CN101604717A - 一种垂直GaN基LED芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垂直GaN基LED芯片及其制作方法，该芯片包括衬底、N型GaN、量子阱有源层、P型GaN、电流扩展层、金属反射镜和导电基板，在导电基板上制作有P电极，在衬底上设有直至N型GaN层的窗口，该窗口内各面蒸镀有一层金属，在这一金属层上引出有N电极。其制作方法包括：按常规方法在蓝宝石或者6H－SiC透明衬底上自下而上依次外延生长N型GaN、量子阱有源层、P型GaN和电流扩展层；在电流扩展层上制作金属反射镜；在金属反射镜上焊接导电基板；加工直至N型GaN层的窗口；在窗口内各面上蒸镀金属层，在金属层上引出N电极。本发明减少了工艺过程中不稳定因素影响，GaN基LED芯片有效发光面积利用率高，芯片电流扩展好，管芯散热好。

Description

一种垂直GaN基LED芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种GaN基发光二极管(LED)芯片及其制备方法，属于光电子器件技术领域。

背景技术

蓝宝石衬底具有生产技术成熟、器件质量好、稳定性高、能够耐高温生长过程、机械强度高、易于处理和清洗等优点，成为生长GaN基LED外延层衬底中使用最广泛的衬底。但蓝宝石衬底存在晶格失配和热应力失配使外延层产生大量缺陷，同时蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于10¹¹Ω·cm，无法制作导电电极，如图1所示，不得不在外延层上表面制作n型和p型电极，因而不能得到垂直结构的LED芯片。

这种表面两个电极的LED，有效发光面积减少，芯片中电流流动及电流扩展不好，内量子效率低，器件散热也不好，这些因素制约这种表面两个电极LED结构的功率和亮度的提升，同时蓝宝石衬底的热导率低，这种结构不利于大功率LED工作。

半导体照明具有节能、安全、绿色环保、长寿命、色彩丰富、微型化和数字化等显著优点，称为第四代绿色光源。各国纷纷启动了半导体照明计划，我国863高科技计划也提出了发展半导体照明的计划。半导体照明实现产业化技术为利用GaN基的蓝光LED激发YAG荧光粉获得白光LED。提高蓝光LED的功率以加快半导体照明产业化，成了目前光电领域的重要课题。

为了改进传统GaN基LED结构自身缺陷，使其适合大功率工作用于照明领域，出现了倒装结构和垂直结构的LED芯片。如图2所示，倒装结构GaN基LED芯片采用金属球链接n电极，在电流扩展方面相对传统结构有很大提升，但仍存在芯片有效发光面积小和散热不良的问题；如图3所示，垂直结构GaN基LED芯片的结构自下而上包括P电极、导电Si或铜衬底、N型GaN、量子阱有源层、P型GaN和电流扩展层；工艺是通过激光把蓝宝石衬底剥离掉并用焊料键合到导电衬底上，其电流扩展、发光面积利用、散热问题均得到改善，目前照明用功率蓝光芯片多为垂直结构芯片，但垂直结构芯片需要通过激光剥离去除蓝宝石衬底，这一过程对外延层晶体质量和pn结完整性有一定程度损伤，使得芯片良好率和一致性不高。

针对采用垂直结构的激光剥离蓝宝石衬底带来的不良效果，中国专利文献CN101017876公开了《一种氮化镓发光二极管管芯及其制造方法》，该氮化镓发光二极管管芯，包括蓝宝石衬底和在蓝宝石衬底上依次向外延伸的缓冲层、n型氮化镓、有源区及p型氮化镓，p型氮化镓上方设有一个p型电极；其中，在与蓝宝石衬底接触的n型氮化镓上设有一个n型电极。该氮化镓发光二极管管芯的制造方法，与现有技术相比，通过刻蚀掉一部分的蓝宝石衬底材料，使n型氮化镓从底部露出，接着制造电极，是通过采用反应等离子刻蚀(ICP)技术去掉一部分的蓝宝石衬底材料。该专利文献中提到的GaN LED仍通过蓝宝石衬底做支撑材料，其厚度至少控制在100um量级，那么专利中提到的用ICP刻蚀一部分蓝宝石衬底材料到N型氮化镓，按照目前最快的刻蚀条件耗时也要在数小时；另一方面专利中的出光面仍在P面，底部蓝宝石支撑，其散热通道需要通过蓝宝石衬底，散热能力差，没有任何散热措施，不适应大功率LED结构；对尽可能提高光提取效率也没有涉及。该文献中的LED不适合实际批量化生产，同时这种结构也不能用在蓝光功率芯片上，不能用于半导体照明系统。

