CN1825643A - 一种高光提取效率的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体领域。传统LED所带高反镜的为平面板式，侧壁的光不能被利用。本发明的二极管包括：P电极加厚电极(1)，金属高反镜(3)，P电极欧姆接触层(4)，P型半导体(5)，多量子阱有源区(6)，N电极加厚电极(7)，N电极欧姆接触层(8)，N型半导体(9)，衬底(10)；由P型半导体(5)，多量子阱有源区(6)，N型半导体(9)自上而下构成LED的台；出光面是衬底(10)；其特征是在LED侧壁上交替生长高低折射率材料形成多层介质高反膜(2)。本发明的制备方法特征在于，制备出金属高反镜后，在侧壁上制备多层介质高反膜(2)。本发明在做侧壁钝化保护的同时，一次生长多层介质高反膜，工艺简单，光输出至少提高20％。
Description
一.技术领域
本发明涉及一种提高半导体发光二极管(LED)光提取效率的结构和其制备方法，属于半导体领域。
二.背景技术
发光二极管由于其具有体积小、寿命长、效率高、高耐震性、同时耗电量少、发热少，广泛应用到日常生活中的各项用品，如各种家电的指示灯或光源等。近年来更由于多色彩及高亮度化的发展趋势，应用范围更向户外显示发展如照明灯、大型户外显示屏、交通信号灯等。尤其是利用GaN基大功率发光二极管(LEDs)可能实现半导体固体照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前光电子学领域的研究热点。为了获得高亮度的GaN基LEDs，关键是要提高器件的外量子效率。目前，芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，其主要原因是GaN基的外延层材料、蓝宝石沉底材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。
为了提高发光二级管的提取效率，目前采用倒装焊(flip-chipbonding)技术，就是通过高反射率的P型电极增加从蓝宝石透射的机会，从而进一步提高芯片的光提取效率。倒装的传统结构普通电极LED所带高反镜的一般为平面板式，只在一个平面上对光进行反射，侧壁的光不能被利用，很多光子从侧壁出射而损失掉了。
三.发明内容
本发明提出采用多层介质膜形成的高反射膜做LED侧壁的保护，一方面可以防止PN结处漏电，另一方面可以减少从侧壁出射损失的光，通过多层介质高反膜结构将光反射到出光面射出，从而来提高LED器件的光提取效率。其特点就是在器件的侧壁一次生长多层介质高反膜，一次生长的工艺简单，容易操作，多层介质高反膜中的界面与界面之间不会受到环境中灰尘和颗粒的污染，从而可以提高膜的质量，并且这种不同材料构成的多层介质高反膜能够有效避免膜中的空洞和针孔，有效的减少器件PN结漏电的可能性从而可提高可靠性。
本发明提供了一种高光提取效率的发光二极管依次包括：P电极加厚电极1，金属高反镜3，P电极欧姆接触层4，P型半导体5，多量子阱有源区6，N电极加厚电极7，N电极欧姆接触层8，N型半导体9，衬底10；由P型半导体5，多量子阱有源区6，N型半导体9自上而下构成LED的台；P电极欧姆接触层4位于LED台顶部的P型半导体5表面上；N电极欧姆接触层8位于LED台底部的N型半导体9之上，与LED台的侧壁不相接触；出光面是衬底10；其特征是在LED侧壁上交替生长高低折射率材料形成多层介质高反膜2。
上述交替生长高低折射率材料是指材料有折射率差，而不是折射率绝对值的高低。上述的多层介质高反膜2，其中每层的光学厚度设定为λ0/4的介质多层膜能够得到很高的反射率，λ0是指发光二极管出射光的波长。这是因为从多层介质高反膜的所有界面上发射的光束回到前表面时具有相同的相位，从而产生相长干涉，多层介质高反膜可以达到接近100％的反射率。LED侧壁的多层介质高反膜能够将从有源区发射到侧壁的光子反射回LED内部，让其通过其它路径从衬底出射，从而达到减少侧壁光损失和提高LED的光提取效率目的。
本发明提供了一种高光提取效率的发光二极管制备方法，包括以下步骤：
1)在一块生长好LED结构晶圆上，使用溅射或者蒸发的方法在晶圆P型半导体上生长P电极欧姆接触层4，通过光刻法在晶圆上用光刻胶做掩膜刻出LED的台结构，然后用离子刻蚀***ICP刻过多量子阱有源区6一直到N型半导体7，形成LED的台面结构；刻出LED台后剥离去除剩余的光刻胶；然后将P电极欧姆接触层4合金；
