CN101197417A - 氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法 - Google Patents

氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氮化镓基发光二极管芯片，该芯片包括衬底，在衬底的底面蒸镀有反射膜，该反射膜包括电介质反射膜和金属反射膜，电介质反射膜蒸镀在衬底和金属反射膜之间；本发明还提供该氮化镓基发光二极管芯片的制作方法，包括：将芯片的衬底减薄，再在该衬底的底面蒸镀上述反射膜，提高氮化镓基发光二极管芯片的光取出效率；该制作方法还可包括以下步骤：在上述反射膜的底面蒸镀散热层，或者在衬底和反射膜的周围以及反射膜的底面电镀散热层，以提高该发光二极管的稳定性，最终提高其外部发光效率。

Description

氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法。
背景技术
氮化镓基发光二极管芯片一般在制作与使用过程中会面临下面的问题：氮化镓基发光二极管芯片的光取出效率低，而影响光取出效率主要有两个方面的原因：一种是由于反射材料对光的吸收；另一种是光在穿过不同介质时产生全反射。
为解决反射材料对光的吸收这一问题，常规的方法是，如图1所示，通过光刻、蚀刻、剥离、蒸镀、合金等一系列常规的半导体微加工技术将氮化镓基外延片制作成1000μm×1000μm的蓝光大功率氮化镓基发光二极管芯片，并将氮化镓基发光二极管芯片的蓝宝石衬底1减薄至80～100μm，然后在其衬底底面蒸镀金属反射膜8。该常规方法制作的芯片的结构包括蓝宝石衬底1、N型GaN层2、有源层3、P型GaN层4、透明导电层5、P电极6、N电极7以及金属反射膜8，该金属反射膜8一般由金属银或金属铝制成，用日立公司生产的型号为HITACHI U-4001的光谱仪测试该反射膜的反射率，其反射率只有73％左右(如图7所示)，仍然不能很好地解决光被反射材料吸收这一问题，因而其光取出效率比较低，最终导致氮化镓基发光二极管的外部发光效率也较低，如图10所示，曲线1为常规方法制作的1000μm×1000μm的蓝光大功率的氮化镓基发光二极管的Iv-I曲线，在注入正常工作电流I为0.35A时，其发光强度Iv仅约为750mcd。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中存在的光被反射材料吸收而导致氮化镓基发光二极管的外部发光效率低的问题，本发明的主要目的在于提供一种氮化镓基发光二极管芯片及其制作方法，以提高氮化镓基发光二极管芯片的光取出效率，最终提高氮化镓基发光二极管的外部发光效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
该氮化镓基发光二极管芯片，包括衬底，该衬底的厚度为60～130μm，衬底的底面设有反射膜，该反射膜包括电介质反射膜和金属反射膜，该电介质反射膜设在所述衬底的底面，该金属反射膜设在电介质反射膜的底面。
其中，该电介质反射膜为全方向反射镜或分布式布拉格反射镜，金属反射膜为铝。
全方向反射镜、分布式布拉格反射镜都为在衬底底面依次交替设置的二氧化钛/二氧化硅的组合。全方向反射镜中二氧化钛、二氧化硅的层数都为3层，且二氧化钛、二氧化硅的厚度都为40～60埃；分布式布拉格反射镜中二氧化钛的层数为4层，二氧化硅的层数为3层。
衬底的厚度可为80～105μm，铝的厚度可为1000～5000埃。
此外，反射膜的底面设有散热层，该散热层为铜或金锡合金，且其厚度为10000～30000埃。
另外，衬底和反射膜的周围以及金属反射膜的底面也可设有散热层，该散热层为铜，且其厚度为100～200μm。
制作上述氮化镓基发光二极管芯片的方法，包括下述步骤：
(a)将氮化镓基外延片制作成氮化镓基发光二极管芯片，并将该芯片的衬底减薄至厚度为60～130μm；
(b)在上述衬底的底面设置电介质反射膜，在电介质反射膜的底面设置金属反射膜。
其中，电介质反射膜以蒸镀的方式设置在衬底的底面，金属反射膜以蒸镀的方式设置在电介质反射膜的底面。
上述方法还可包括下述步骤：
(c)在上述反射膜的底面蒸镀散热层。
上述方法也可包括下述步骤：
(c)在上述衬底和反射膜的周围以及反射膜的底面电镀散热层。
公知的，一维光子晶体是由两种折射系数不同的材料交替排列组成，光子晶体的最根本特征是具有光子能隙，频率落在能隙范围内的光不能透过该光子晶体。基于光子晶体这一特征，本发明在衬底的底面蒸镀具有全方向反射镜的反射膜或者具有分布式布拉格反射镜的反射膜，具有全方向反射镜结构的反射膜可以使可见光范围内的大部分的光均有较高的反射率，而具有分布式布拉格反射镜结构的反射膜可以使特定波长范围内的光具有高的反射率。