因此，提供一种GaN LED结构，其有效发光面积利用率高，芯片电流扩展优，散热好，功率和亮度提高的基础上，尽量减少工艺过程中不稳定因素影响，以提高整体产品的性价比，是当前半导体照明产业化发展的重要课题之一。

发明内容

本发明针对现有垂直结构的LED芯片由于制作过程中需激光剥离去除整个蓝宝石衬底而造成的芯片损伤、良好率和一致性不高的问题，提供一种出光效率高的垂直GaN基LED芯片，同时提供一种适用于批量生产该垂直GaN基LED芯片的制作方法。

本发明的垂直GaN基LED芯片的结构自上而下依次包括蓝宝石或者6H-SiC透明衬底、N型GaN、量子阱有源层、P型GaN、电流扩展层、金属反射镜、键合焊接层和导电基板，在导电基板上制作有P电极，在蓝宝石或者6H-SiC透明衬底上设有直至N型GaN层的窗口，该窗口内各面蒸镀有一层金属，在这一金属层上引出有N电极。

所述蓝宝石或者6H-SiC透明衬底的出光面加工成粗化面，以降低光内部全反射，提高LED的出光效率。

所述蓝宝石或者6H-SiC透明衬底的出光面设有光子晶体，光子带隙的晶体结构使某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，通过这种禁带调节的光栅衍射效应提高LED的出光效率。

在蓝宝石或6H-SiC透明衬底上加工的窗口位置可以是衬底上的任意位置，可以在衬底内侧，也可以在衬底的边缘。蓝宝石或6H-SiC透明衬底上加工的窗口位置在衬底的侧壁面上，可以大面积的金属侧壁面作为N电极的焊线点不仅最大化利用了有效出光面积，同时也解决了焊线电极区域过小引起的焊接不便。

本发明的垂直GaN基LED芯片的制作方法包括以下步骤：

(1)按常规方法在蓝宝石或者6H-SiC透明衬底上自下而上依次外延生长N型GaN、量子阱有源层、P型GaN和电流扩展层；

(2)在电流扩展层上按常规电子束蒸发或溅射方式制作金属反射镜，金属反射镜的材料采用Al、Ag、Cr、Au的一种或几种；

(3)在金属反射镜上通过键合焊料焊接导电基板，导电基板是导电衬底Si或Cu或其他导电导热性能良好的材料，在导电基板上通过常规电子束蒸发或溅射方式制作P电极；

(4)然后将蓝宝石或者6H-SiC透明衬底的厚度减磨至30um-50um；

(5)在蓝宝石或6H-SiC透明衬底上加工出直至N型GaN层的窗口，单个窗口的顶部面积为30um²-2500um²，具体过程是：

先通过激光钻蚀蓝宝石或SiC衬底，调节UV激光工作重复频率25KHz、能量4.5W，其脉冲不大于30ns；激光视场焦点能量达到200J/cm²，控制激光脉冲数控制钻蚀速率，利用30-120个脉冲钻蚀到距N型GaN层上表面1um-2.5um，停止激光钻蚀，改用ICP方法或常规光刻胶技术进行刻蚀，刻蚀深度为4um，若采用ICP刻蚀SiC衬底用SF₆和O₂，刻蚀蓝宝石衬底用BCl₃和Cl₂，BCl₃的流量为80sccm，Cl₂的流量为20sccm，ICP功率为2500W，射频(RF)功率为500W，压强为0.9Pa，温度为60℃，刻蚀速率达到200±20nm/min；