2)利用光刻法对P电极欧姆接触层4和LED台的侧壁用胶做保护，用溅射金属或蒸发金属的方法在LED台的底部N型半导体上9沉积N电极欧姆接触层8；N电极欧姆接触层8不与LED台的侧壁相接触；剥离光刻胶；
3)用光刻胶保护LED侧壁和N电极欧姆接触层8，用溅射或者蒸发的方法在P电极欧姆接触层4上面镀高反镜，然后剥离光刻胶，这样就在P电极欧姆接触层4上形成了金属高反镜3；
4)用光刻胶做掩膜，使用溅射或者蒸发的方法在N电极欧姆接触层8和金属高反镜3上镀厚金，然后剥离光刻胶形成P电极加厚电极1和N电极加厚电极7；
5)将样品的衬底减薄，然后经过划片、裂片，进行倒装封装；
其特征在于，步骤3)制备出金属高反镜后，在整个样品上一次生长多层介质高反膜；然后采用光刻腐蚀的方法腐蚀掉金属高反镜3和N电极欧姆接触层8上的多层介质高反膜，在侧壁上留下了多层介质高反膜2。
多层介质高反膜2在提高的光提取效率的同时，也能够有效的保护侧壁的PN结处不漏电，提高器件的可靠性。
当器件采用倒装时，侧壁出射的光是不能被利用的。本发明是在做侧壁钝化保护的同时，一次生长多层介质高反膜，操作方便，工艺简单。金属高反镜包含较大的吸收损耗，如果在侧壁采用金属高反镜，对于器件的侧壁生长钝化保护层的要求很高，需要制备出致密并且无空洞和针孔的侧壁保护层，任何的侧壁保护膜的破损、空洞和针孔的存在都会导致器件的失效。多层介质高反膜与金属高反膜相比，能够达到更高的反射率和更小的吸收损耗。
四.附图说明
图1本发明的LED剖面图
1-P电极加厚电极，2-多层介质高反膜，3-金属高反镜，4-P型电极欧姆接触层，5-P型半导体，6-多量子阱有源区，7-N电极加厚电极，8-N型电极欧姆接触层，9-N型半导体，10-衬底。
五.具体实施方式
在一块生长好LED结构晶圆上，使用溅射或者蒸发的方法在晶圆P型半导体9上生长P电极欧姆接触层4，P电极欧姆接触层采用Ni/Au，厚度分别为40和70。通过光刻法在晶圆上用光刻胶做掩膜刻出LED的台结构图型，然后用离子刻蚀***ICP刻出LED台；刻出LED台后剥离去除剩余的光刻胶；然后将样品放到快速退火炉中，对P电极欧姆接触层4合金，条件是500℃下在氧气和氮气组分比值为4：
1的混合气中快速退火1分钟；
1)利用普通光刻法对P电极欧姆接触层4和LED台的侧面进行胶保护，用溅射的方法，在LED台的底部的N型半导体9上溅射Ti/Al金属膜作为N电极欧姆接触层8，N电极欧姆接触层8与LED台的侧壁相距20μ，Ti膜的厚度200，溅射速率为每秒2，Al膜的厚度为2000，溅射速率为每秒3；
2)用光刻胶保护LED侧壁和N电极欧姆接触层8，然后用溅射的方法在P电极欧姆接触层4和LED台的侧面沉积一层5000的Ag金属，剥离光刻胶，得到金属高反镜3；
3)然后将样品放到PECVD腔室内，在N2流量为600sccm，温度为150度的环境内，预热时间为5分钟；
4)生长多层介质高反膜：在我们的实际应用中，SiO2的折射率一般为1.46左右，SiNx的折射率为2.0左右，使用SiO2和SiNx材料交替生长形成多层介质高反膜；沉积温度为150℃，先通入硅烷和一氧化二氮的混合气生长SiO2，生长的光学厚度为LED出射波长的四分之一，条件是腔室压力为500mTorr，100kHz低频55W，硅烷、一氧化二氮的流量分别为150sccm和200sccm；然后通入硅烷和氨气混合气生长SiNx，生长的光学厚度为LED出射波长的四分之一，条件是腔室压力为1000mTorr，13.56MHz高频20W，硅烷和氨气的流量分别是400sccm和30sccm；这两种材料交替生长，一共生长四层，最外层为SiNx；
5)使用光刻腐蚀的方法去掉N电极欧姆接触层8和金属高反镜3上的多层介质高反膜，只留下侧壁和台阶上下边缘处的多层介质高反膜2，这样可以更好的保护PN结不漏电；
6)用光刻胶做掩膜，使用溅射或者蒸发的方法在N电极欧姆接触层8和金属高反镜3上生长加厚电极，然后剥离光刻胶；
7)将样品的衬底减薄，然后经过划片、裂片，进行倒装封装。
裂片后用台湾维明LED tester LED-628A，分别对侧壁有多层介质高反膜和没有多层介质高反膜的GaN基大功率蓝光LED进行了测试，没有多层介质高反膜的LED光输出量主要范围值为0.12～0.24；有多层介质高反膜的LED的光输出量主要范围提高到0.2～0.32；使得GaN基大功率蓝光LED的光输出至少提高了20％。两种LED测试条件同为100mA恒流下测得。如表1所示。并且在提高LED光特性的同时，器件的电特性还有所改善提高。
