CN102290513B - 一种大功率高亮度发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率高亮度发光二极管芯片及其制造方法，它包括：一个金属衬底，在金属衬底之上设有嵌入准光子晶体结构的LED外延片，外延片两侧设有钝化保护层；所述外延片自下向上依次设有：金属键合层、金属反射层、电流扩展和P型欧姆接触层、P型半导体层、发光层、嵌入准光子晶体结构的N型半导体层、N型欧姆接触电极；所述钝化保护层位于金属衬底之上外延片两侧。还公开了该芯片的制造方法。本发明同时解决LED芯片的高效取光和有效散热的问题，克服表面了光子晶体LED结构的缺陷，为大功率、高亮度LED的开发提供一种有效解决方案。

Description

一种大功率高亮度发光二极管芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种金属衬底垂直结构嵌入准光子晶体LED芯片和制造方法，尤其涉及一种大功率高亮度发光二极管芯片和制造方法，属半导体照明技术和纳光电子器件领域。

背景技术

大功率、高亮度LED已经被应用于汽车照明、室内外通用照明、LCD背光照明光源等等众多领域，随着功率和亮度的不断提高，成本的不断降低，LED最终将会取代现有的通用照明光源，成为新一代绿色光源。但是目前LED仍然面临以下挑战性技术难题：

(1)发光效率低；

(2)功率低；

(3)成本高。

这严重影响和制约LED进入通用照明和更加广泛的应用和市场的推广和普及。因此，增加发光效率，提高亮度和功率，降低成本已经成为目前LED迫切亟需解决的技术难题。

目前学术业界和工业界已经提出多种提高光提取效率的方法：倒装(FlipChip)、反射层(金属反射层、分布布拉格反射层、全反射层)、图形化衬底、表面粗化(Surface Roughening)、光子晶体、透明衬底(Transparent Substrate，TS)、三维垂直结构、激光剥离(Laser Lift-off，LLO)、欧姆电极形状的优化、芯片形状几何化结构(抛物线、半球形、三角形等)、衬底转移、工艺方面的改进(封装、散热、对于白光考虑荧光粉的选择)等。光子晶体LED目前被业界认为是提高取光效率，实现超高亮度LED最有效的技术手段之一。理论研究显示指出，通过合理设计光子晶体的几何结构参数(形状、周期、高度、占空比等参数)，即使采用常规芯片结构，并保持原有的衬底，采用表面光子晶体其出光效率也可以达到40％。Philips Lumileds研究人员2009年开发出光提取效率达到73％的光子晶体LED(该小组的最佳组件具有厚700nm的氮化镓膜，并以干法刻蚀方式制作250nm深的光子晶体图形，以便让光绕射离开LED。最理想的光子晶体具有A13晶格，它是单位晶胞由13个孔洞组成的三角图形，晶格常数为450nm)，其最高亮度是目前一般LED的2倍(Nature，Photonics，Vol.3，p.163，2009.)。Luminus Devices较早的采用了光子晶体，2008年年底获得了107lm/W的光子晶体LED，成为该器件新的性能标志。该公司已将开发出高亮度光子晶体PhatLightLED应用在一些高端电视中(例如三星56寸背投电视)和微型投影机。Cree在2008年底获得了107lm/W的光子晶体LED，成为该组件新的性能标志。

