CN104659167A - 一种高可靠性GaN基LED芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高可靠性GaN基LED芯片及其制备方法，该GaN基LED芯片是在侧面设置有AlON导热膜，AlON导热膜的厚度为19-22nm；该侧壁保护膜的制备过程是：首先向反应炉中通入氮气、氧气和氩气，向Al靶施加RF功率以溅射靶，施加微波功率，形成AlON膜。本发明在LED侧面附有导热膜，以抑制发光部分的局部高温，并缩小发光部分与非发光部分的温度差异，可以有效抑制器件性能的衰减并提高器件可靠性，提高了器件的光输出性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高可靠性的GaN基LED芯片，及其制备方法，属于光电技术领域。
背景技术
随着节能环保意识的提高，固态照明技术作为新一代照明技术成为当前研究的热点。固态照明是指使用无机物半导体材料发光作为照明光源的技术。GaN基发光二极管(LED)因其寿命、效率和环保等优点得到了广泛的应用。GaN被认为是第三代半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高和导热性能良好等特性，特别适合于制作高频、大功率电子器件，以GaN为基础的白光发光二极管因其具有效率高、寿命长和环保等诸多优点，成为固态照明技术的主流。而GaN白光发光二极管的寿命和光衰问题也是成为制约LED商业化的主要问题之一。GaN发光二极管的老化是导致芯片、封装、荧光粉区域失效等寿命问题和光衰问题的主要原因。主要的老化机理包括暗点缺陷、金属合金迁移、组分变化等。
GaN基蓝光发光二极管是pn结发光二极管，由于器件工作时pn结结温过高，使得LED的发光效率、老化可靠性、反向漏电流等性能都受到影响。选择高热导率基板能更有效地将热量从pn结传导到周围环境或者通过倒装芯片、ITO透明电极等途径能有效限制器件的高温而提高LED的性能。然而以上方法仍然不能解决发光器件内部温差较大的问题，即发光部分比非发光部分的温度要高很多。这种内部温差大的问题会加速器件光衰，同时会增大反向漏电流。
中国专利文献CN100468796公开的《LED倒装芯片的制备方法》，首先制备出具有适合共晶焊接电极的大尺寸LED芯片,同时制备出相应尺寸的蓝宝石衬底,并在蓝宝石衬底上制作出供共晶焊接的金导电层及引出导电层,并在所述金导电层及引出导电层制作出超声金丝球焊点；然后,利用共晶焊接设备倒装机，将大尺寸LED芯片与蓝宝石衬底焊接在一起。但该方法的缺点是不能解决发光器件内部温差较大的问题。
中国专利文献CN102169944B公开的《Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极的发光二极管及其制备方法》，是在MOCVD中依次生长缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓，Ag/ITO/氧化锌复合透明电流扩展层分别依次是利用真空蒸镀的方法将几纳米厚的Ag薄膜蒸镀到p型GaN表面,再用电子束蒸镀的方法将ITO透明薄膜蒸镀在Ag薄膜表面,最后利用磁控溅射的方法将氧化锌透明薄膜溅射在ITO薄膜表面,形成Ag/ITO/氧化锌复合透明电流扩展层，利用干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来,退火处理后利用热蒸发或电子束蒸发等薄膜沉积方法生长金属电极。该方法的缺点是不能解决发光器件内部温差较大的问题。
中国专利文献CN202196806U公开的《一种具有电流阻挡层的LED芯片》，包括生长外延层，N-GaN层、发光层和P-GaN层，依次形成于生长衬底上；制作透明导电层，形成于P-GaN层上；P电极欧姆接触层，形成于透明导电层上；N电极欧姆接触层，形成于暴露的N-GaN层上；呈树枝状或网格点状的电流阻挡层，形成于P电极欧姆接触层的下方但不局限于正下方，且介于P电极欧姆接触层与P-GaN层之间。该方法的缺点是散热能力小、内部温差大的现象不能得到明显改善。
