CN102064251B - 一种大功率SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域，特别是涉及一类GaN基发光管及其制备方法。器件由衬底、衬底上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、GaN材料系多量子阱发光层3、p型GaN上限制层4、p型InGaN盖层5、上电极6、下电极7构成，特征在于：衬底是n型SiC单晶衬底，其80％～95％面积的衬底面即出光面被打毛粗化或图形化，电极7被制备在其余5％～20％面积的衬底1上，上电极6全部覆盖在盖层5上面，并制备成兼有反射镜功能。本发明利用SiC衬底晶格和GaN匹配较好，导电和导热性能都比较好，价格适中的优点，提供一种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法。

Description

一种大功率SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体发光器件及其制备技术领域，特别是涉及一类GaN基发光管及其制备方法。

背景技术

随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，继半导体技术引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，其标志是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。由于半导体照明(亦称固态照明)具有节能、长寿命、免维护、环保等优点，业内普遍认为，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也是科学技术发展的必然和大势所趋。目前用于半导体照明的发光管(LED)主要是GaN材料系，大多数的GaNLED是在Al₂O₃单晶衬底上外延生长多层GaN系材料薄膜制备的。但是由于Al₂O₃单晶不导电，所以这种LED只能作成同面电极结构，即正负电极都在外延层一面，电流是在n-GaN薄层中横向流动的，电流密度大，会产生热量，而Al₂O₃单晶衬底的导热特性也不好，这样这种同面电极Al₂O₃单晶衬底结构LED很难获得大功率输出。于是人们提出制备垂直结构LED。X.A.Cao等人在文献“APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 85，NUMBER 18，2004，p3971”就报道了研制的一种垂直结构发光管。这种器件如图1所示，由n型GaN单晶衬底1，衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2，下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3，发光层3上制备的p型GaN上限制层4，上限制层4上面制备的InGaN盖层5，盖层5上面制备的上电极6，衬底1下面制备的下电极7等部件构成。

由于目前制备的GaN单晶衬底价格昂贵，且没有大批量产业化，造成制备的LED成本高。人们又把目光投向到单晶衬底制备技术比较成熟，已经有大批量产业化产品的SiC单晶衬底上，制备了一些SiC衬底发光管。

SiC衬底价格适中，同时SiC晶格和GaN匹配较好，且SiC单晶衬底导电和导热性能都比较好。可是，由于SiC材料折射率较大，有源区发出的光大部分被衬底吸收，因而出光率低。

为了克服上述GaN基发光管产业化制备的这一困难，本发明提出一种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述GaN基发光管的这一问题，利用SiC衬底晶格和GaN匹配较好，导电和导热性能都比较好，且制备技术比较成熟，已经有大批量产业化的产品，同时价格适中的优点，提供一种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管及其制备方法。

本发明的技术方案是：

本发明所设计的一种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管(见附图2和附图说明)，依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的p型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的p型InGaN盖层5、盖层5上面制备的上电极6、衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于：衬底1是n型SiC单晶衬底，其80％～95％面积的衬底面(即出光面)被喷砂打毛粗化，电极7被制备在其余5％～20％面积的衬底1上，上电极6全部覆盖在盖层5上面，并制备成兼有反射镜功能。

该种发光管为倒装(即外延层面向下，装配焊接在支架或热沉上)，衬底出光结构，出光方向如箭头9所示。。

进一步地为了使器件工艺重复性好，本发明又提出一种图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管(见附图3和附图说明)，依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的p型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的p型InGaN盖层5、盖层5上面制备的上电极6、衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于：衬底1是n型SiC单晶衬底，其80％～95％面积的衬底面(即出光面)被制备成图形化衬底，电极7被制备在其余5％～20％面积的衬底1上，上电极6全部覆盖在盖层5上面，并制备成兼有反射镜功能。

进一步地为了减缓SiC材料折射率较大影响出光率问题，本发明又提出一种衬底涂覆透明介质薄膜新型大功率SiC衬底垂直结构发光管(见附图4和附图说明)，依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的p型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的p型InGaN盖层5、盖层5上面制备的上电极6、衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于：衬底1是n型SiC单晶衬底，其80％～95％面积的衬底面(即出光面)被喷砂打毛粗化或被制备成图形化衬底，再在喷砂打毛粗化或图形化衬底的表面涂覆一层折射率介于SiC材料折射率和空气折射率之间的透明介质薄膜8，其厚度为50纳米～3微米，或涂覆一层掺有黄光荧光粉(掺杂的质量浓度为2～30％)的透明介质薄膜8，电极7被制备在其余5％～20％面积的衬底1上，上电极6全部覆盖在盖层5上面，并制备成兼有反射镜功能。