(6)在加工出的窗口内各面上蒸镀一层金属，与n型GaN形成欧姆接触，在这一金属层上引出N电极，和下面导电基板上的P电极形成PN结的通路。

本发明采用激光钻蚀加腐蚀刻蚀在蓝宝石或6H-SiC透明衬底上得到直至N型GaN层的窗口，窗口截面呈倒梯形，容易实现金属层蒸镀。电流扩展层一般用ITO、ZnO、NiAu或其他透明导电材料。金属反射镜能使向底面发射的光有效反射回出光面，提高LED光提取效率，金属反射镜键合到导电衬底上，能把大功率芯片热量有效散出，有利于提高功率LED的高温老化性能。在窗口内以大面积的侧面金属壁作为N电极的焊线点，不仅最大化利用了有效出光面积，同时也解决了焊线电极区域过小引起的不便。制作的LED的PN结紧靠散热好的基底材料，特别适合大功率工作。

本发明减少了工艺过程中不稳定因素影响，窗口的加工是先通过快速激光钻蚀，再通过ICP方法或常规光刻胶技术进行刻蚀，既加快了加工速度又不会损坏N型GaN层，适合实际批量化生产。制作的GaN基LED芯片有效发光面积利用率高，芯片电流扩展好，散热好。

附图说明

图1是现有蓝宝石衬底GaN基LED芯片的结构示意图。

图2是倒装结构GaN基LED芯片的结构示意图。

图3是垂直结构GaN基LED芯片的结构示意图。

图4是本发明垂直GaN基LED芯片的结构示意图。

图5是本发明制作的表面粗化的垂直GaN基LED芯片的结构示意图。

图6是本发明在蓝宝石衬底出光面制作光子晶体的垂直GaN基LED芯片的结构示意图。

图7是本发明在侧壁制作电极的垂直GaN基LED芯片的结构示意图。

图8是图7的俯视图。

具体实施方式

如图4所示，本发明的垂直GaN基LED芯片自上至下依次包括蓝宝石或者6H-SiC透明衬底、N型GaN、量子阱有源层、P型GaN、电流扩展层、金属反射镜、键合焊接层和导电基板，在导电基板上制作有P电极，在蓝宝石或者6H-SiC透明衬底上设有直至N型GaN层的窗口，该窗口内蒸镀有一层金属，在这一金属层上引出有N电极。

为了进一步提高芯片的光提取效率，可以如图5所示对制作的垂直GaN基LED芯片的蓝宝石或者6H-SiC透明衬底的出光面加工成粗化面，降低光内部全反射，破坏全反射。或者如图6所示，对于蓝宝石衬底的垂直GaN基LED芯片的蓝宝石衬底出光面电子束刻蚀技术制作光子晶体，光子带隙的晶体结构使某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，通过这种禁带调节的光栅衍射效应提高LED的出光效率。

在蓝宝石或6H-SiC透明衬底上加工的窗口位置可以是衬底上的任意位置，可以在衬底内侧，也可以在衬底的边缘。如图7和图8给出的垂直GaN基芯片结构所示，窗口位置是在衬底的侧壁面上，在芯片N型GaN层的边缘台面和侧壁面均匀镀上金属，用侧壁面做芯片焊线点，N电极设置在该侧壁面，以大面积的金属侧壁面作为N电极的焊线点不仅最大化利用了有效出光面积，同时也解决了焊线电极区域过小引起的焊接不便。在芯片N型GaN层的边缘一周均蚀刻台面，其电流扩展均匀性高，可以适当减小边缘开槽面积，使出光面积最大化。

本发明的垂直GaN基LED芯片的制作过程，具体如下：

首先按常规在蓝宝石或者6H-SiC透明衬底上自下而上依次外延生长N型GaN、量子阱有 源层、P型GaN和电流扩展层。在电流扩展层上制作金属反射镜。在金属反射镜上通过键合焊料焊接到导电基板，导电基板是导电衬底Si或Cu或其他导电导热性能良好的材料，在导电基板上通过电子蒸发或溅射方式制作P电极。然后减磨蓝宝石或者6H-SiC透明衬底，使衬底尽量薄，以利于通过激光加工电极窗口和出光，一般减磨蓝宝石衬底至30um-50um。