与光子晶体LED相比，准光子晶体(光子准晶)结构LED表现出更好的光学特性。准晶光子晶体(Photonic Quasi-crystals，PQCs)是一种介电材料呈准晶结构排列的光子带隙材料，它具有旋转对称性和长程指向性，但没有平移对称性(周期性)，并表现出短程无序性而长程有序性的特性。准光子晶体与光子晶体的显著不同点在于，光子晶体的介电常数按周期晶格分布，而光子准晶的介电常数按照准晶格子结构分布。准光子晶体具有产生完全带隙的折射率阈值低、光子带隙与入射方向无关、产生局域态无需缺陷等优于周期性光子晶体的性能。此外，周期结构光子晶体远场发射仅局限于布拉格顶点，难以实现远场的照度均匀性(uniform illumination of far-field)。限制了光子晶体LED在许多领域的应用。而准光子晶体可以获得均匀一致理想的远场照明。此外，对二维光子晶体而言，因为三角形晶格具有较高的对称性，光子晶体LED通常采用该结构。但对准光子晶体而言，它的排列变化较多，其中有些甚而可形成8、9、10、12重(fold)等的高旋转对称结构，这样的对称性使得在反晶格的高对称点上出现能阶简并(degeneracy)，而有更大的可能性出现宽带隙。所以，二维准光子晶体由于它可以具有比二维光子晶体更高的旋转对称性，因而它的频带特性对光的入射方向的影响不大，所以更容易形成完全光子带隙。

光子晶体和准光子晶体LED具有以下显著的优点：(1)高取光效率；(2)良好的光束控制和光强分布，尤其是准光子晶体具有很好的远场特性。现有的光子晶体LED主要是在LED的上表面形成光子晶体结构，但是，表面光子晶体LED结构存在以下问题：(1)光子晶体与低级波导光的耦合较弱，难以实现对低级波导光的提取；(2)在表面光子晶体的制造过程中，刻蚀工艺可能损伤有源层，影响出光效率；(3)与平面LED结构相比，欧姆电极的制造困难，电流分布不均匀，影响电学特性。而嵌入性光子晶体结构的LED不仅可以实现高级模式、低阶模式和覆盖层模式各种模式光的提取，显著提高了光提取效率。而且欧姆电极可以像传统LED在整个平面上制造；尤其重要的是没有在表面光子晶体制造过程中，由于刻蚀引起有源层的损伤。因此，与表面光子晶体LED相比，嵌入型光子晶体LED结构具有以下优势：(1)高的取光效率；(2)好的电学特性；(3)好的外延片质量。

LED目前主要有三种结构：(1)传统的正装结构(侧向结构)；(2)倒装结构；(3)垂直结构。传统的正装结构LED在市场上最为流行，制作成本低，但存在导热差等缺点(尤其是蓝宝石衬底结构)；倒装结构LED以飞利浦公司Lumileds为代表，但没有从本质上解决LED的散热、电流不均(电流拥塞)、寿命等问题；垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部的p-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。尤其是激光剥离去除原有衬底，采用铜等金属合金为衬底的垂直结构，很好的解决了大功率LED的散热问题。此外，以Cree的SiC衬底垂直结构及Osram、Semileds的激光剥离为代表。由于无需打金线与外界电源相联结，采用通孔垂直结构的LED芯片的封装的厚度降低。因此，可以用于制造超薄型的器件，如背光源等。因此，金属衬底的垂直结构LED很好的解决了散热问题，特别适合大功率LED芯片。

结合嵌入准光子晶体LED、垂直结构、横向外延生长、金属衬底可以进一步提升LED的出光效率，有效的提升了发光二极管的亮度和功率，很好的解决功率型LED的散热问题。因此，为实现功率型高亮度和超高亮度LED的开发提供一种全新的思路和方法。

纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography，NIL)是一种新的纳米结构制造方法，它具有高分辩率、超低成本(国际权威机构评估同等制作水平的NIL比传统光学投影光刻至少低一个数量级)和高生产率等特点，而且它最显著的优势在于大面积和复杂三维微纳结构制造的能力(尤其对于软UV-NIL)。此外，NIL是通过抗蚀剂的受力变形实现其图形化，不涉及各种高能束的使用，对于衬底的损伤小。而且还具有整片晶圆压印的能力。目前，纳米压印已经成为图形化蓝宝石衬底、光子晶体制造最理想的技术方法之一。纳米压印光刻在低成本、规模化制造光子晶体和准光子晶体LED方面已经显示了巨大的潜能。与电子束光刻、全息光刻、阳极氧化铝模板(AAO)、干法刻蚀等微纳米制造方法制造光子晶体和准光子晶体结构相比较，NIL具有成本低、生产率高、可制造晶圆尺寸大的优点，以及可在不平整晶圆上制造光子晶体和准光子晶体结构以及纳尺度衬底图形化等方面具有显著优势。为准光子晶体LED的图形化制造提供了一种理想的规模化生产的方法。