前面所述的发光管的制备方法，其步骤如下：

A、采用金属有机物化学气相沉积方法在衬底1上依次制备n型GaN缓冲层和下限制层2、GaN材料系多量子阱发光层3、p型GaN上限制层4、p型InGaN盖层5；各层材料的厚度、掺杂粒子的种类及掺杂粒子的浓度均可采用常规技术；

B、在p型InGaN盖层5的上面制备上电极6，上电极6的材料为Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au、Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au，上电极6采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备；

C、将衬底1减薄至80～150微米，接着对衬底1的衬底面采用喷砂机喷砂打毛的方法进行粗化，或将衬底面制备成图形化衬底；衬底的图形化可采用光刻以及感应离子刻蚀机进行干法刻蚀制备，其图形可以是凸出的三棱锥形(见图5)、三棱台形(见图6)、四棱锥形(见图7)、四棱台形(见图8)、圆锥形(见图9)、圆台形(见图10)或半球形(见图11)，其图形也可以是与前面结构互补的、凹下的三棱锥形、三棱台形、四棱锥形、四棱台形、圆锥形、圆台形或半球形结构；

D、采用热蒸镀、电子束蒸镀、化学气相沉积(CVD)、磁控激射或涂覆的方法在粗化或图形化的衬底1上制备一层透明介质薄膜8，透明介质薄膜8的材料可以是SiO₂、ZrO₂、TiO₂、Ta₂O₅、HfO₂等介质薄膜；进一步为掺有黄光荧光粉的透明介质薄膜8，衬底发出的蓝光就可以直接激发荧光粉产生白光了；

E、采用光刻工艺刻蚀去掉衬底5～20％面积上的透明介质薄膜8，从而露出衬底1，再在这一露出的衬底1上采用光刻胶剥离工艺蒸镀下电极7，下电极7材料可用Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au或Pt-Au等二元合金材料，也可以用Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au等三元合金材料，蒸镀下电极的方法可采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备；

F、最后，进行划片，制备成边长200微米～3毫米方形的管芯，然后将管芯倒装，即将上电极6焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。

本发明的效果和益处：

本发明可以克服Al₂O₃单晶不导电，散热不好的缺点；可以规避GaN单晶衬底价格昂贵问题；同时可以克服SiC材料折射率较大，有源区发出的光大部分被衬底吸收，出光率低的问题，提高发光管的输出功率和亮度。

附图说明

图1：GaN单晶衬底GaN基垂直结构发光管结构示意图；

图2：新型大功率SiC衬底垂直结构发光管结构示意图；

图3：图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管结构示意图；

图4：衬底涂覆透明介质薄膜新型大功率SiC衬底垂直结构发光管结构示意图；

图5：三棱锥形衬底结构示意图；

图6：三棱台形衬底结构示意图；

图7：四棱锥形衬底结构示意图；

图8：四棱台形衬底结构示意图；

图9：圆锥形衬底结构示意图；

图10：圆台形衬底结构示意图；

图11：半球形衬底结构示意图。

图中部件1为衬底，2为n型GaN缓冲层和下限制层，3为GaN材料系多量子阱发光层，4为p型GaN上限制层，5为p型InGaN盖层，6为上电极，7为下电极，8为透明介质薄膜，9为出光方向箭头。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例和实施工艺。

实施例1：

新型大功率SiC衬底垂直结构发光管。这种新型大功率SiC衬底垂直结构发光管结构见附图2，依次由衬底1、衬底1上外延生长的n型GaN缓冲层和下限制层2、下限制层2上制备的GaN材料系多量子阱发光层3、发光层3上制备的p型GaN上限制层4、上限制层4上面制备的p型InGaN盖层5、盖层5上面制备的上电极6、衬底1下面制备的下电极7构成，其特征在于：衬底1是其衬底面即出光面的80～95％面积被喷砂打毛粗化的SiC单晶衬底，电极7只是覆盖在其余5％～20％面积的衬底面上，上电极6全部覆盖在盖层5上面，并制备成兼有反射镜功能。

