阅读说明：本技术 一种反向稳压led芯片及其制备方法 (reverse voltage-stabilizing LED chip and preparation method thereof ) 是由 王硕 庄家铭 崔永进 于 2019-09-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种反向稳压LED芯片,其包括：衬底、外延层、第一刻蚀道、第一发光结构和至少一个第二发光结构；所述外延层设于所述衬底上,并通过刻蚀至所述衬底的第一刻蚀道分为第一区域与第二区域；所述第一发光结构设于所述第一区域；所述第二发光结构设于所述第二区域；所述第一发光结构和第二发光结构相互串联；且所述第一发光结构和第二发光结构电流传输方向相反。本发明通过将多个第二发光结构相互串联,可将反向击穿电压提高至3n V(其中,n为第二发光结构的个数),大幅提升了有反向电流存在时,LED芯片的安全性、可靠性,使得本发明中的LED芯片可应用于多种不同的使用场合。(the invention discloses a reverse voltage stabilization LED chip, which comprises: the LED chip comprises a substrate, an epitaxial layer, a first etching channel, a first light emitting structure and at least one second light emitting structure; the epitaxial layer is arranged on the substrate and is divided into a first area and a second area through a first etching channel etched to the substrate; the first light-emitting structure is arranged in the first area; the second light-emitting structure is arranged in the second area; the first light-emitting structure and the second light-emitting structure are connected in series; and the current transmission directions of the first light-emitting structure and the second light-emitting structure are opposite. According to the invention, the plurality of second light-emitting structures are connected in series, so that the reverse breakdown voltage can be increased to 3n V (wherein n is the number of the second light-emitting structures), and the safety and reliability of the LED chip in the presence of reverse current are greatly improved, so that the LED chip can be applied to various different use occasions.)

一种反向稳压LED芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及发光二极管技术领域，尤其涉及一种反向稳压LED芯片及其制备方法。

背景技术

LED又称发光二极管，是半导体二极管的一种，其具有单向导电性。当在LED芯片外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向电流，这种反向电流很小，二极管处于截止状态。这个反向电流又称为反向饱和电流或漏电流。但当外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为电击穿。引起电击穿的临界电压称为二极管反向击穿电压。电击穿时二极管失去单向导电性，如果二极管没有因电击穿而引起过热，则单向导电性不一定会被永久破坏，在撤除外加电压后，其性能仍可恢复，否则二极管就会彻底失去单向导电性，被永久损坏了。因而使用时应避免二极管外加的反向电压过高。

由于在现有使用场合中，很少会出现反向电压的情景，因此现有的LED芯片往往不进行反向保护电路的设计。一种经常出现反向电流的场合是在测试芯片是否漏电时，由于LED芯片漏电通过正向施加电压是无法区分的，故采用反向施加电压的方法来测试；但在这种测试场合中，由于LED的正向电压通常小于4V，所以反向测试电压只要略大于正向电压就可以了，所以业界规定用5V电压，但这个5V电压绝不是指反向击穿电压。因此，仅仅满足在5V反向电压下不漏电是远远不足以证明其安全性的，使得现有的LED芯片多无法应用在反向电流较大的使用场合，安全性较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种反向稳压LED芯片，其反向击穿电压高，可有效避免反向电流损坏LED芯片，提升LED芯片可靠性。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种反向稳压LED芯片的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种反向稳压LED芯片，其包括：衬底、外延层、第一刻蚀道、第一发光结构和至少一个第二发光结构；所述外延层设于所述衬底上，并通过刻蚀至所述衬底的第一刻蚀道分为第一区域与第二区域；