发明内容

本发明的目的就在于，提供一种大功率高亮度发光二极管芯片及其制造方法。它具有低成本、高效、有利于大批量制造的优点。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

一种大功率高亮度发光二极管芯片，包括：一个金属衬底，在金属衬底之上设有嵌入准光子晶体结构的LED外延片，所述嵌入准光子晶体结构的LED外延片两侧设有钝化保护层；所述的嵌入准光子晶体结构的LED外延片自下向上依次为：金属键合层、金属反射层、电流扩展和P型欧姆接触层、P型半导体层、发光层(有源层)、嵌入准光子晶体结构的N型半导体层、N型欧姆接触电极；所述钝化保护层位于金属衬底之上外延片两侧。

所述的嵌入准光子晶体结构的N型半导体层，其N型半导体层厚度是300nm-1500nm；嵌入的纳米介质柱材料为介电材料二氧化硅或者氮化硅；采用8重或12重或周期性结构的二维准光子晶体结构，晶格常数300-700nm，准光子晶体的高度50nm-150nm；所述纳米介质柱构置于N型半导体层的内部。

所述金属衬底包括最下层P型欧姆接触电极，中间为转移金属衬底以及转移金属衬底之上的金属键合层，所述金属键合层包括在转移金属衬底溅射的金属键合层I，在外延片中的金属反射层上溅射的金属键合层II，转移金属衬底与金属反射层通过金属键合层I、金属键合层II键合，转移金属衬底为铜、铜合金、铝合金、银、镍或镍/铜中的一种；或为硅衬底；P型欧姆接触电极为Ti/Au、Ni/Au或Cr/Au的任意一种，厚度100nm-400nm。

所述金属键合层为Ni/Au、Ti/Cu、Ti/Au或Au/Sn中的一种或者任意两种的组合。

所述发光层为多层量子阱结构、双异质结结构、多层量子点结构或多层量子线，其厚度是50mm-200nm；

所述N型欧姆接触电极为Ti/Al、Ti/Au、Cr/Au或Ti/AI/Ti/Au的任意一种，厚度100-400nm；所述钝化保护层为二氧化硅或氮化硅，厚度是100nm-600nm。

一种大功率高亮度发光二极管芯片的制造方法，包括如下工艺步骤：

(1)外延片的制造；

(2)金属衬底制造；

(3)外延片和金属衬底的键合；

(4)剥离外延片上原有的临时衬底；

(5)去除外延片原有的成核层和缓冲层；

(6)减薄具有嵌入准光子晶体结构的N型半导体层；

(7)N型欧姆接触电极和P型欧姆接触电极的制作；

(8)钝化保护层制作。

所述步骤(1)外延片制造方法：

首先，采用金属有机化学沉积外延MOCVD工艺在临时衬底上依次生长成核层、缓冲层、N型半导体层；

其次，从MOCVD中取出附有成核层、缓冲层和N型半导体层的衬底，在N型半导体层沉积一层介电层，采用纳米压印和等离子体刻蚀工艺在介电层形成纳米介质柱准光子晶体结构；将具有准光子晶体结构的外延片重新放入MOCVD，利用向外延生长工艺继续生长N型半导体层、发光层、P型半导体层；

随后，从MOCVD中取出外延片，采用电子束蒸发工艺在P型半导体层之上沉积电流扩展和P型欧姆接触层以及金属反射层；最后，通过磁控溅射在金属反射层上溅射金属键合层II。

