CN111415931A - 一种led芯片结构及其制作方法 - Google Patents

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徐洲
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Abstract

本申请提供一种LED芯片结构及其制作方法，所述LED芯片结构，在水平结构LED芯片的基础上，添加设置一个占用衬底面积较小的ESD二极管，ESD二极管与水平结构LED芯片反向并联连接，从而使得在给LED芯片施加电压时，无论施加正向电压还是反向电压，都能够提高LED的抗静电能力，尤其在施加反向电压时，更能够提高LED的抗静电能力。

Description

一种LED芯片结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种LED芯片结构及其制作方法。
背景技术
LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)的发光原理是利用电子在n型半导体与p型半导体间移动的能量差，以光的形式释放能量，这样的发光原理有别于白炽灯发热的发光原理，因此发光二极管被称为冷光源。此外，发光二极管具有耐久性高、寿命长、轻巧、耗电量低等优点，因此现今的照明市场对于发光二极管寄予厚望，将其视为新一代照明工具。
但是随着LED的发展，LED尺寸越来越小，造成常规制作的水平结构LED芯片的ESD(Eletro-Static discharge，静电释放)能力有限。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种LED芯片结构及其制作方法，以解决现有技术中LED芯片尺寸变小，而抗静电能力有限的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种LED芯片结构，包括：
衬底，所述衬底包括第一区域和第二区域，所述第一区域半包围所述第二区域，且，所述第二区域的面积占所述衬底面积的5％-10％，包括端点值；
位于所述第一区域的发光二极管，所述发光二极管包括N型电极和P型电极；
与所述发光二极管之间具有间隙，且位于所述第二区域的ESD二极管，所述ESD二极管包括N型电极和P型电极；
其中，所述发光二极管和所述ESD二极管采用相同的工艺步骤同时形成；
所述发光二极管的N型电极与所述ESD二极管的P型电极电性连接；
所述发光二极管的P型电极与所述ESD二极管的N型电极电性连接。
优选地，所述发光二极管和所述ESD二极管均包括：
依次生长形成在所述衬底上的第一型半导体层、有源层和第二型半导体层。
优选地，还包括：
覆盖所述第二型半导体层、所述发光二极管的侧壁以及所述ESD二极管侧壁的钝化层。
优选地，还包括：
位于所述钝化层背离所述衬底的表面上的第一走线和第二走线；
所述第一走线将所述发光二极管的N型电极与所述ESD二极管的P型电极电性连接；
所述第二走线将所述发光二极管的P型电极与所述ESD二极管的N型电极电性连接。
优选地，所述第一走线、所述第二走线、所述发光二极管的N型电极、P型电极、所述ESD二极管的N型电极、P型电极的材质相同，且在同一工艺步骤中形成。
优选地，所述第一型半导体层为N型半导体层；
所述第二型半导体层为P型半导体层。
优选地，所述第一型半导体层为P型半导体层；
所述第二型半导体层为N型半导体层。
优选地，所述P型半导体层为P型氮化镓层，所述N型半导体层为N型氮化镓层。
本发明还提供一种LED芯片结构制作方法，用于制作形成上面任意一项所述的LED芯片结构，所述制作方法包括：
提供衬底，所述衬底包括第一区域和第二区域，所述第一区域半包围所述第二区域，且，所述第二区域的面积占所述衬底面积的5％-10％；
采用相同的工艺步骤同时在所述第一区域形成发光二极管，在所述第二区域形成ESD二极管，所述发光二极管包括N型电极和P型电极，所述ESD二极管包括N型电极和P型电极；
将所述发光二极管的N型电极与所述ESD二极管的P型电极电性连接，以及将所述发光二极管的P型电极与所述ESD二极管的N型电极电性连接。
优选地，在形成所述N型电极和P型电极之前，还包括：
形成整层钝化层，覆盖所述发光二极管和所述ESD二极管的外延结构；
刻蚀所述钝化层，形成四个开口，分别对应所述发光二极管的N型电极和P型电极，以及所述ESD二极管的N型电极和P型电极。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的LED芯片结构，在水平结构LED芯片的基础上，添加设置一个占用衬底面积较小的ESD二极管，ESD二极管与水平结构LED芯片反向并联连接，从而使得在给LED芯片施加电压时，无论施加正向电压还是反向电压，都能够提高LED的抗静电能力，尤其在施加反向电压时，更能够提高LED的抗静电能力。