GaN基发光二极管的发光部分是有源层，其在发光时产生了大量热量，温度远远高于两侧的n型和p型的GaN区，发光部分表面的温度甚至会引起密封环境中的有机气体发生化学反应而在发光表面形成沉积物。这种局部高温对LED的性能产生不良影响。为了传导有源层过多的热量，仅靠GaN层的导热能力是有限的。
发明内容
针对现有GaN基LED及其制备方法存在的不足，本发明提供一种在侧壁形成导热膜而具有高可靠性的GaN基LED芯片制备方法。
本发明的高可靠性GaN基LED芯片，是在GaN基LED芯片的侧面设置有AlON(氮氧化铝)导热膜。
AlON(氮氧化铝)导热膜的厚度为19-22nm。
本发明的高可靠性GaN基LED芯片的制备方法，是采用电子回旋共振溅射的方法，具体过程是：
将GaN基LED芯片置于反应炉中，然后向反应炉中通入氮气、氧气和氩气，向Al靶施加射频以溅射靶，并施加用于形成等离子体的微波，形成AlON膜；
所述氮气、氧气和氩气的通入速度分别是4.5cm3/秒-6.5cm3/秒、0.6cm3/秒-0.8cm3/秒和19cm3/秒-20cm3/秒。
所述施加射频的功率为480W-530W。
所述施加微波的功率为480W-530W。
所述AlON膜的成膜速度为0.12nm/秒-0.15nm/秒。
本发明在LED侧面附有AlON导热膜，可以将发光部分产生的热量传导到非发光部分以及基板上，以抑制发光部分的局部高温，并缩小发光部分与非发光部分的温度差异，抑制了PN结的局部高温，得到了较好的光输出功率特性，可以有效抑制器件性能的衰减并提高器件可靠性，提高了器件的光输出性能。
附图说明
图1为本发明中的GaN基发光二极管的结构示意图。
图2为在LED的侧面形成AlON导热层的器件结构。
图3为在恒流为20mA下的光功率随老化时间ta的变化关系。图中实线为普通LED结构的光功率随老化时间ta的变化关系，虚线为附有导热膜LED结构的光功率随老化时间ta的变化关系。
图4为在恒流为50mA下的光功率随老化时间ta的变化关系。图中实线为普通LED结构的光功率随老化时间ta的变化关系，图中虚线为附有导热膜LED结构的光功率随老化时间ta的变化关系。
图中：1、P电极，2、N电极，3、蓝宝石衬底，4、si掺杂的n-GaN层，5、InGaN/GaN多量子阱有源区，6、Mg掺杂的p-GaN层，7、氧化铟锡(ITO)透明导电层，8、SiO钝化层，9、AlON导热层。
具体实施方式
如图1给出了本发明所述GaN基发光二极管的结构，制备时分别用三甲基镓和乙基二甲基铟作Ⅲ族源，NH3作Ⅴ族源，二茂镁和硅烷分别作p型和n型的掺杂剂。具体生长过程如下：
(1)在蓝宝石衬底3上生长n-GaN层4，生长温度为1070℃，厚度约为3μm；
(2)接着降低生长温度至850℃，分别生长4nm的GaN层和2nm的InGaN层以组成有源层5，有源层包括4对InGaN/GaN，以及附加的GaN层，有源层的厚度为26nm；
(3)再升高温度到1070℃，生长0.4um的p-GaN层6；为了有效地激活P-GaN中掺杂杂质的活性，在N2环境中进行500℃下退火，提高p-GaN的载流子浓度；
(4)然后用金属蒸发台在外延片上蒸镀一层厚度为的氧化铟锡透明导电层7，蒸镀温度为300℃；
(5)接着进行甩胶、曝光、显影，制作p、n电极图形，在光刻胶作为掩膜下用ICP刻蚀***刻蚀出nGaN形成台面；
(6)用湿法腐蚀去除光刻胶掩膜，对氧化铟锡透明导电层7进行550℃下退火形成P电极的欧姆接触层；
(7)用甩胶、曝光、显影的方法使p电极和n电极以外的部分覆盖光刻胶，蒸镀Au/Cr/Ni金属电极，蒸镀完毕后采用剥离的方法将光刻胶去除；