其制备过程为，以n型SiC单晶片为衬底1，厚度一般为300～500微米，用目前成熟的常规MOCVD工艺在衬底1上生长1～10微米的n型(如掺Si)GaN缓冲层和下限制层2，载流子浓度为10¹⁸～10²⁰/cm³，然后生长非掺杂的GaN材料系多量子阱发光层3，其厚度和结构采用常规技术，再生长0.2～2微米的p型GaN上限制层4，载流子浓度为10¹⁷～10¹⁹/cm³，再生长0.02～0.5微米的p型InGaN盖层5；外延片制备好后，蒸镀上电极6，蒸镀的金属选用Ni-Au，由于金属Ni具有较好的反光特性，上电极6又可以起到反射镜的作用；然后将衬底1减薄至80～150微米，再将衬底用干式喷砂机喷砂打毛，干式喷砂机选用的是上海施勇机械设备有限公司生产的SY-6050E型喷砂机，喷砂的磨料选用180～320目的金刚砂磨料；喷砂打毛后蒸镀下电极7，用光刻或光刻胶剥离工艺将下电极7大部分去掉，以便出光，下电极7保留衬底的5～20％的区域即可，下电极7用Ti-Ni-Au三元合金材料或分三层蒸镀。然后划片，制备成边长200微米～3毫米方形的管芯，然后将管芯倒装，即将上电极6焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。

实施例2：

图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管。这种图形衬底新型大功率SiC衬底垂直结构发光管结构见附图3，其特征在于：衬底1是其衬底面即出光面的80～95％的面积被制备成图形化衬底的SiC单晶衬底，电极7只是覆盖其余5％～20％面积的衬底面上，上电极6全部覆盖在盖层5上面，并制备成兼有反射镜功能。

其制备过程中的外延片生长，上电极6的制备，衬底减薄工艺及其下电极7制备工艺同实施例1；同实施例1不同的工艺是：衬底减薄后用常规光刻和感应离子刻蚀工艺进行干法刻蚀出图形结构，初步实验所用采用的光刻胶为BP212正性光刻胶，所用光刻胶为劳动二型光刻机，采用的感应离子刻蚀设备的型号为oxford plasma lab100 ICP，采用的的图形是如图8所示的四棱台形，图形的尺寸为底边长2～5微米，刻蚀深度为0.2～1微米。然后划片，制备成边长200微米～3毫米方形的管芯，然后将管芯倒装，即将上电极6焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。

Claims (1)

1.一种大功率SiC衬底垂直结构发光管制备方法，其步骤如下：

A.采用金属有机物化学气相沉积方法在衬底（1）上依次制备n型GaN缓冲层和下限制层（2）、GaN材料系多量子阱发光层（3）、p型GaN上限制层（4）、p型InGaN盖层（5）；

B.在p型InGaN盖层（5）的上面制备上电极（6），上电极（6）的材料为Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-Au、Pt-Au、Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au，上电极（6）采用热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法制备；

C.将衬底（1）减薄至80～150微米，接着对衬底（1）的衬底面采用喷砂机喷砂打毛的方法进行粗化，或将衬底面制备成图形化衬底，其图形是凸出的三棱锥形、凸出的三棱台形、凸出的四棱锥形、凸出的四棱台形、凸出的圆锥形、凸出的圆台形、凸出的半球形、凹下的三棱锥形、凹下的三棱台形、凹下的四棱锥形、凹下的四棱台形、凹下的圆锥形、凹下的圆台形或凹下的半球形结构；

D.采用热蒸镀、电子束蒸镀、化学气相沉积、磁控激射或涂覆的方法在粗化或图形化的衬底（1）上制备一层透明介质薄膜（8）或是掺杂的质量浓度为2～30％的掺有黄光荧光粉的透明介质薄膜（8），透明介质薄膜（8）的材料是SiO₂、ZrO₂、TiO₂、Ta₂O₅或HfO₂；

E.采用光刻工艺刻蚀去掉衬底5～20％面积上的透明介质薄膜（8），从而露出衬底（1），再在这一露出的衬底（1）上采用光刻胶剥离工艺蒸镀下电极（7），下电极（7）的材料是Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-AuPt-Au、Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au或Ni-Pt-Au，蒸镀下电极的方法是热蒸镀、电子束蒸镀或磁控激射方法；

F.最后，进行划片，制备成边长200微米～3毫米方形的管芯，然后将管芯倒装，即将上电极（6）焊接在热沉或支架上，便制备得到发光管。

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