附图说明
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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的LED芯片结构示意图；
图2为LED芯片结构的PN结电容示意图；
图3为本发明实施例提供的LED芯片结构的等效电路示意图；
图4为本发明实施例提供的LED芯片结构的俯视结构示意图；
图5为本发明实施例提供的LED芯片结构剖面结构示意图；
图6为本发明实施例提供的LED芯片结构和现有技术中的LED芯片结构的抗静电能力测试图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中的随着LED芯片尺寸的缩小，其ESD能力有限。
发明人发现，出现上述现象的原因是：
如图1所示，为现有技术中的LED芯片结构，包括：绝缘衬底0l，位于绝缘衬底0l上的依次层叠设置的P型(或N型)半导体层02、MQW(多量子阱)有源区03、N型(或P型)半导体层04；覆盖半导体层的钝化层05，钝化层05上开设有通孔，分别形成N(或P)型金属电极06与P(或N)型金属电极07。
对应的制作步骤包括：提供绝缘衬底0l；然后通过外延生长工艺依次形成P型(或N型)半导体层02、MQW(多量子阱)有源区03、N型(或P型)半导体层04；通过干法蚀刻或湿法蚀刻工艺对MQW有源区刻蚀，直到漏出P型(或N型)半导体层02；然后通过干法蚀刻或湿法蚀刻工艺将外延结构的***部分刻穿，到绝缘衬底01；整个结构上覆盖钝化层05；对钝化层05进行干法蚀刻或湿法蚀刻，形成两个电极槽；在电极槽内形成欧姆接触层(图中未示出)，沉积金属形成N型金属电极和P型金属电极。
如图2所示，在PN结(两种半导体的交界处)会因为外加电压产生一定电荷积累，即结电容Cj效应，也即如图2中的空乏区所示。对应结电容Cj越大，抗静电(ESD)能力越强，反之，则越差。当外加电压的时候，空乏区的宽度w发生变化，将会引起其电荷量的变化，从而产生等效的电容效应。它与PN结面积A、空乏区宽度w、半导体介电常数ε和外加电压都有关系。
Cj＝εA/w
芯片尺寸决定A，尺寸越大，A越大，结电容Cj越大，抗静电(ESD)能力越强。
当给LED器件正向偏压时，空乏区宽度w相对较小，结电容Cj较大，抗静电(ESD)能力较强；当给LED器件反向偏压时，空乏区宽度w增加，结电容变小，抗静电(ESD)能力差。若LED芯片尺寸变得更小，则结电容Cj越来越小，静电击穿越来越容易，抗静电(ESD)能力到了瓶颈，所以，常规的水平结构LED芯片，在加反向偏压时，抗静电(ESD)能力较差。
基于此，本发明提供一种LED芯片结构，包括：
衬底，所述衬底包括第一区域和第二区域，所述第一区域半包围所述第二区域，且，所述第二区域的面积占所述衬底面积的5％-10％，包括端点值；
位于所述第一区域的发光二极管，所述发光二极管包括N型电极和P型电极；
与所述发光二极管之间具有间隙，且位于所述第二区域的ESD二极管，所述ESD二极管包括N型电极和P型电极；
其中，所述发光二极管和所述ESD二极管采用相同的工艺步骤同时形成；
所述发光二极管的N型电极与所述ESD二极管的P型电极电性连接；
所述发光二极管的P型电极与所述ESD二极管的N型电极电性连接。
本发明提供的LED芯片结构，在水平结构LED芯片的基础上，添加设置一个占用衬底面积较小的ESD二极管，ESD二极管与水平结构LED芯片反向并联连接，从而使得在给LED芯片施加电压时，无论施加正向电压还是反向电压，都能够提高LED的抗静电能力，尤其在施加反向电压时，更能够提高LED的抗静电能力。
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。
本发明实施例提供的LED芯片结构，如图3、图4和图5所示，其中，图3为本发明实施例提供的LED芯片结构的等效电路示意图；图4为本发明实施例提供的LED芯片结构的俯视结构示意图；图5为本发明实施例提供的LED芯片结构剖面结构示意图；所述LED芯片包括：衬底1，衬底1包括第一区域ll和第二区域12，第一区域l1半包围第二区域12，且，第二区域12的面积占衬底1面积的5％-10％；位于第一区域11的发光二极管LED2，发光二极管LED2包括N型电极A和P型电极B；与发光二极管2之间具有间隙，且位于第二区域12的ESD二极管，ESD二极管3包括N型电极D和P型电极C；其中，发光二极管2和ESD二极管3采用相同的工艺步骤同时形成；发光二极管2的N型电极与ESD二极管3的P型电极电性连接；发光二极管2的P型电极与ESD二极管3的N型电极电性连接。
