的结构，有效提高了高压LED芯片的取光效率，增加了高压LED芯片的出光量，提高了高压LED芯片的性能，且成本低廉，操作简单。
附图说明
图1为现有的高压LED芯片的剖面结构示意图。
图2为现有的高压LED芯片结构的仿真结果图。
图3为本发明实施例的一种高压LED芯片的剖面结构示意图。
图4为本发明实施例的一种高压LED芯片结构的仿真结果图。
图5为本发明实施例的一种粗化模板的制备工艺流程图。
图6为本发明实施例的具有非平整结构的表面涂覆层的制备工艺流程图。
图7为本发明提出的高压LED芯片的另一实施方式的剖面结构示意图。
图8为本发明实施例的硅胶形成的粗化结构的一种工作状态。
图9为本发明实施例的硅胶形成的粗化结构的另一种工作状态。
具体实施方式
本发明对传统高压LED芯片表面的涂覆层进行粗化处理，形成表面不平整的涂覆层，可有效提高高压LED芯片的取光效率。本发明的原理为：以实施例中表面为规则排列的矩形凸起结构的硅胶涂覆层为例进行说明，硅胶的折射率为1.4，和空气界面的全反射角约为46°。如图8所示，在涂覆层中，假设光线II以α＝50°的角度入射涂覆层表面平整部分，由于入射角大于全反射角，光线会反射回涂覆层内部；若同样以与涂覆层表面平整部分成50°角度的光线I斜射入矩形凸起侧壁，根据几何关系计算得入射角为40°，此时入射角小于全反射角，光线则会出射涂覆层进入空气。如图9所示，假设光线II以α＝30°入射涂覆层表面平整部分，由于入射角小于全反射角，光线会出射进入空气；若同样以与涂覆层表面平整部分成30°角度的光线I斜射如矩形凸起侧壁，根据几何关系计算得入射角为60°，会发生全反射，经过数次全反射后又入射至涂覆层表面，出射进入空气。
为了进一步说明本发明所述表面不平整的涂覆层对高压LED芯片取光效率的影响，采用光学仿真软件TracePro对两种高压LED芯片结构(图1所示的现有结构和图3所示的本发明的结构)分别进行模拟分析。发射光通量为0.05lm，总的光线条数为10000。采用如图1所示的现有的高压LED芯片结构仿真得到入射光通量的照度图如图2所示，图的下方给出了仿真结果：照度的最大值、最小值及平均值，总的光通量、光线条数以及取光率。而采用如图3所示的结构仿真得到的结果如图4所示。对比图2和图4可知，无论是照度的最大值、平均值，还是总的光通量、光线条数，图4所示的结果都优于图2所示的结果；特别是取光率由图2所示的0.2824提高到图4所示的0.39777，取光效率得到明显提高。
实施例
一种高取光率的高压LED芯片结构，如图3所示，包括多个微晶粒单元，每个微晶粒单元包括衬底1以及衬底1上依次生长的N型氮化物层2、发光层3、P型氮化物层4和透明导电层5，所述N型氮化物层2上的一端连接N型电极8，所述透明导电层5上、与N型电极8相对的另一端设置P型电极11，各微晶粒单元之间由金属导电层9连接形成串联或/和并联，金属导电层9与衬底1之间设置钝化层10，所述高压LED芯片表面涂覆硅胶，所述硅胶表面为规则排列的长方形凸起7，以减少全反射，提高取光效率。
本实施例中，衬底为不导电且具有高热导率的碳化硅，可增强高压LED的散热能力；N型氮化物层2和P型氮化物层4中的氮化物为GaN；发光层3为AlGaN/GaN交替生长形成；透明导电层5为氧化铟锡；电极材料为Ti/Au合金或Ti/Pt/Au合金；钝化层10为氮化硅；所述微晶粒单元通过金属导电层9形成串联结构。
实施例提供的高取光率的高压LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底1上采用金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)依次序沉积形成N型GaN层2、发光层3、P型GaN层4；
步骤2：利用光刻和感应耦合等离子体(ICP)技术刻蚀出N型GaN层2的欧姆接触区；
步骤3：采用光刻和蒸发法制作透明导电层5；
步骤4：采用光刻和蒸发法制作金属导电层9底部的钝化层10；
步骤5：采用光刻、蒸发或光刻、电镀的方法制备N型电极8、P型电极11和各微晶粒单元间串并联连接的金属导电层9；
步骤6：制作硅基粗化模板：清洗硅片，吹干；在清洗后的硅片上旋涂一层AZ5214光刻胶，按照设计的图形进行紫外光刻曝光6.5s，显影45s去掉被曝光的光刻胶，留下设计的图形，并在110℃下坚膜90s；采用氧等离子体去底胶2分钟，其中，氧气流量为150sccm，功率为200W；以光刻胶为掩膜通过深硅刻蚀设备对硅片进行刻蚀；去胶，清洗，烘干，得到硅基粗化模板；具体流程如图5所示；
步骤7：在步骤5得到的高压LED芯片表面涂覆一层硅胶，在步骤6得到的硅基粗化模板上涂一层硅油做防粘处理，将硅基粗化模板倒压在硅胶上，然后对硅胶固化，固化结束后，将硅基粗化模板取下，必要时对硅胶表面进行清洗；其具体的流程如图6所示；
步骤8：将上步得到的高压LED芯片衬底减薄，继续芯片的后段工艺：切割、崩裂、扩晶、点测、分选等，完成整个芯片的制作。
如图7所示，为本发明的另一实施方式，所述涂覆层表面为规则的和不规则的图形构成的凸起和凹陷。
Claims (7)
1.一种高取光率的高压LED芯片结构，包括多个微晶粒单元，每个微晶粒单元包括衬底(1)以及衬底(1)上依次生长的N型氮化物层(2)、发光层(3)、P型氮化物层(4)和透明导电层(5)，所述N型氮化物层(2)连接N型电极(8)，所述透明导电层(5)连接P型电极(11)，所述各微晶粒单元之间由金属导电层(9)连接形成串联或/和并联，所述金属导电层(9)底面设有钝化层(10)，其特征在于，所述高压LED芯片表面还设置涂覆层，所述涂覆层的表面是非平整的。
2.根据权利要求1所述的高取光率的高压LED芯片结构，其特征在于，所述涂覆层的表面为高低起伏的凸起或/和凹陷结构。
3.根据权利要求2所述的高取光率的高压LED芯片结构，其特征在于，所述凸起或凹陷为规则或/和不规则图形。
4.根据权利要求1所述的高取光率的高压LED芯片结构，其特征在于，所述涂覆层为低折射率的有机高分子材料，具体为环氧树脂或硅胶。
5.根据权利要求1所述的高取光率的高压LED芯片结构，其特征在于，所述衬底为碳化硅，所述钝化层为氮化硅。
6.根据权利要求1所述的高取光率的高压LED芯片结构，其特征在于，所述涂覆层为对表面进行粗化处理得到。
7.一种高取光率的高压LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
步骤1：在衬底上采用常规方法制备N型氮化物层、发光层、P型氮化物层、透明导电层、N型电极、P型电极、金属导电层和钝化层；
步骤2：制作硅基粗化模板；
步骤3：在步骤1得到的LED芯片表面制备一层涂覆层，将步骤2得到的硅基粗化模板倒压在涂覆层上，固化，取下粗化模板，得到本发明所述的高压LED芯片。
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