所述嵌入准光子晶体结构LED外延片制造中的准光子晶体结构的制造方法：

首先采用等离子体增强化学气相沉积工艺在N型半导体层之上沉积一层二氧化硅或氮化硅为介电层；

随后，采用纳米压印和等离子体刻蚀在介电层上制作出纳米介质柱准光子晶体结构；

最后，去除抗蚀剂，并清洗，去除介电层表面的污物和氧化物。

本发明一种大功率高亮度发光二极管芯片具体的制造工艺步骤：

1)嵌入准光子晶体结构LED外延片制造

嵌入准光子晶体结构LED外延片以蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)等为衬底，采用金属有机化学沉积(MOCVD)外延工艺。具体制造过程包括：

(a)生长成核层、缓冲层、N型半导体层

将衬底置入MOCVD，在所述的衬底之上依次生长成核层、缓冲层和N型半导体层。

(b)制造准光子晶体结构

首先，从MOCVD中取出附有成核层、缓冲层和N型半导体层的衬底，在N型半导体层之上沉积一层二氧化硅或氮化硅介电层；随后，采用纳米压印和等离子体刻蚀工艺在介电层上制作纳米介质柱准光子晶体结构；最后，去除抗蚀剂，并清洗以去除介电层表面的污物和氧化物。

(c)生长N型半导体层、发光层、P型半导体层

将具有准光子晶体结构的外延片重新置入MOCVD，采用横向外延生长工艺继续生长N型半导体层，在N型半导体之上继续生长发光层、P型半导体层。

(d)沉积电流扩展和P型欧姆接触层以及金属反射层

采用电子束蒸发工艺在P型半导体层之上沉积电流扩展和P型欧姆接触层以及金属反射层。

(e)溅射金属键合层

通过磁控溅射在金属反射层之上溅射金属键合层II。

2)金属衬底的制造

以金属或者金属合金为转移衬底，在其上溅射金属键合层I。

3)嵌入准光子晶体结构LED外延片和金属衬底的键合

采用金属键合工艺将嵌入准光子晶体结构LED外延片转移到金属衬底上。

4)剥离外延片上原有的临时衬底

采用激光剥离工艺(Laser Lift-Off，LLO)或者化学去除工艺剥离外延片上原有的临时衬底。

5)去除外延片上的成核层和缓冲层

采用晶圆减薄工艺或者化学机械抛光等方法去除外延片上原有的成核层和缓冲层。

6)减薄具有嵌入准光子晶体结构的N型半导体层

采用晶圆减薄工艺或者化学机械抛光等方法减薄具有嵌入准光子晶体结构的N型半导体层。

7)N型和P型欧姆接触电极的制作

采用光刻和电子束蒸发(蒸镀)制作N型和P型欧姆接触电极。

8)钝化保护层制作

在衬底之上外延片两侧沉积钝化保护层。

为了提高LED的光提取效率和功率，本发明采用以下技术方案：

(1)提高光提取效率：采用嵌入准光子晶体结构和反射层结构，嵌入准光子晶体结构可以实现对高级、低级和覆盖光各级模式光的提取，采用反射层避免衬底金属衬底对于光的吸收；(2)改善电流分布：通过采用垂直结构设计、电流扩展层和在平面结构上制造图形化网状电极实现电流均匀分布，减少电流拥塞现象，间接提高取光效率；(3)本发明嵌入准光子晶体结构不但可以提高取光效率，而且还可以降低外延片的位错密度，提高外延片的质量；(4)改善散热性能：通过采用金属或者金属合金衬底，降低热阻，有效改善散热特性，间接提高取光效率，并有效提高其功率。

为了降低一种大功率高亮度发光二极管芯片的生产成本，本发明采用以下技术方案：

(1)采用软紫外纳米压印光刻制作准光子晶体结构，实现其大面积、低成本和大规模化制造；(2)通过采用金属键合工艺和激光剥离实现将外延片转移到金属衬底上，并剥离外延片原有的临时衬底。