所述第一发光结构设于所述第一区域；所述第二发光结构设于所述第二区域；所述第一发光结构和第二发光结构串联；且所述第一发光结构和第二发光结构电流传输方向相反。

作为上述技术方案的改进，还包括第一二次电极和第二二次电极；

所述第一发光结构包括第一电极和第二电极，所述第二发光结构包括第三电极和第四电极；

所述第一电极和所述第四电极通过横跨所述第一刻蚀道的所述第二二次电极实现电连接；

所述第二电极和所述第三电极通过横跨所述第一刻蚀道的所述第一二次电极实现电连接。

作为上述技术方案的改进，所述第二区域还设有第二刻蚀道和第三二次电极；所述第二刻蚀道刻蚀至所述衬底；

相邻的第二发光结构通过所述第二刻蚀道隔开，并通过所述第三二次电极实现电连接。

作为上述技术方案的改进，所述第一区域的面积：第二区域的面积为(2～5)：(0.5～1.5)。

作为上述技术方案的改进，所述第二区域设有2～8个第二发光结构和1～7条第二刻蚀道。

作为上述技术方案的改进，所述第一刻蚀道和第二刻蚀道侧壁具有倾斜角度。

作为上述技术方案的改进，所述倾斜角度≤60度。

作为上述技术方案的改进，所述第一发光结构和第二发光结构还包括电流阻挡层、电流扩散层和钝化层。

作为上述技术方案的改进，所述第一发光结构和第二发光结构平行设置。

相应的，本发明还公开了一种上述的反向稳压LED芯片的制备方法，其包括：

(1)提供一衬底，在所述衬底上形成外延层；

(2)在所述外延层上形成第一裸露区域和第二裸露区域；

(3)形成第一刻蚀道；

(4)形成第一发光结构和第二发光结构；

(5)将所述第一发光结构和第二发光结构相互串联；即得到反向稳压LED芯片成品。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明的LED芯片在衬底表面设计了电流传输方向相反的两种发光结构——第一发光结构和第二发光结构；其中，多个第二发光结构相互串联，可将反向击穿电压提高至3nV(其中，n为第二发光结构的个数)，大幅提升了有反向电流存在时，LED芯片的安全性、可靠性，使得本发明中的LED芯片可应用于多种不同的使用场合。

附图说明

图1是本发明一实施例中反向稳压LED芯片的结构示意图；

图2是图1中A-A方向的剖视图；

图3是图1中B-B方向的剖视图；

图4是图1中C-C方向的剖视图；

图5是本发明另一实施例中反向稳压LED芯片的结构示意图；

图6是图5中A-A方向的剖视图；

图7是图5中B-B方向的剖视图；

图8是图5中C-C方向的剖视图；

图9是本发明一种反向稳压LED芯片的制备方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。

参见图1至图4，本实施例提供了一种反向稳压LED芯片，其包括：衬底1，外延层2、第一刻蚀道3、第一发光结构4和至少一个第二发光结构5。其中，外延层2设置在衬底1上，第一刻蚀道3设置在外延层2上；外延层2通过刻蚀至衬底1的第一刻蚀道3分为第一区域21和第二区域22。第一发光结构4设置在第一区域21，第二发光结构5设置在第二区域22。第一发光结构4和第二发光结构5串联；且两者的电流传输方向相反。本发明在LED芯片上设计了两种发光结构，其电流传输方向相反，相当于在LED芯片结构中加入了一额外的保护电路，避免反向电压所造成的芯片损坏。

具体的，参见图2，外延层2从下到上依次包括第一半导体层23、有源层24和第二半导体层25；本发明对于外延层的具体类型不做特殊限制，本领域技术人员可根据具体的LED芯片类型进行选用。具体的，在本实施例之中，外延层2为GaN型半导体层，第一半导体层23为N-GaN层，第二半导体层为P-GaN层。

具体的，参见图2、图3，在本实施例之中，第一发光结构4包括第一电极41和第二电极43，其中，第一电极41与第一半导体层23连接，第二电极43与第二半导体层24连接。第二发光结构5包括第三电极51和第四电极52，第三电极51与第一半导体层23连接，第四电极52与第二半导体层24连接。第一发光结构4和第二发光结构5通过刻蚀至衬底1的第一刻蚀道3隔开；使得第一电极41与第三电极51，第二电极42与第四电极52在外延层2上实现绝缘。

具体的，参见图1、图3、图4；在本实施例之中，还包括第一二次电极6和第二二次电极7。其中，第一二次电极6横跨过第一刻蚀道3，并连接第一电极41和第四电极52；第二二次电极7横跨过第一刻蚀道3，并连接第二电极42和第三电极51；通过第一二次电极6和第二二次电极7的连接，使得第一发光结构4和第二发光结构5相互串联；且使得两者电流传输方向相反。

具体的，在本发明中，LED芯片表面设有n个第二发光结构5，具体的，2≤n≤8；通过n个第二发光结构，可将LED芯片的反向击穿电压提高至3n V。优选的，2≤n≤5；进一步优选的，n＝3。本发明对于第二发光结构5的个数不做特殊限制，本领域技术人员可根据具体的使用场合选用。

