一种高取光率的高压LED芯片结构.pdf

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。

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。

一种高取光率的高压LED芯片结构
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系统的设计要求，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。