本发明外延片在制备过程中使用的衬底材料包括：蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)。

本发明发光层包括量子阱结构、异质结结构、量子点结构或量子线。

本发明外延片沉积的电流扩展层和P型欧姆接触层包括：Ni/Au、ITO或ZnO；金属反射层包括：Ni/Ag或Ag/Cu。

本发明采用导电和导热性能优良的金属或者金属合金为衬底，包括金属铜、铜合金、铝合金、银、镍或镍/铜。也可以采用硅衬底，衬底其厚度是10μm-300μm。

本发明金属衬底和外延片上的金属键合层包括Ni/Au、Ti/Cu、Ti/Au或Au/Sn，或者任意两者的组合。

本发明嵌入准光子晶体材料为介电材料二氧化硅(SiO2)或者氮化硅(Si₃N₄)；采用8重或12重二维准光子晶体结构，晶格常数300-700nm，准光子晶体的高度50nm-150nm。准光子晶体结构置于N型半导体层的内部。

本发明二维准光子晶体结构具有长程有序性但短程无序性。通过优化准光子晶体结构最邻近图形的距离、图形的大小、和深度(高度)，可以进一步提升光提取效率。

本发明N型欧姆接触电极包括Ti/Al、Ti/Au、Cr/Au或Ti/AI/Ti/Au；P型欧姆接触电极包括Ti/Au、Ni/Au或Cr/Au。

本发明钝化保护层包括二氧化硅(SiO₂)或氮化硅(Si₃N₄)。其厚度是100nm-600nm。

本发明适用于III-V族、II-IV族、III族氮化物半导体发光材料体系发光二极管的制造，尤其适合GaN基发光二极管的制造。

本发明的优点是：

1)充分结合嵌入准光子晶体结构、横向外延生长工艺、金属衬底和垂直结构设计的优势，极大的提高了出光效率、降低外延片位错密度(提高外延片质量)、实现电流均匀分布，降低热阻，有效改善散热性能，提供了一种实现高亮度、大功率LED芯片的方法。

2)电极可以在整个平面上制造。

3)本发明提供一种大功率高亮度发光二极管芯片制造工艺，具有生产成本低、高效、适合大规模化制造的特点。

4)本发明制作的发光二极管具有亮度高、功率大、远场照度均匀、发光均匀一致、出光效率高、散热性能好(热阻低)、制造成本低的显著特点。

5)本发明不仅适用于GaN基蓝光、绿光和白光大功率和高亮度LED，还适用于其它波长、其它材料体系(III-V、II-IV)发光二极管及有机发光二极管的制造。

6)本发明嵌入准光子晶体结构不但可以有效提高取光效率，避免表面准光子晶体LED结构的缺陷，而且，结合横向外延生长工艺，可以有效降低外延片位错密度，提高外延片的质量。

6)本发明同时有效地解决LED芯片的提高取光效率和高效散热的问题，为功率型高亮度LED的开发提供一种有效解决方案。

7)本发明不但克服表面光子晶体LED的缺陷，而且还结合纳图形化衬底(NPS)、横向外延生长工艺以及表面准光子晶体LED的优点。

附图说明

图1是本发明的金属衬底垂直结构嵌入准光子晶体发光二极管芯片结构示意图。

图2是本发明的金属衬底垂直结构嵌入准光子晶体发光二极管芯片制造工艺步骤图。

图3是本发明的实施例1金属衬底垂直结构嵌入准光子晶体GaN基发光二极管芯片结构示意图。

图4A-图4k是本发明实施例1金属衬底垂直结构嵌入准光子晶体GaN基发光二极管芯片制造工艺示意图。

图5A-图5E是采用软紫外纳米压印和等离子体刻蚀(ICP)工艺在N型半导体层上制作出准光子晶体结构工艺示意图。

图6是本发明实施例1准光子晶体结构示意图。

图7是本发明实施例2的结构示意图。

图8是本发明实施例2准光子晶体结构示意图。

图9是图形化电极结构示意图。

图中：1.金属衬底，2外延片，3.钝化保护层，101.P型欧姆接触电极，102.转移金属衬底，103.金属键合层I，201.金属键合层II，202.金属反射层，203.电流扩展和P型欧姆接触层，204.P型半导体层，205.发光层，206.N型半导体层，207.纳米介质柱，208.N型欧姆接触电极，211.缓冲层，212.成核层，213.蓝宝石衬底，501.二氧化硅介电层，502.抗蚀剂，511.残留抗蚀剂，514.准光子晶体结构。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