表1
| 参数 | 没有多层介质高反膜的LED | 有多层介质高反膜的LED |
| 光输出(LOP) | 0.12～0.16 9.17％0.16～0.20 23.85％0.20～0.24 41.38％ | 0.20～0.24 25.79％0.2～0.28 39.47％0.28～0.32 15.26％ |
| 正向电压(V) | 3.1～3.2 60.25％3.2～3.3 15.9％ | 3.1～3.2 75.79％ |
| 波长范围(nm) | 464～472 90.83％ | 464～472 85.26％ |
| 反向电压(9～11V) | 8～12 53.21％ | 8～12 70％ |
| 漏电流(＜0.5μA) | 59.69％ | 64.74％ |
Claims (3)
1、一种高光提取效率的发光二极管依次包括：P电极加厚电极(1)，金属高反镜(3)，P电极欧姆接触层(4)，P型半导体(5)，多量子阱有源区(6)，N电极加厚电极(7)，N电极欧姆接触层(8)，N型半导体(9)，衬底(10)；由P型半导体(5)，多量子阱有源区(6)，N型半导体(9)自上而下构成LED的台；P电极欧姆接触层(4)位于LED台顶部的P型半导体(5)表面上；N电极欧姆接触层(8)位于LED台底部的N型半导体(9)之上，与LED台的侧壁不相接触；出光面是衬底(10)；其特征是在LED侧壁上交替生长高低折射率材料形成多层介质高反膜(2)。
2、根据权利要求1所述的高光提取效率的发光二极管，其特征在于，所述的多层介质高反膜(2)，其中每层的光学厚度设定为λ0/4，λ0是指发光二极管出射光的波长。
3、根据权利要求1所述的高光提取效率的发光二极管制备方法，包括以下步骤：
1)在一块生长好LED结构晶圆上，使用溅射或者蒸发的方法在晶圆P型半导体上生长P电极欧姆接触层(4)，通过光刻法在晶圆上用光刻胶做掩膜刻出LED的台结构，然后用离子刻蚀***ICP刻过多量子阱有源区(6)一直到N型半导体(7)，形成LED的台面结构；刻出LED台后剥离去除剩余的光刻胶；然后将P电极欧姆接触层(4)合金；
2)利用光刻法对P电极欧姆接触层(4)和LED台的侧壁用胶做保护，用溅射金属或蒸发金属的方法在LED台的底部N型半导体上(9)沉积N电极欧姆接触层(8)；N电极欧姆接触层(8)不与LED台的侧壁相接触；剥离光刻胶；
3)用光刻胶保护LED侧壁和N电极欧姆接触层(8)，用溅射或者蒸发的方法在P电极欧姆接触层(4)上面镀金属高反镜，然后剥离光刻胶，这样就在P电极欧姆接触层(4)上形成了金属高反镜(3)；
4)用光刻胶做掩膜，使用溅射或者蒸发的方法在N电极欧姆接触层(8)和金属高反镜(3)上镀厚金，然后剥离光刻胶形成P电极加厚电极(1)和N电极加厚电极(7)；
5)将样品的衬底减薄，然后经过划片、裂片，进行倒装封装；
其特征在于，步骤3)制备出金属高反镜后，在整个样品上一次生长多层介质高反膜；然后采用光刻腐蚀的方法腐蚀掉金属高反镜(3)和N电极欧姆接触层(8)上的多层介质高反膜，在侧壁上留下了多层介质高反膜(2)。
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Effective date of registration: 20081017 Address after: Branch of Beijing economic and Technological Development Zone two Beijing street, No. 4 Building 2 layer 1-4 South Post encoding: 100176 Applicant after: Beijing TimesLED Technology Co.,Ltd. Address before: No. 100, Ping Tian Park, Beijing, Chaoyang District: 100022 Applicant before: Beijing University of Technology |
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