CN101800276A - 高效率的led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效率的LED芯片，属于LED芯片技术领域，本发明提供一种抗静电能力强、不易击穿、不易刮伤晶体、能够保护芯片且LED芯片有高的出光效率的照明用的LED芯片，采用的技术方案是：高效率的LED芯片，在底衬的上方自下而上依次设置有第一层GaN缓冲层、第二层缓冲层、N型电极、反射层、N型GaN层、电子隧穿势垒层、有源层、P型GaN层、P型电极和微型小丘，所述的微型小丘为折射率为n的周期性图形，图形尺寸为250-300μm，间距为40μm，所述的微型小丘的折射率大于P型GaN层的折射率，本发明应用在制造照明用的LED芯片中。
Description
技术领域
本发明高效率的LED芯片，属于LED芯片技术领域。
背景技术
发光二极管LED是一种新型光源，和传统光源相比它具有很多优点：长寿、节能、低电压、体积小、无污染。LED自诞生以来，技术在不断进步，发光效率在不断提高，目前白光LED发光效率已经超过普通荧光灯，LED已开始进入照明领域。
目前LED技术已经取得很大成果，但是LED电光转换效率还不是很高，主要在于LED的外量子效率不高。外量子效率ηe为每注入一对载流子在LED外发出的光子数，它是内量子效率ηi、载流子注入效率ηj和出光效率ηex的乘积：
ηe＝ηiηjηex
内量子效率ηi是一个和辐射复合的微过程密切相关的参数，它定义为在一定注入条件下，单位时间内辐射复合产生的光子数与单位时间内注入的载流子对数之比。对于GaN基LED器件，其量子阱、异质结构载流子限制效应以及量子限制斯塔克效应(QCSE)将对内量子效率起着重要影响。
LED的注入效率ηj为，在一定的注入条件下，单位时间内注入到发光区中产生复合的载流子数与注入载流子总数之比。提高载流子注入效率的方法主要是提高空穴的注入和降低电子的泄露。这主要表现在提高空穴的迁移率，优化电子阻挡层和增加电子隧穿势垒层(ETB)，同时优化量子阱的结构及界面，减少溢流和表面复合，降低漏电通道。
出光效率ηex是指发光二极管单位时间内发出的光子数与有源区内辐射复合产生的光子数之比。有源区的光子一部分被晶体吸收，一部分在界面处被反射回到晶体内部。增加出光效率主要是减少晶体内部吸收和增加表面透光率，这基本上是通过芯片表面微结构、芯片形状及封装来解决。在外延技术上，通过提高出射窗口的材料带隙宽度及材料质量，使用结构衬底或掩膜工艺、二次外延、制造表面微结构等，以增加出光效率。
在提高出光效率的诸多方法中制造表面微结构是经常被采用而且工艺简单。
如果LED芯片表面不制造微结构，其有源层中，少子结合产生光子随机射往各个方向，其中很少比例光子被反射、全反射而能沿组件设计的光轴射出成为有效光子，使有效光子数减少，出光效率降低。
制造表面微结构的LED芯片，现有的工艺都是把P型或N型GaN图形化，有源层中少子结合产生光子随机射往各个方向，此时大部分光子不被反射、全反射，而能沿组件设计的光轴射出成为有效光子，使有效光子数增加，提高出光效率。这种粗化方式有它的缺陷：LED芯片表面凸凹不平，芯片厚度不均匀，使得电阻不均匀、电流分布不均匀；抗静电能力也差容易击穿；在凸凹不平的凹处容易刮伤有源层。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种抗静电能力强、不易击穿、不易刮伤晶体、能够保护芯片且LED芯片有高的出光效率的照明用的LED芯片。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：高效率的LED芯片，在底衬的上方自下而上依次设置有第一层GaN缓冲层、第二层缓冲层、N型电极、反射层、N型GaN层、电子隧穿势垒层、有源层、P型GaN层、P型电极和微型小丘。
所述的微型小丘为折射率为n的周期性图形，图形尺寸为250-300μm，间距为40μm。
所述的微型小丘的折射率大于P型GaN层的折射率。
所述的N型GaN层(6)的厚度为3μm。
所述的电子隧穿势垒层(7)为100nm的n-AlGaN。
所述的有源层(8)为8个周期的AlInGaN/GaN多量子阱。
所述的P型电极(10)为透明电极，电极材料为Ni/Au。
本发明同现有技术相比具有以下有益效果：
1、在衬底上生成约25nm的第一层GaN缓冲层，然后将衬底温度升高到1120℃左右，再生成约2μm左右的非掺杂的第二层GaN缓冲层，采用多缓冲层技术可以使衬底与GaN间地晶格失配度减小，得到品质更好的外延片。
2、在衬底温度为1120℃条件下，在生成反射层上生成3μm的N型GaN层6，生成的N型GaN层具有高掺杂高电导率，可使电流不拥挤而能均匀将电流横向分布。
3、在N型GaN层上生成100nm的n-AlGaN作为电子隧穿势垒层，电子隧穿势垒层可以降低注入电子的能量，从而减少注入电子的泄露。