一种大功率高亮度发光二极管芯片即垂直结构金属衬底嵌入准光子晶体发光二极管芯片结构示意图参见图1，主要由金属衬底1，金属衬底1之上设有嵌入准光子晶体结构的LED的外延片2，嵌入准光子晶体结构的LED外延片2两侧的钝化保护层3三部分组成。金属衬底1包括最下层的P型欧姆接触电极101、中间的转移金属衬底102，以及转移金属衬底102之上的金属键合层I103(该层与外延片2的金属键合层II201键合形成共用关系)。金属衬底1之上的嵌入准光子晶体结构的LED外延片2自下向上依次为：金属键合层II201、金属反射层202；电流扩展和P型欧姆接触层203；P型半导体层204；发光层205；嵌入准光子晶体结构N型半导体层206；N型半导体层206中嵌入的准光子晶体结构纳米介质柱207；N型欧姆接触电极208。钝化保护层3位于金属衬底1之上嵌入准光子晶体结构外延片2的两侧。

一种大功率高亮度发光二极管芯片垂直结构金属衬底嵌入准光子晶体LED芯片制造工艺步骤参见图2，包括：(1)嵌入准光子晶体结构LED外延片的制造；(2)金属衬底制造；(3)嵌入准光子晶体结构LED外延片和金属衬底的键合；(4)剥离嵌入准光子晶体结构LED外延片上原有的临时衬底；(5)去除外延片原有的成核层和缓冲层；(6)减薄具有嵌入准光子晶体结构的N型半导体层；(7)N型和P型欧姆接触电极的制作；(8)钝化保护层制作。

实施例1

以金属铜(Cu)为金属衬底1，垂直结构GaN基嵌入准光子晶体LED为实施例1，其具体的结构示意图如图3所示。金属衬底1垂直结构GaN基嵌入准光子晶体LED自下而上依次包括：Ti/Au的P型欧姆接触电极101；金属Cu转移金属衬底102；Ti/Cu材料金属键合层I103以及金属键合层II201；Ni/Ag的金属反射层202；Ni/Au的电流扩展和P型欧姆接触层203；P-GaN的P型半导体层204；5层InGaN/GaN多量子阱(MQW)发光层205；N-GaN的嵌入准光子晶体结构N型半导体层206；N型半导体层206中嵌入的准光子晶体结构SiO₂纳米介质柱207；Cr/Au的N型欧姆接触电极208；SiO₂钝化保护层3。

本实施例1具体制造的方法：

在图4A-图4K、图5A-图5E、图6中

本发明一种大功率高亮度发光二极管芯片制造工艺示意图，具体工艺步骤如下：

1)嵌入准光子晶体结构LED外延片制造

(a)生长成核层、缓冲层、N型半导体层

如图4A，将衬底置入MOCVD，在蓝宝石衬底213(外延片临时衬底)上生长50nm GaN成核层212，在成核层212之上生长未掺杂2μm GaN缓冲层211；在缓冲层211之上生长1μm N-GaN的N型半导体层206。

(b)制造准光子晶体结构

如图4B，首先，从MOCVD中取出附有成核层212、缓冲层211和N型半导体层206的蓝宝石衬底213，在N型半导体层206之上沉积100nm二氧化硅介电层；随后，采用软紫外纳米压印和等离子体刻蚀工艺在介电层上制作准光子晶体结构纳米介质柱207；最后，去除抗蚀剂并清洗，以去除介电层表面的污物和氧化物。