与现有技术相比，本发明所述的氮化镓基发光二极管芯片，由于采用了电介质反射膜与金属反射膜的组合，可更好地降低反射材料对光的吸收，因而使光经过反射膜的反射后可以更多地从氮化镓基发光二极管芯片的表面取出，从而提高了芯片的光取出效率，也即提升了发光二极管的外部发光效率。另外，本发明制作的具有高散热系数的散热层不仅可以有效地将发光二极管产生的热能导出，使其PN结的结温不至于过高，提升了发光二极管的稳定性，而且同时热能的有效导出还可以提升其内部量子效率的转换，从而进一步提升了其外部发光效率。
附图说明
图1为常规方法制作的具有金属反射膜的发光二极管芯片的结构示意图；
图2为本发明氮化镓基发光二极管芯片的制作流程图；
图3为本发明氮化镓基发光二极管芯片的结构示意图；
图4为本发明氮化镓基发光二极管芯片的结构示意图；
图5为本发明氮化镓基发光二极管芯片的结构示意图；
图6为本发明氮化镓基发光二极管芯片的结构示意图；
图7为常规方法制作的金属反射膜的反射率曲线图；
图8为本发明制作的芯片的具有全方向反射镜的反射膜的反射率曲线图；
图9为本发明制作的芯片的具有分布式布拉格反射镜的反射膜的反射率曲线图；
图10为本发明制作的氮化镓基发光二极管与常规方法制作的氮化镓基发光二极管的IV-I曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细的说明。
本发明所述的氮化镓基发光二极管芯片，包括：
衬底，衬底的底面蒸镀有反射膜，该反射膜包括电介质反射膜、金属反射膜。电介质反射膜为全方向反射镜或分布式布拉格反射镜。金属反射膜为A120(如图3所示)。全方向反射镜的结构顺序由上到下依次为二氧化钛18/二氧化硅19/二氧化钛18/二氧化硅19/二氧化钛18/二氧化硅19(如图3所示)，且二氧化钛18、二氧化硅19的厚度分别为40～60埃；分布式布拉格反射镜的结构顺序由上到下依次为二氧化钛18/二氧化硅19/二氧化钛18/二氧化硅19/二氧化钛18/二氧化硅19/二氧化钛18(如图4所示)。
请参照图2，上述产品的制作方法，包括下述步骤：
(1)利用光刻、蚀刻、剥离、蒸镀、合金等一系列常规的半导体微加工技术将氮化镓基发光二极管外延片制成1000μm×1000μm的蓝光大功率氮化镓基发光二极管芯片，其结构包括蓝宝石衬底11、N型GaN层12、有源层13、P型GaN层14、透明导电层15、P电极16和N电极17；
(2)利用研磨、抛光工艺技术将蓝宝石衬底11减薄至60～130μm，清洗芯片的表面将杂质去除，并采用高温烘烤的方式对芯片进行干燥；
(3)使用电子束蒸镀机以0.5/s的镀率在蓝宝石衬底11的底面依次蒸镀TiO218/SiO219/TiO218/SiO219/TiO218/SiO219，形成全方向反射镜，每层TiO218、SiO219的膜厚均为40～60埃，再以3/s的镀率在最底层的SiO219的底面蒸镀1000～5000埃的金属Al20，形成由全方向反射镜与Al20组成的反射膜；用日立公司生产的型号为HITACHI U-4001的光谱仪测试该反射膜的反射率，其结果如图8所示，具有全方向反射镜的反射膜可以使可见光范围内的大部分的光均有较好的反射率，反射率均在97％左右；
或者，(3)使用电子束蒸镀机以1/s的镀率在蓝宝石衬底11的底面依次蒸镀TiO218/SiO219/TiO218/SiO219/TiO218/SiO219/TiO218，形成分布式布拉格反射镜。由于该芯片为蓝光氮化镓基发光二极管芯片，因此每层TiO218的厚度为460埃，SiO219的厚度为783埃，再以3/s的镀率在最底层的SiO219的底面蒸镀1000～5000埃的金属Al20，形成由分布式布拉格反射镜与Al20组成的反射膜；用日立公司生产的型号为HITACHI U-4001的光谱仪测试该反射膜的反射率，其结果如图9所示，具有分布式布拉格反射镜的反射膜可以使特定波长范围(如440～540nm)的光具有高的反射率，反射率高达99％。
另外，该芯片还可在反射膜的底面蒸镀有散热层。其制作步骤为：以10/s的镀率在具有全方向反射镜或者分布式布拉格反射镜的反射膜底面蒸镀散热层21，该散热层21由散热性能良好的铜或金锡合金制成，其膜厚为10000～30000埃。具有全方向反射镜以及该散热层21的芯片的结构如图3所示，而具有分布式布拉格反射镜以及该散热层21的芯片的结构如图4所示。
又或者，该芯片还可在衬底和反射膜的周围以及反射膜的底面电镀有散热层。其制作步骤为：在蓝宝石衬底11和反射膜的周围以及反射膜的底部电镀散热层22，该散热层22由铜制成，其膜厚为100～200μm。具有全方向反射镜以及该散热层22的芯片的结构如图5所示，而具有分布式布拉格反射镜以及该散热层22的芯片的结构如图6所示。
本发明制作的散热层21或散热层22可以提高发光二极管的散热性能，有效降低芯片的工作温度，增加其稳定性，进而提升其芯片内部量子转换效率。
