CN103022311A - 一种GaN-LED芯片结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaN-LED芯片结构及其制备方法，在衬底和外延层之间形成反射层，在该反射层上形成周期分布的圆柱状图形。根据本发明制备的GaN-LED芯片同时解决晶体质量和出光效率的问题，可以提高LED芯片的发光效率10％-20％左右。

Description

一种GaN-LED芯片结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体发光器件领域，尤其涉及一种提高GaN-LED发光亮度的芯片结构及其制备方法。

背景技术

LED作为新一代的照明光源，具有低耗、节能、环保、使用寿命长等传统照明光源无法比拟的优势。但是目前LED取代其他光源仍存在许多问题，诸如：亮度低、成本高等。大功率白光LED由于具有替代白炽灯和荧光灯的可能性，逐渐引起业界对大功率LED的重视。目前白光LED的效率已经达到或超过了普通荧光灯的效率，但其高成本的劣势使其在普及还存在一定的困难，并且效率的提升还有很大的发展空间。

提高LED效率的途径主要有提高内量子效率和增大光提取效率。

作为目前用于GaN生长最常用衬底的蓝宝石，以其制造技术成熟、成本低、化学稳定性好、不吸收可见光等优点，迅速实现了产业化并成为目前的主流趋势。但蓝宝石仍存在着重大缺陷，在于晶格匹配度低，造成界面位错密度高，严重影响了LED的内量子效率。图形化衬底(PSS)方法以干法刻蚀的方式，在蓝宝石衬底上设计制作出微米级或纳米级的具有微结构的特定规则的图案，使GaN材料由纵向外延变为横向外延，从而有效减少GaN外延材料的缺陷密度，减小有源区的非辐射性复合。另外，PSS方法增强了光在GaN和蓝宝石衬底界面的散射，从而增加了光从芯片内部出射的概率。这样，PSS方法使得蓝宝石衬底LED的内量子效率和出光效率都有所提升，是改进蓝宝石衬底LED的有效方法。研究表明，与一般蓝宝石衬底LED相比，PSS方法可以提高亮度70％左右。如专利ZL200910048634.3和公开号101515625的申请中都介绍了图形化衬底的制备方法，通过这项技术来提高器件的晶体质量和内量子效率。

另一个提高出光效率的方法是通过反射镜或反射层来实现，通过在蓝宝石衬底上增加反射镜或反射层使向下的光最大化地从正面反射出去。如公开号102082216的专利申请中采用在衬底背面制备复合结构的反射镜，复合结构包括电介质层和金属层；公开号为CN 1858918的专利涉及在衬底上生长全角度反射镜，由高低折射率层交替排列组成，至少10层。另外，通过在衬底上增加金属反射镜能够很好地解决蓝宝石散热差的问题。

为了能同时解决晶体质量和出光效率的问题，出现了一些将反射镜和图形化相结合的发明，如公开号CN1645637的专利申请中采用在衬底上增加金属介质层和反射层，并在金属介质层上刻蚀出微孔，以减少漏出损失和全反射损失。本发明提出一种新的GaN-LED芯片结构及其制备方法。在衬底上形成上反射层，并在上反射层表面形成周期分布的图形结构。相比于前一方法减少了一层金属层，而且增加了粘附层，结合了图形化衬底和反射镜的优势，简化制备工艺，同时提高芯片的发光效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GaN-LED芯片结构，该LED芯片结构能够同时解决晶体质量和出光效率的问题，提高发光亮度；本发明还提供了该种芯片结构的制备方法。

本发明公开的一种GaN-LED芯片结构，自下而上依次包括保护层、下反射层、第三粘附层、衬底、第一粘附层、上反射层、第二粘附层、缓冲层、N型GaN层和N型电极、多量子阱、P型GaN层和P型电极，其特征在于上反射层表面为周期圆柱状图形，圆柱直径为1微米到2.5微米，两圆柱间的距离为0.5微米到1.5微米，圆柱的高度为1微米到2微米。