具体的，参见图2，在本实施例之中，LED芯片表面设有2个第二发光结构5；第二发光结构5通过贯穿至衬底1的第二刻蚀道8，以使得不同第二发光结构在外延层2上不互相导通。进一步的，在LED芯片表面还设有第三二次电极9，其横跨第二刻蚀道8，并将相邻第二发光结构5的第三电极51与第四电极52连接，以实现相邻第二发光结构5的相互串联。

需要说明的是，在LED芯片表面设置相反的发光结构虽然能提高LED芯片的反向击穿电压，提升其安全性。但反向发光结构也会占用LED芯片表面面积，导致发光面积减少，LED光效下降。因此，为了平衡光效以及反向稳压作用，需要对两种发光结构所占面积进行控制。具体的，在本发明中，控制第一区域21面积：第二区域22的面积为(2～5)：(0.5～1.5)；其中，第一区域21用于形成第一发光结构4，其主要用于正向导通情况下发光；第二区域22用于形成第二发光结构5，其主要用于反向导通情况下提升反向击穿电压。控制第一区域与第二区域的比例，可有效提升LED芯片的亮度。优选的，第一区域的面积：第二区域的面积为(2～5)：1。

进一步的，为了提升LED芯片的亮度，将第一发光结构与第二发光结构平行设置，以实现LED芯片表面面积的充分利用。

进一步的，为了提升LED芯片的亮度，在第一刻蚀道3和第二刻蚀道8的侧壁设有倾斜角度，其能够提升LED芯片的侧边出光效率，提升亮度。具体的，所述倾斜角度≤60度；优选的为30～50度。

此外，参考图4～图8，在本发明的另一实施例之中，为了提升LED芯片的整体性能，第一发光结构4和第二发光结构5还包括电流阻挡层43/53，透明导电层44/54，钝化层45/55。其中，电流阻挡层43/53设置在第一电极41、第三电极51与第二半导体层25之间，其可有效防止电流或芯片面积过大时击穿及电流拥挤。透明导电层44/54设置在第二半导体层25、电流阻挡层43/53与第一电极41、第三电极51之间，其可起到扩展电流分布的作用。钝化层45/55设置在LED芯片表面整面，其在第一电极、第二电极、第三电极、第四电极区域设有孔洞，以暴露出电极。

相应的，参考图9，本发明还公开了一种上述反向稳压LED芯片的制备方法，其包括以下步骤：

S100：提供一衬底，在衬底上形成外延层；

具体的，衬底1材料可以为蓝宝石、碳化硅或硅，也可以为其他半导体材料，优选的，本发明选用蓝宝石衬底。

具体的，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在基片上依次形成第一半导体层23、有源层24和第二半导体层25，得到外延层2；但不限于上述方法。

S200：在外延层上形成第一裸露区域和第二裸露区域；

具体的，S200包括：

S201：在外延层表面形成第一光刻胶；

其中，第一光刻胶可以是正性光刻胶，也可以是负性光刻胶；

S202：对第一光刻胶进行曝光，形成第一曝光区；

具体的，通过曝光经光源作用将原始底片上的图案转移到感光底板上，然后去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶。

光刻形成第一图形光刻区，形成第一发光结构裸露区域与第二发光结构裸露区域，检查两个发光结构正负极，确保反向排布；

S203：对第一曝光区进行蚀刻，形成第一裸露区域和第二裸露区域；

其中，可采用干法蚀刻对外延层进行蚀刻，干式蚀刻能够对关键尺寸形成良好控制，保证均匀性，但不限于上述蚀刻工艺。

S204：去除第一光刻胶。

S300：形成第一刻蚀道；

具体的，步骤S300包括：

S301：在外延层表面形成第二光刻胶；

S302：对第二光刻胶进行曝光，形成第二曝光区；

S303：对第二曝光区进行蚀刻；

具体的，可采用干法蚀刻对外延层进行蚀刻，干式蚀刻能够对关键尺寸形成良好控制，保证均匀性，但不限于上述蚀刻工艺。

具体的，为了提升本发明中第一发光结构4和第二发光结构5的连接稳定性，第一刻蚀道3的侧壁具有一定的倾斜角度，这种结构的第一蚀刻道3也可提升发光结构的侧边出光效率，提升芯片的出光效率。优选的，所述倾斜角≤60度，角度过大时，金属薄膜难以成型，在后期蒸镀二次电极过程中容易断线。优选的，所述倾斜角为30-50度，此角度能够保证电极蒸镀不断线，同时较高幅度地提升芯片的出光效率。