4、将衬底升温到1070℃左右，改成H2为载气，在有源层上生成200nm的P型GaN层，提高了空穴的迁移率，使得空穴能够有效地注入到更多的量子阱中参与发光。
5、在电子隧穿势垒层上生成8个周期的AlInGaN/GaN多量子阱作为有源层，采用四元AlInGaN作为量子阱材料，得到有源区晶格匹配的结构，提高有源区的晶体质量，减少应力和缺陷，提高界面平整度；
6、在P型电极上制作一个无光刻的随机SiO2掩膜，通过控制金属有机源化学气相淀积(MOCVD)生成条件，二次外延可以形成可控尺度和密度的折射率为n的周期性图形，图形尺度在250-300μm左右，间距40μm左右，即折射率为n的微型小丘。折射率为n的微型小丘的粗糙表面破坏了LED的表面对称性，从而提高出光效率，使得LED外量子效率提高60％左右，而且可以更好地控制漏电流问题。
7、所述的折射率为n的微型小丘的折射率大于P型GaN折射率，折射率n越大从发光层发出的光越容易出射，光出射时不容易发生全反射。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图中：1为衬底、2为第一层GaN缓冲层、3为第二层GaN缓冲层、4为N型电极、5为反射层、6为N型GaN层、7为电子隧穿势垒层、8为有源层、9为P型GaN层、10为P型电极、11为微型小丘。
具体实施方式
如图1所示的高效率的LED芯片，在底衬1的上方自下而上依次设置有第一层GaN缓冲层2、第二层缓冲层3、N型电极4、反射层5、N型GaN层6、电子隧穿势垒层7、有源层8、P型GaN层9、P型电极10和微型小丘11，所述的微型小丘11为折射率为n的周期性图形，图形尺寸为250-300μm，间距为40μm，所述的微型小丘11的折射率大于P型GaN层9的折射率，N型GaN层6的厚度为3μm，电子隧穿势垒层7为100nm的n-AlGaN，有源层8为8个周期的AlInGaN/GaN多量子阱，所述的P型电极10为透明电极，电极材料为Ni/Au。
高效率的LED芯片，按下述步骤制造：
第一步：选用蓝宝石作为衬底1，采用金属有机源化学气相淀积系统，N源和Ga源分别为高纯NH3和三甲基镓，高纯H2为载气；将衬底1控制在550℃温度下，在衬底1上生成25nm的第一层GaN缓冲层2，然后将衬底1温度升高到1120℃，再生成2μm左右的非掺杂的第二层GaN缓冲层3；
第二步：在第二层缓冲层3上生成N型电极4，电极材料为Ni/Au；
第三步：在N型电极4上用Ag作为反射层材料生成反射层5；
第四步：在衬底4温度为1120℃条件下，在生成反射层5上生成3μm的N型GaN层6；
第五步：将衬底1温度降低至1070℃，在N型GaN层6上生成100nm的n-AlGaN作为电子隧穿势垒层7；
第六步：将衬底1温度降低到800℃，并改成高纯N2为载气，在电子隧穿势垒层7上生成8个周期的AlInGaN/GaN多量子阱作为有源层8；
第七步：将衬底1升温到1065℃-1075℃，改成H2为载气，在有源层8上生成200nm的P型GaN层9；
第八步：在P型GaN层9生成P型电极10，电极材料为Ni/Au；所述的P型电极10为透明电极。
第九步，在上述第八步的P型电极10上制作一个无光刻的随机SiO2掩膜，通过控制金属有机源化学气相淀积生成条件，二次外延可以形成可控尺度和密度的折射率为n的周期性图形，图形尺度在250-300μm，间距40μm，即折射率为n的微型小丘11。
以上为本发明公开的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明不应局限于本最佳实施例和附图所公开的内容。
Claims (7)
1.高效率的LED芯片，其特征在于：在底衬(1)的上方自下而上依次设置有第一层GaN缓冲层(2)、第二层缓冲层(3)、N型电极(4)、反射层(5)、N型GaN层(6)、电子隧穿势垒层(7)、有源层(8)、P型GaN层(9)、P型电极(10)和微型小丘(11)。
2.根据权利要求1所述的高效率的LED芯片，其特征在于：所述的微型小丘(11)为折射率为n的周期性图形，图形尺寸为250-300μm，间距为40μm。
3.根据权利要求2所述的高效率的LED芯片，其特征在于：所述的微型小丘(11)的折射率大于P型GaN层(9)的折射率。
4.根据权利要求1所述的高效率的LED芯片，其特征在于：N型GaN层(6)的厚度为3μm。
5.根据权利要求1所述的高效率的LED芯片，其特征在于：电子隧穿势垒层(7)为100nm的n-AlGaN。
6.根据权利要求1所述的高效率的LED芯片，其特征在于：有源层(8)为8个周期的AlInGaN/GaN多量子阱。
7.根据权利要求1所述的高效率的LED芯片，其特征在于：所述的P型电极(10)为透明电极，电极材料为Ni/Au。
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2010
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