所述上反射层的材料为Ag、Al或Au，厚度为2微米到6微米。

所述第一粘附层和第三粘附层的材料为Ni、Cr或Ti，厚度为0.001微米到0.005微米。

所述第二粘附层的材料为Ni、Cr或Ti，厚度为0.001微米到0.01微米。

所述下反射层的材料为Ag、Al或Au，厚度为1微米到3微米。一种GaN-LED芯片结构的制备方法包括如下步骤：

1)选用蓝宝石作为衬底，利用镀膜机依次蒸镀第一粘附层和上反射层；

2)利用光刻和ICP刻蚀方法将周期图形转移到上反射层上；ICP功率为2200W，RF功率为50W，腔体压力为100mTorr；

3)利用镀膜机蒸镀第二粘附层；

4)采用金属有机化学气相沉积方法生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层；

5)刻蚀出电极图形，蒸镀电极材料，形成N、P电极；

6)利用镀膜机在衬底的背面依次蒸镀第三粘附层、下反射层和保护层；

7)利用激光切割机从衬底的背面进行切割，得到单个的芯片。

各粘附层和反射层的蒸镀采用电子枪蒸发沉积镀膜的方法实现，镀膜机蒸镀时真空度为2×10^-6Torr或更低，粘附层的蒸镀速率控制在

到

反射层的蒸镀速率控制在

到

本发明在衬底上蒸镀一层上反射层，并进行了图形化处理，可以提高LED芯片的发光效率10％-20％左右，能够有效提高目前大功率LED的发光亮度；另外，本发明的结构制备工艺简单，可广泛应用于各类发光芯片的生产。

附图说明

图1为本发明的GaN-LED芯片结构示意图

图2为上反射层图形化结构俯视图

图3为向下凹陷的上反射层图形化结构侧视图

图4为向上凸起的上反射层图形化结构侧视图

其中：1--衬底，2--第一粘附层，3--上反射层，4--第二粘附层，5--缓冲

      层，6--N型GaN层，7--多量子阱层，8--P型GaN层，9--第三粘

      附层，10--下反射层，11--保护层，12--N型电极，13--P型电极

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1：

如图1所示的GaN-LED芯片结构，在蓝宝石衬底的上方自下而上依次为第一粘附层、上反射层、第二粘附层、缓冲层、N型GaN层和N型电极、多量子阱层、P型GaN层和P型电极。其中，上反射层为2微米厚的Ag，经图形化处理，图形如图2和图3所示的向下凹陷的圆柱，直径为1微米，两圆柱间的距离为0.5微米，圆柱的高度为1微米；第一粘附层的材料为Ni，厚度为0.001微米；第二粘附层的材料为Ni，厚度为0.01微米；第三粘附层的材料为Ni，厚度为0.001微米；下反射层的材料为Ag，厚度为1微米；保护层材料为Au，厚度为0.01微米。

该GaN-LED芯片的制备采用如下步骤：

1)选用蓝宝石作为衬底，采用电子枪蒸发沉积镀膜的方式依次蒸镀厚度为0.001微米的Ni、厚度为2微米的Ag，真空度达到2×10^-6Torr时开始蒸镀，蒸镀速率分别控制在

和

2)利用光刻机和ICP进行反射层刻蚀，将图2所示的光刻图形转移到上反射层上。ICP功率为2200W，RF功率为50W，腔体压力为100mTorr，刻蚀气体Cl₂、BCl₃流量比为8∶1，温度控制在15℃；

3)采用电子枪蒸发沉积镀膜的方式蒸镀厚度为0.01微米的Ni，真空度达到2×10^-6Torr时开始蒸镀，蒸镀速率控制在

4)采用金属有机化学气相沉积方法，依次生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层。

5)刻蚀出电极图形，蒸镀电极材料，形成N、P电极；

6)利用镀膜机在衬底的背面分别蒸镀厚度为0.001微米的Ni、厚度为1微米Ag和厚度为0.01微米的Au。

7)利用激光切割机从衬底的背面进行切割，得到单个的芯片。

实施例2：

如图1所示的GaN-LED芯片结构，在蓝宝石衬底的上方自下而上依次为第一粘附层、上反射层、第二粘附层、缓冲层、N型GaN层和N型电极、多量子阱层、P型GaN层和P型电极。其中，上反射层为3微米厚的Al，经PSS处理，PSS图形如图2和图4所示的向上凸起的圆柱，直径为2微米，两圆柱间的距离为1微米，圆柱的高度为1微米；第一粘附层的材料为Cr，厚度为0.002微米；第二粘附层的材料为Cr，厚度为0.005微米；第三粘附层的材料为Cr，厚度为0.003微米；下反射层的材料为Al，厚度为2微米；保护层材料为Au，厚度为0.01微米。

该GaN-LED芯片的制备采用如下步骤：

1)选用蓝宝石作为衬底，采用电子枪蒸发沉积镀膜的方式依次蒸镀厚度为0.002微米的Cr、厚度为3微米的Al，真空度达到2×10^-6Torr时开始蒸镀，蒸镀速率分别控制在