图5A-图5E、图6所示，是采用软紫外纳米压印和等离子体刻蚀(ICP)工艺在N型半导体层206上制作出准光子晶体结构工艺示意图。

图5A为在N型半导体层206之上沉积100nm厚二氧化硅介电层501，然后在二氧化硅介电层501表面上再均匀旋转涂铺300nmUV纳米压印所用的抗蚀剂502；

图5B具有准光子晶体结构的压印模具与蓝宝石衬底213对正后，压向抗蚀剂502，实现模具上的准光子晶体结构到抗蚀剂502特征图形的转移；随后，采用紫外光从模具背面照射抗蚀剂502材料，曝光固化成型后，脱模，显影、坚膜后在抗蚀剂502上复制出准光子晶体结构514；

图5C为使用反应离子刻蚀RIE(Reactive Ion Etching)去除残留抗蚀剂511，在抗蚀剂502材料上复制出准光子晶体结构514；

图5D为采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺以抗蚀剂上的图形为掩模，刻蚀二氧化硅介电层501；将抗蚀剂502上的准光子晶体结构514转移到二氧化硅介电层501；

图5E为去除抗蚀剂502，在二氧化硅介电层501上制作出准光子晶体结构514。转移到二氧化硅介电层501上的特征结构为12重二维准光子晶体结构，孔的直径100nm，填充因子26％，准光子晶体的高度100nm。

(c)生长N型半导体层、发光层、P型半导体层

如图4C，将具有准光子晶体结构纳米介质柱207的蓝宝石衬底213重新置入MOCVD，采用横向外延生长工艺继续生长1μm N-GaN的N型半导体层206，在N-GaN的N型半导体层206上生长InGaN/GaN5层共70nm的量子阱发光层205，200nm的P-GaN的P型半导体层204。

(d)沉积电流扩展和P型欧姆接触层203以及金属反射层202

如图4D，采用电子束蒸发工艺在P型半导体层204之上沉积50nm Ni/Au电流扩展和P型欧姆接触层203、100nmNi/Ag的金属反射层202。

(e)溅射金属键合层II

如图4E，通过磁控溅射在金属反射层上溅射20nm Ti和200nm Au的金属键合层II201。

2)金属衬底的制造

以铜(Cu)为衬底102，采用磁控溅射工艺在其上溅射20nm/200nm的Ti/Au金属键合层I103。

3)外延片和金属衬底的键合

如图4F所示，采用金属熔融键合工艺，将外延片转移到金属衬底上。分别以外延片上的Ti/Au金属键合层II201和Cu衬底上的Ti/Au金属键合层I103为键合界面。

4)剥离外延片2上原有的临时衬底(蓝宝石衬底213)

如图4G所示，采用激光剥离工艺(Laser Lift-Off，缩写LLO)去除外延片2的蓝宝石衬底213。

5)去除外延片2上的成核层212和缓冲层211

如图4H所示，采用晶圆减薄工艺或者化学机械抛光等方法去除外延片2上原有的GaN成核层212和缓冲层211。

6)减薄具有嵌入准光子晶体结构的N型半导体层206。

如图4I所示，采用晶圆减薄工艺或者化学机械抛光等方法减薄具有嵌入准光子晶体结构的N型半导体层206，减薄的厚度600nm。

7)N型和P型欧姆接触电极的制作

如图4J所示，以Cr/Au为N型欧姆接触电极208，Ti/Au为P型欧姆接触电极101。采用电子束蒸发的方法制作N型欧姆接触电极208，电极厚度400nm。采用光刻和电子束蒸发的方法制作P型欧姆接触电极101，电极厚度200nm。

8)钝化保护层制作

如图4K所示，以SiO₂为钝化保护层材料，利用等离子体化学气相沉积在金属衬底1，之上外延片两侧沉积200nm钝化保护层3。

实施例2

如图7、图8所示，本实施例与实施例1相似，其区别在于：衬底102是铜合金；ITO的电流扩展层和P型欧姆接触层203；Ag/Cu的金属反射层202；氮化硅(Si₃N₄)的钝化保护层3。N型半导体层206中嵌入的准光子晶体结构的特征结构为12重向日葵型二维准光子晶体结构514空气孔的平均直径80nm，最邻近空气孔的孔心距离约为200nm，准光子晶体的高度120nm。