进一步的，为了保障第一发光结构4和第二发光结构5之间的连接稳固性，所述第一蚀刻道3的宽度设置为10-20μm；深刻蚀道宽度过窄，会导致倾斜角过大，容易断线；深刻蚀道过宽，会减小发光面积，降低芯片出光效率。优选的，所述第一蚀刻道3的宽度设置为12-18μm；进一步优选的为16μm，此宽度的第一刻蚀道3能够保证LED芯片具有较高的出光效率，同时确保第一发光结构4和第二发光结构5之间的连接稳固性。

S304：去除第二光刻胶。

S400：形成第一发光结构和第二发光结构；

具体的，S400包括：

S410：在外延层表面形成电流阻挡层；

具体的，S410包括：

S411：沉积电流阻挡层；

具体的，可选用二氧化硅作为电流阻挡层，其具有较好的透光性；但不限于二氧化硅。

S412：在电流阻挡层表面形成第三光刻胶；

S413：对第三光刻胶进行曝光，形成第三曝光区；

S414：对曝光区进行蚀刻；

S415：去除第三光刻胶；得到电流阻挡层成品。

具体的，电流阻挡层设计时，可以在一次电极下方开孔，防止电极由于氧化硅的原因脱落，电流阻挡层的***要大于一次电极5um，这样既可以起到电流阻挡的作用又可以不影响其他地方光的传输；

S420：形成透明导电层；

具体的，S420包括：

S421：沉积透明导电层；

具体的，可选用氧化铟锡作为透明导电层，但不限于此；

S422：在透明导电层表面形成第四光刻胶；

S423：对第四光刻胶进行曝光，形成第四曝光区；

S424：对曝光区进行蚀刻；

具体的，采用湿式蚀刻对透明导电层进行刻蚀。具体的，采用氯化铁与盐酸的混合溶液对透明导电层进行刻蚀，刻蚀时间为150-220s，此刻蚀时间不仅能够对电流扩散层进行充分刻蚀，同时能够保证不大幅降低ITO层的整体厚度，影响芯片的电流扩展性。

S425：去除第四光刻胶，形成透明导电层。

具体的，在透明导电层设计时，根据第二半导体层的具体宽度，设置透明导电层内缩至少2μm；这样既可以起到电流扩散的作用，又可以避免透明导电层接触侧壁，导致LED芯片漏电；

S430：形成第一电极、第二电极、第三电极和第四电极；

具体的，S430包括：

S431：在外延层表面形成第五光刻胶；

S432：对第五光刻胶进行曝光，形成第五曝光区；

S433：对第五曝光区进行一次电极蒸镀；

其中，采用电子束蒸镀、热蒸镀或磁控溅射工艺进行一次电极的蒸镀，但不限于此。

S444：撕金并去除第五光刻胶，得到第一电极、第二电极、第三电极和第四电极。

S450：形成钝化层；

具体的，S450包括：

S451：沉积钝化层；

具体的，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)进行钝化层沉积。钝化层的材料选用二氧化硅或氮化硅，但不限于此，优选的二氧化硅。钝化层的厚度为80-500nm，优选为100-300nm。

S452：形成第六光刻胶；

S453：对第六光刻胶进行曝光，形成第六曝光区；

具体的，第六曝光区需要在一次电极区域上方做出小于一次电极区域5um的区域用来蚀刻钝化层。

S454：对第六曝光区进行蚀刻；

具体的，采用湿法刻蚀进行刻蚀，具体的可选用氟化铵与氢氟酸15比1的溶液进行蚀刻，确保蚀刻至一次电极表面；以对一次电极形成开孔。

S455：去除第六光刻胶；形成钝化层。

S500：将第一发光结构和第二发光结构相互串联；即得到反向稳压LED芯片成品。

具体的，S500包括：

S501：形成第七光刻胶；

S502：对第七光刻胶进行曝光，形成第七曝光区；

S503：对第七曝光区进行蒸镀；

其中，采用电子束蒸镀、热蒸镀或磁控溅射工艺进行二次电极的蒸镀。请参考图4、图8，蒸镀第一二次电极6、第二二次电极7和第三二次电极9；以使得第一发光结构和第二发光结构串联，相邻的第二发光结构串联。

S504：撕金并去除第七光刻胶，形成第一二次电极、第二二次电极、第三二次电极成品，进而得到反向稳压LED芯片成品。

以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。