表1列出了具有全方向反射镜和散热层21且尺寸为1000μm×1000μm的蓝光大功率氮化镓基发光二极管芯片裸晶测试数据，即在注入正常工作电流0.35A时的发光强度。
表2列出了具有全方向反射镜和散热层22且尺寸为1000μm×1000μm的蓝光大功率氮化镓基发光二极管芯片裸晶测试数据，即在注入正常工作电流0.35A时的发光强度。
    芯片编号   1   2   3   4   5
    衬底厚度(μm)   60   80   80   85   130
    TiO2厚度(埃)   40   50   50   50   60
    SiO2厚度(埃)   40   50   50   50   60
    Al厚度(埃)   1000   1500   2300   3000   5000
    散热层21厚度(埃)   10000   20000   15000   25000   30000
    工作电流(A)   0.35   0.35   0.35   0.35   0.35
    发光强度(mcd)   935   950   961   979   956
表1
  芯片编号     6     7     8     9     10
  衬底厚度(μm)     60     100     95     105     130
  TiO2厚度(埃)     40     60     50     50     50
  SiO2厚度(埃)     40     60     50     50     50
  Al厚度(埃)     1000     2500     1500     3000     5000
  散热层22厚度(μm)     100     140     160     180     200
  工作电流(A)     0.35     0.35     0.35     0.35     0.35
  发光强度(mcd)     951     975     965     989     957
表2
如表1、表2所示，具有全方向反射镜的发光二极管芯片的发光强度平均为961.8mcd，比常规方法制作的发光二极管芯片的发光强度提升了约28.2％；其中，当Al20的厚度为1500～3000埃，散热层21的厚度为15000～25000埃，或者散热层22的厚度为140～180μm时，芯片的发光强度比较高。
表3列出了具有分布式布拉格反射镜和散热层21且尺寸为1000μm×1000μm的蓝光大功率氮化镓基发光二极管芯片裸晶测试数据，即在注入正常工作电流0.35A时的发光强度。
表4列出了具有分布式布拉格反射镜和散热层22且尺寸为1000μm×1000μm的蓝光大功率氮化镓基发光二极管芯片裸晶测试数据，即在注入正常工作电流0.35A时的发光强度。
  芯片编号   11   12   13   14   15
  衬底厚度(μm)   60   85   80   90   130
  TiO2厚度(埃)   460   460   460   460   460
  SiO2厚度(埃)   783   783   783   783   783
  Al厚度(埃)   1000   3000   1500   2000   5000
  散热层21厚度(埃)   10000   20000   15000   25000   30000
  工作电流(A)   0.35   0.35   0.35   0.35   0.35
  发光强度(mcd)   998   1041   1011   1030   989
表3
  芯片编号   16   17   18   19   20
  衬底厚度(μm)   60   95   105   100   130
  TiO2厚度(埃)   460   460   460   460   460
  SiO2厚度(埃)   783   783   783   783   783
  Al厚度(埃)   1000   3000   1500   2000   5000
  散热层22厚度(μm)   100   140   160   180   200
  工作电流(A)   0.35   0.35   0.35   0.35   0.35
  发光强度(mcd)   991   1093   1015   1100   1019
表4
如表3、表4所示，具有分布式布拉格反射镜的发光二极管芯片的发光强度平均为1028.7mcd，比常规方法制作的发光二极管芯片的发光强度提升了约37.2％；其中，当Al20的厚度为1500～3000埃，散热层21的厚度为15000～25000埃，或者散热层22的厚度为140～180μm时，芯片的发光强度比较高。