请参见图3所示，为本发明实施例提供的LED芯片结构的等效电路示意图。本发明实施例提供的LED芯片结构为在常规的水平结构LED芯片上反向并联ESD保护二极管。
当对LED施加正向电压时，由于发光二极管的单向导电特性，电流仅通过主要发光区域，引起正常发光；当有反向ESD大电流通过时，电流会从独立出来的ESD二极管优先通过，从而避免主要发光区域受到伤害，从而增加了LED芯片的抗静电能力。
本实施例中不限定衬底的材料，可选的衬底1为绝缘衬底。所述衬底的材质可以为蓝宝石或硅。
本发明实施例中不限定发光二极管和ESD二极管的具体结构，可选的，如图5中所示，发光二极管2和ESD二极管3均至少包括依次生长在形成在衬底1上的第一型半导体层4、有源层5和第二型半导体层6。本发明实施例提供的发光二极管和ESD二极管还可以包括其他层结构，比如电流扩展层，电流阻挡层等，电流扩展层的作用为改善电流传输，在发光二极管和ESD二极管电极下方制作电流扩展层，使得电流分散到电极之外。
为了使得形成的LED芯片结构表面不被其他水汽或氧气侵蚀，本发明实施例中在形成LED芯片的外延层之后，还包括在第二型半导体层、发光二极管的侧壁以及ESD二极管侧壁形成整层的钝化层7，然后，通过在钝化层上形成开口，以暴露发光二极管的N型电极和P型电极的位置，以及ESD二极管的N型电极和P型电极的位置。
后续通过在钝化层7沉积金属形成对应的发光二极管的N型电极和P型电极，以及ESD二极管的N型电极和P型电极。
需要说明的是，本发明实施例中不限定发光二极管的N型电极、P型电极以及ESD二极管的N型电极和P型电极的材质，可选为金属铜或金属银。
本发明实施例中第一型半导体层、第二型半导体层的具体材质不作限定，第一型半导体层和第二型半导体层是掺杂类型相反的半导体层，其中，第一型半导体层可以是N型半导体层，也可以是P型半导体层，但第一型半导体层为N型半导体层时，第二型半导体层为P型半导体层；当第一型半导体层为P型半导体层时，第二型半导体层为N型半导体层。可选的，所述N型半导体层为N型氮化镓层，所述P型半导体层为P型半导体层。
如图4所示，本发明实施例提供的LED芯片结构，其中，LED芯片所在的第一衬底的面积较大，而ESD二极管所在的第二衬底的面积较小，从而避免增加设置ESD二极管导致发光二极管的有效发光面积减小较多，影响发光二极管的发光效率。因此，本发明实施例中，ESD二极管所在的第二区域的面积占用衬底的整体面积的5％-10％，包括端点值。
参见图4，LED芯片所在的第一区域半包围所述ESD二极管所在的第二区域，相当于ESD二极管所在的第二区域利用了水平结构的LED芯片的其中一个电极所在区域的位置，占用其一部分，制作形成ESD二极管，从而避免ESD二极管所占用面积较大的问题。
请继续参见图4，本发明实施例中对发光二极管的N型电极与所述ESD二极管的P型电极电性连接；所述发光二极管的P型电极与所述ESD二极管的N型电极电性连接的具体方式不作限定，可选的，所述LED芯片结构在钝化层上方还包括位于钝化层背离衬底表面的第一走线8l和第二走线82，所述第一走线8l用于将所述发光二极管的N型电极A与所述ESD二极管的P型电极C电性连接；第二走线82将所述发光二极管的P型电极B与所述ESD二极管的N型电极电性D连接。本实施例中第一走线81和第二走线82可以与发光二极管的N型电极、P型电极、ESD二极管的N型电极、P型电极的材质相同，且在同一工艺步骤中形成。
实验示例
其中，菱形线代表现有技术中水平LED芯片的抗静电能力曲线，在1500V时，通过率为63％；而方形线代表本发明实施例中提供的反向并联了ESD二极管的LED芯片结构，从图6中可以看出，在施加电压2500V时，通过率约为98％，而施加3000V电压时，通过率约为66％；通过实验可以得知，本发明提供的带有ESD二极管的LED芯片结构的抗静电能力有较大提升，也即，带有ESD二极管的LED芯片结构的抗静电能力提升效果显著，进而能够提高LED芯片的寿命。
本发明实施例提供的具有ESD保护结构的LED芯片，其在静电反向放电情况下有效的避免发光二极管遭到破坏，制作工艺简单，节约了生产成本。
本发明还提供一种LED芯片结构制作方法，用于制作形成上面实施例中的带有ESD二极管的LED芯片，所述制作方法：
提供衬底，所述衬底包括第一区域和第二区域，所述第一区域半包围所述第二区域，且，所述第二区域的面积占所述衬底面积的5％-10％；