(8)利用光刻胶掩膜在非电极部分沉积SiO28，然后用湿法腐蚀去除光刻胶掩膜，露出p电极1和n电极2；
(9)对器件进行减薄、划裂分成单个芯片。
以上是图1所示GaN基发光二极管(LED)芯片的制备过程。发光部分是有源层，其在发光时产生了大量热量，温度远远高于两侧的n型和p型的GaN区，发光部分表面的温度甚至会引起密封环境中的有机气体发生化学反应而在发光表面形成沉积物。这种局部高温对LED的性能产生不良影响。为了传导有源层过多的热量，仅靠GaN层的导热能力是有限的。
为此，本发明在LED发光侧的表面形成一层导热层，可以将发光部分产生的热量传导到非发光部分，以缩小发光部分与非发光部分的温度差异，抑制发光部分的局部高温。在LED的各个侧面形成AlON(Al23O27N5)层作为导热层，器件结构如图2所示。AlON是一种透明材料，并具有良好的导热性，可以将LED发光部分产生的热量有效地传导掉，减少沉积物的形成。而且，AlON具有较强的黏附性，黏附性强的保护膜本身就可以改善器件的可靠性。
用电子回旋共振溅射的方法在LED侧面形成AlON导热膜9，具体过程如下所述：
将GaN基发光二极管(LED)芯片置于反应炉中。向反应炉中分别以4.5cm3/秒-6.5cm3/秒和0.6cm3/秒-0.8cm3/秒的速度通入氮气和氧气，并以19cm3/秒-20cm3/秒的速度通入氩气以利于产生等离子体并加快成膜速度；向Al靶施加480W-530W的射频(RF)功率以溅射靶，施加480W-530W的用于形成等离子体所必须的微波功率，此时AlON膜开始形成，成膜速度为0.12nm/秒-0.15nm/秒。
本发明在LED侧面附有导热膜，可以有效抑制器件反向漏电以及性能的衰减并提高器件老化可靠性。用电流加速老化方法，选择普通结构LED与本发明制备的附有导热膜结构LED在室温下都通入相同大小的恒流，老化100h，测试过程中LED各项参数随老化时间的变化关系。在恒流为20mA和50mA下的光功率随老化时间ta的变化关系分别如图3和图4所示。从图中可以看出，在开始的一段时间，普通结构LED与本发明制备的附有导热膜结构LED的光输出随老化时间的增长而增大，并且差别很小，这是因为在这段时间，温度较低，结点温差小，导热膜的效果还不明显。随着老化时间的加长，LED中会有热量积累，PN结升温，LED开始衰退，光功率逐渐衰减。而本发明制备的附有导热膜结构LED衰退速度明显低于常规普通结构LED。这是由于AlON导热膜缩小了发光部分与非发光部分的温度差异，抑制了PN结的局部高温，减缓了器件的衰减，提高了器件的光输出性能。
Claims (7)
1.一种高可靠性GaN基LED芯片，其特征是，在GaN基LED芯片的侧面设置有AlON导热膜。
2.根据权利要求1所述高可靠性GaN基LED芯片，其特征是，所述AlON导热膜的厚度为19-22nm。
3.一种权利要求1所述高可靠性GaN基LED芯片的制备方法，其特征是，采用电子回旋共振溅射的方法，具体过程是：将GaN基LED芯片置于反应炉中，然后向反应炉中通入氮气、氧气和氩气，向Al靶施加射频以溅射靶，并施加用于形成等离子体的微波，形成AlON膜。
4.根据权利要求3所述高可靠性GaN基LED芯片的制备方法，其特征是，所述氮气、氧气和氩气的通入速度分别是4.5cm3/秒-6.5cm3/秒、0.6cm3/秒-0.8cm3/秒和19cm3/秒-20cm3/秒。
5.根据权利要求3所述高可靠性GaN基LED芯片的制备方法，其特征是，所述施加射频的功率为480W-530W。
6.根据权利要求3所述高可靠性GaN基LED芯片的制备方法，其特征是，所述施加微波的功率为480W-530W。
7.根据权利要求3所述高可靠性GaN基LED芯片的制备方法，其特征是，所述AlON膜的成膜速度为0.12nm/秒-0.15nm/秒。
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