和

2)利用光刻机和ICP进行反射层刻蚀，将图2所示的光刻图形转移到上反射层上。ICP功率为2200W，RF功率为50W，腔体压力为100mTorr，刻蚀气体Cl₂、BCl₃流量比为8∶1，温度控制在15℃；

3)采用电子枪蒸发沉积镀膜的方式蒸镀厚度为0.005微米的Cr，真空度达到2×10^-6Torr时开始蒸镀，蒸镀速率控制在

4)采用金属有机化学气相沉积方法，依次生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层。

5)刻蚀出电极图形，蒸镀电极材料，形成N、P电极；

6)利用镀膜机在衬底的背面分别蒸镀厚度为0.003微米的Cr、厚度为2微米Al和厚度为0.01微米的Au。

7)利用激光切割机从衬底的背面进行切割，得到单个的芯片。

实施例3：

如图1所示的GaN-LED芯片结构，在蓝宝石衬底的上方自下而上依次为第一粘附层、上反射层、第二粘附层、缓冲层、N型GaN层和N型电极、多量子阱层、P型GaN层和P型电极。其中，上反射层为6微米厚的Au，经PSS处理，PSS图形如图2和图4所示的向上凸起的圆柱，直径为1微米，两圆柱间的距离为0.5微米，圆柱的高度为1.5微米；第一粘附层的材料为Ti，厚度为0.005微米；第二粘附层的材料为Ti，厚度为0.001微米；第三粘附层的材料为Ti，厚度为0.005微米；下反射层的材料为Ag，厚度为3微米；保护层材料为Au，厚度为0.01微米。

该GaN-LED芯片的制备采用如下步骤：

1)选用蓝宝石作为衬底，采用电子枪蒸发沉积镀膜的方式依次蒸镀厚度为0.005微米的Ti、厚度为6微米的Au，真空度达到2×10^-6Torr时开始蒸镀，蒸镀速率分别控制在

和

2)利用光刻机和ICP进行反射层刻蚀，将图2所示的光刻图形转移到上反射层上。ICP功率为2200W，RF功率为50W，腔体压力为100mTorr，刻蚀气体Cl₂、BCl₃流量比为10∶1，温度控制在15℃；

3)采用电子枪蒸发沉积镀膜的方式蒸镀厚度为0.001微米的Ti，真空度达到2×10^-6Torr时开始蒸镀，蒸镀速率控制在

4)采用金属有机化学气相沉积方法，依次生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层。

5)刻蚀出电极图形，蒸镀电极材料，形成N、P电极；

6)利用镀膜机在衬底的背面分别蒸镀厚度为0.005微米的Ti、厚度为3微米Ag和厚度为0.01微米的Au。

7)利用激光切割机从衬底的背面进行切割，得到单个的芯片。

Claims (6)

1.一种GaN-LED芯片结构，自下而上依次包括保护层、下反射层、第三粘附层、衬底、第一粘附层、上反射层、第二粘附层、缓冲层、N型GaN层和N型电极、多量子阱、P型GaN层和P型电极，其特征在于上反射层表面为周期圆柱状图形，圆柱直径为1微米到2.5微米，两圆柱间的距离为0.5微米到1.5微米，圆柱的高度为1微米到2微米。

2.如权利要求1所述一种GaN-LED芯片结构，其特征在于上反射层的材料为Ag、Al或Au，厚度为2微米到6微米。

3.如权利要求1所述一种GaN-LED芯片结构，其特征在于第一粘附层和第三粘附层的材料为Ni、Cr或Ti，厚度为0.001微米到0.005微米。

4.如权利要求1所述一种GaN-LED芯片结构，其特征在于第二粘附层的材料为Ni、Cr或Ti，厚度为0.001微米到0.01微米。

5.如权利要求1所述一种GaN-LED芯片结构，其特征在于下反射层的材料为Ag、Al或Au，厚度为1微米到3微米。

6.如权利要求1所述一种GaN-LED芯片结构的制备方法包括如下步骤：

1)选用蓝宝石作为衬底，利用镀膜机依次蒸镀第一粘附层和上反射层；

2)利用光刻和ICP刻蚀方法将周期图形转移到上反射层上；ICP功率为2200W，RF功率为50W，腔体压力为100mTorr；

3)利用镀膜机蒸镀第二粘附层；

4)采用金属有机化学气相沉积方法生长缓冲层、N型GaN层、多量子阱层和P型GaN层；

5)刻蚀出电极图形，蒸镀电极材料，形成N、P电极；

6)利用镀膜机在衬底的背面依次蒸镀第三粘附层、下反射层和保护层；利用激光切割机从衬底的背面进行切割，得到单个的芯片。

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