采用相同的工艺步骤同时在所述第一区域形成发光二极管，在所述第二区域形成ESD二极管，所述发光二极管包括N型电极和P型电极，所述ESD二极管包括N型电极和P型电极；
将所述发光二极管的N型电极与所述ESD二极管的P型电极电性连接，以及将所述发光二极管的P型电极与所述ESD二极管的N型电极电性连接。
其中，在形成所述N型电极和P型电极之前，还包括：
形成整层钝化层，覆盖所述发光二极管和所述ESD二极管的外延结构；
刻蚀所述钝化层，形成四个开口，分别对应所述发光二极管的N型电极和P型电极，以及所述ESD二极管的N型电极和P型电极。
需要说明的是，本发明实施例提供的LED芯片结构的制作方法可以兼容现有技术中的制作工艺，只需要在衬底上生长第一型半导体层、有源层和第二型半导体层后，刻蚀形成电极沟槽过程中，增加设置两个电极的沟槽即可，用于使得N型电极与N型半导体层连接，P型电极与P型半导体层。然后再在钝化层上刻蚀形成开口，沉积金属形成N型电极和P型电极的过程中，同时形成第一走线和第二走线，将LED的N型电极与ESD的P型电极相连；LED的P型电极与ESD的N型电极相连。
也即，本发明实施例中提供的LED芯片结构制作方法，只需要改变刻蚀和沉积金属的区域，与现有技术中的制作工艺相似，从而并没有增加较多成本就实现了大幅增强抗静电能力，提高LED芯片寿命的目的。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种LED芯片结构，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底包括第一区域和第二区域，所述第一区域半包围所述第二区域，且，所述第二区域的面积占所述衬底面积的5％-10％，包括端点值；
位于所述第一区域的发光二极管，所述发光二极管包括N型电极和P型电极；
与所述发光二极管之间具有间隙，且位于所述第二区域的ESD二极管，所述ESD二极管包括N型电极和P型电极；
其中，所述发光二极管和所述ESD二极管采用相同的工艺步骤同时形成；
所述发光二极管的N型电极与所述ESD二极管的P型电极电性连接；
所述发光二极管的P型电极与所述ESD二极管的N型电极电性连接。
2.根据权利要求1所述的LED芯片结构，其特征在于，所述发光二极管和所述ESD二极管均包括：
依次生长形成在所述衬底上的第一型半导体层、有源层和第二型半导体层。
3.根据权利要求2所述的LED芯片结构，其特征在于，还包括：
覆盖所述第二型半导体层、所述发光二极管的侧壁以及所述ESD二极管侧壁的钝化层。
4.根据权利要求3所述的LED芯片结构，其特征在于，还包括：
位于所述钝化层背离所述衬底的表面上的第一走线和第二走线；
所述第一走线将所述发光二极管的N型电极与所述ESD二极管的P型电极电性连接；
所述第二走线将所述发光二极管的P型电极与所述ESD二极管的N型电极电性连接。
5.根据权利要求4所述的LED芯片结构，其特征在于，所述第一走线、所述第二走线、所述发光二极管的N型电极、P型电极、所述ESD二极管的N型电极、P型电极的材质相同，且在同一工艺步骤中形成。
6.根据权利要求2所述的LED芯片结构，其特征在于，
所述第一型半导体层为N型半导体层；
所述第二型半导体层为P型半导体层。
7.根据权利要求2所述的LED芯片结构，其特征在于，
所述第一型半导体层为P型半导体层；
所述第二型半导体层为N型半导体层。
8.根据权利要求6或7所述的LED芯片结构，其特征在于，
所述P型半导体层为P型氮化镓层，所述N型半导体层为N型氮化镓层。
9.一种LED芯片结构制作方法，其特征在于，用于制作形成权利要求1-8任意一项所述的LED芯片结构，所述制作方法包括：
提供衬底，所述衬底包括第一区域和第二区域，所述第一区域半包围所述第二区域，且，所述第二区域的面积占所述衬底面积的5％-10％；
采用相同的工艺步骤同时在所述第一区域形成发光二极管，在所述第二区域形成ESD二极管，所述发光二极管包括N型电极和P型电极，所述ESD二极管包括N型电极和P型电极；
将所述发光二极管的N型电极与所述ESD二极管的P型电极电性连接，以及将所述发光二极管的P型电极与所述ESD二极管的N型电极电性连接。
10.根据权利要求9所述的LED芯片结构制作方法，其特征在于，在形成所述N型电极和P型电极之前，还包括：
形成整层钝化层，覆盖所述发光二极管和所述ESD二极管的外延结构；
刻蚀所述钝化层，形成四个开口，分别对应所述发光二极管的N型电极和P型电极，以及所述ESD二极管的N型电极和P型电极。
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