在减磨后的蓝宝石或6H-SiC透明衬底上用激光钻蚀加工出直至N型GaN层的窗口，调解激光工作频率、脉冲及激光视场焦距，控制钻蚀速率和步进，根据管芯尺寸设计窗口的大小尺度，单个窗口的顶部面积为30um²-2500um²。调节UV激光工作重复频率25KHz、能量4.5W，其脉冲不大于30ns；激光视场焦点能量达到200J/cm²，控制激光脉冲数控制钻蚀速率。为避免激光能量对GaN外延层的烧焦损伤，在利用30-120个脉冲钻蚀到距N型GaN层上表面1um-2.5um，停止激光钻蚀，改用ICP或其他腐蚀方法刻蚀掉蓝宝石或SiC衬底及部分薄层的GaN。刻蚀过程可以不用任何掩蔽，直接刻蚀4um深度，这样不仅窗口开到GaN上，同时对出光面的蓝宝石或SiC衬底起到一定粗化作用，提高光提取效率，也可以采用光刻胶技术等掩蔽层作出所需图形后进行刻蚀。若采用ICP刻蚀SiC用SF₆和O₂，刻蚀蓝宝石、GaN用BCl₃和Cl₂。刻蚀蓝宝石我们用BCl₃流量为80sccm，Cl₂流量为20sccm，ICP功率为2500W，RF功率为500W，压强为0.9Pa，温度为60℃刻蚀速率能达到200±20nm/min。在窗口的N型GaN上蒸镀上一层金属，如Ti、Au、Al、Cr或几种金属的合金或多层金属，以便做LED的N电极。上述方法钻蚀加ICP刻蚀得到的窗口，截面一般是倒梯形，容易实现金属层蒸镀。本发明降低了激光剥离过程对外延层晶体质量和完整性的损伤，提高了芯片的优良率和质量一致性，适合批量生产。

Claims (5)

1.一种垂直GaN基LED芯片，自上而下依次包括蓝宝石或者6H-SiC透明衬底、N型GaN、量子阱有源层、P型GaN、电流扩展层、金属反射镜、键合焊接层和导电基板，在导电基板上制作有P电极，其特征是：在蓝宝石或者6H-SiC透明衬底上设有直至N型GaN层的窗口，该窗口内各面蒸镀有一层金属，在这一金属层上引出有N电极。

2.根据权利要求1所述的垂直GaN基LED芯片，其特征是：所述蓝宝石或者6H-SiC透明衬底的出光面加工成粗化面。

3.根据权利要求1所述的垂直GaN基LED芯片，其特征是：所述所述蓝宝石或者6H-SiC透明衬底的出光面设有光子晶体。

4.根据权利要求1所述的垂直GaN基LED芯片，其特征是：所述蓝宝石或6H-SiC透明衬底上加工的窗口位置在衬底的侧壁面上。

5.一种权利要求1所述垂直GaN基LED芯片的制作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)按常规方法在蓝宝石或者6H-SiC透明衬底上自下而上依次外延生长N型GaN、量子阱有源层、P型GaN和电流扩展层；

(2)在电流扩展层上按常规电子束蒸发或溅射方式制作金属反射镜；

(3)在金属反射镜上通过键合焊料焊接导电基板，导电基板是导电衬底Si或Cu或其他导电导热性能良好的材料，在导电基板上通过常规电子束蒸发或溅射方式制作P电极；

(4)然后将蓝宝石或者6H-SiC透明衬底的厚度减磨至30um-50um；

(5)在蓝宝石或6H-SiC透明衬底上加工出直至N型GaN层的窗口，单个窗口的顶部面积为30um²-2500um²，具体过程是：

先通过激光钻蚀蓝宝石或SiC衬底，调节UV激光工作重复频率25KHz、能量4.5W，其脉冲不大于30ns；激光视场焦点能量达到200J/cm²，控制激光脉冲数控制钻蚀速率，利用30-120个脉冲钻蚀到距N型GaN层上表面1um-2.5um，停止激光钻蚀，改用ICP方法或常规光刻胶技术进行刻蚀，刻蚀深度为4um，若采用ICP刻蚀SiC衬底用SF₆和O₂，刻蚀蓝宝石衬底用BCl₃和Cl₂，BCl₃的流量为80sccm，Cl₂的流量为20sccm，ICP功率为2500W，射频功率为500W，压强为0.9Pa，温度为60℃，刻蚀速率达到200±20nm/min；

(6)在加工出的窗口内各面上蒸镀一层金属，在这一金属层上引出N电极，和下面导电基板上的P电极形成PN结的通路。

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