图10为本发明制作的氮化镓基发光二极管与常规方法制作的氮化镓基发光二极管的Iv-I曲线对比图。曲线1为常规方法制作的1000μm×1000μm的蓝光大功率的氮化镓基发光二极管的Iv-I曲线，在注入正常工作电流I为0.35A时，其发光强度Iv仅约750mcd，且当注入电流I增加到0.75A时，Iv就开始衰减。说明其稳定性较差。曲线2、3、4、5分别为芯片编号为2、7、14、19的发光二极管的Iv-I曲线，如图10所示，在注入正常工作电流I为0.35A时，其发光强度Iv分别为950mcd，975mcd，1030mcd，1100mcd。而且，各发光强度Iv均随着注入电流I的增大而增大，当注入电流I增大到1A时，Iv都没有出现衰减，上述结果说明具有散热层的发光二极管散热性能好，稳定性较高，进而发光二极管的外部发光效率也较高。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种氮化镓基发光二极管芯片，包括衬底，所述衬底的厚度为60～130μm，所述衬底的底面设有反射膜，其特征在于，
所述反射膜包括电介质反射膜和金属反射膜，该电介质反射膜设在所述衬底的底面，该金属反射膜设在电介质反射膜的底面。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基发光二极管芯片，其特征在于，所述电介质反射膜为全方向反射镜或分布式布拉格反射镜。
3.根据权利要求2所述的氮化镓基发光二极管芯片，其特征在于，所述全方向反射镜、分布式布拉格反射镜都为在衬底底面依次交替设置的二氧化钛/二氧化硅的组合。
4.根据权利要求3所述的氮化镓基发光二极管芯片，其特征在于，所述全方向反射镜中二氧化钛、二氧化硅的层数都为3层，且二氧化钛、二氧化硅的厚度都为40～60埃；所述分布式布拉格反射镜中二氧化钛的层数为4层，二氧化硅的层数为3层。
5.根据权利要求4所述的氮化镓基发光二极管芯片，其特征在于，所述金属反射膜为铝。
6.根据权利要求5所述的氮化镓基发光二极管芯片，其特征在于，所述衬底的厚度为80～105μm，所述铝的厚度为1000～5000埃。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的氮化镓基发光二极管芯片，其特征在于，所述金属反射膜的底面设有散热层。
8.根据权利要求7所述的氮化镓基发光二极管芯片，其特征在于，所述散热层为铜或金锡合金，且其厚度为10000～30000埃。
9.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的氮化镓基发光二极管芯片，其特征在于，所述衬底和反射膜的周围以及金属反射膜的底面设有散热层。
10.根据权利要求9所述的氮化镓基发光二极管芯片，其特征在于，所述散热层为铜，且其厚度为100～200μm。
11.一种制作权利要求1所述的氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
(a)将氮化镓基外延片制作成氮化镓基发光二极管芯片，并将该芯片的衬底减薄至厚度为60～130μm；
(b)在上述衬底的底面设置电介质反射膜，在电介质反射膜的底面设置金属反射膜。
12.根据权利要求11所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述电介质反射膜以蒸镀的方式设置在衬底的底面，所述金属反射膜以蒸镀的方式设置在电介质反射膜的底面。
13.根据权利要求12所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述电介质反射膜为全方向反射镜或分布式布拉格反射镜。
14.根据权利要求13所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述全方向反射镜、分布式布拉格反射镜都为在衬底底面依次交替蒸镀的二氧化钛/二氧化硅的组合。
15.根据权利要求14所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，所述全方向反射镜中二氧化钛、二氧化硅的层数都为3层；所述分布式布拉格反射镜中二氧化钛的层数为4层，二氧化硅的层数为3层。
16.根据权利要求11、12、13、14或15所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，还包括下述步骤：
(c)在上述金属反射膜的底面蒸镀散热层。
17.根据权利要求11、12、13、14或15所述的制作氮化镓基发光二极管芯片的方法，其特征在于，还包括下述步骤：
(c)在上述衬底和反射膜的周围以及金属反射膜的底面电镀散热层。
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