图9中，为了提高电学特性，改善电流拥塞。实现电流分布均匀，增大出光面积，出光面N型欧姆接触电极208可以采用图形化电极结构。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (8)

1. 一种大功率高亮度发光二极管芯片，其特征在于，包括：一个金属衬底，在金属衬底之上设有嵌入准光子晶体结构的LED外延片，外延片两侧设有钝化保护层；所述外延片自下向上依次设有：金属键合层、金属反射层、电流扩展和P型欧姆接触层、P型半导体层、发光层、嵌入准光子晶体结构的N型半导体层、N型欧姆接触电极。

2.如权利要求1所述的大功率高亮度发光二极管芯片，其特征在于，所述的嵌入准光子晶体结构的N型半导体层，其N型半导体层厚度是300nm-1500nm；嵌入准光子晶体材料为介电材料二氧化硅或者氮化硅；采用8 重或12 重二维准光子晶体结构，晶格常数300-700nm，准光子晶体的高度50nm-150nm，准光子晶体结构置于N型半导体层的内部。

3.如权利要求1所述的大功率高亮度发光二极管芯片，其特征在于，所述金属衬底包括最下层P型欧姆接触电极，中间为转移金属衬底以及转移金属衬底之上的金属键合层，所述金属键合层包括在转移金属衬底溅射的金属键合层I，在外延片中的金属反射层上溅射的金属键合层II，转移金属衬底与金属反射层通过金属键合层I、金属键合层II键合，转移金属衬底为铜、铜合金、铝合金、银、镍或镍/铜中的一种；或为硅衬底；P型欧姆接触电极为Ti/Au、Ni/Au或Cr/Au的任意一种，厚度100nm-400nm。

4.如权利要求1或3所述的大功率高亮度发光二极管芯片，其特征在于，所述金属键合层为Ni/Au、Ti/Cu、 Ti/Au或Au/Sn中的一种或者任意两种的组合。

5.如权利要求1所述的大功率高亮度发光二极管芯片，其特征在于，所述发光层为多层量子阱结构、双异质结结构、多层量子点结构或多层量子线，其厚度是50mm-200nm。

6.如权利要求1所述的大功率高亮度发光二极管芯片，其特征在于，所述N型欧姆接触电极为Ti/Al、Ti/Au、Cr/Au或Ti/AI/Ti/Au的任意一种，厚度100-400nm；所述钝化保护层为二氧化硅或氮化硅，厚度是100nm-600nm。

7. 一种大功率高亮度发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，包括如下工艺步骤： 

（1）外延片的制造；

所述步骤（1）外延片制造方法： 

首先，采用金属有机化学沉积外延MOCVD工艺在临时衬底上依次生长成核层、缓冲层、N型半导体层； 

其次，从MOCVD中取出附有成核层、缓冲层和N型半导体层的衬底，在N型半导体层沉积一层介电层，采用纳米压印和等离子体刻蚀工艺在介电层形成纳米介质柱准光子晶体结构；将具有准光子晶体结构的外延片重新放入MOCVD，利用横向外延生长工艺继续生长N型半导体层、发光层、P型半导体层； 

随后，从MOCVD中取出外延片，采用电子束蒸发工艺在P型半导体层之上沉积电流扩展和P型欧姆接触层以及金属反射层；最后，通过磁控溅射在金属反射层上溅射金属键合层II；

（2）金属衬底制造； 

（3）外延片和金属衬底的键合； 

（4）剥离外延片上原有的临时衬底； 

（5）去除外延片原有的成核层和缓冲层； 

（6）减薄具有嵌入准光子晶体结构的N型半导体层； 

（7）N型欧姆接触电极和P型欧姆接触电极的制作； 

（8）钝化保护层制作。

8. 如权利要求7所述的一种大功率高亮度发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，所述嵌入准光子晶体结构LED外延片制造中的准光子晶体结构的制造方法： 

首先采用等离子体增强化学气相沉积工艺在N型半导体层之上沉积一层二氧化硅或氮化硅为介电层； 

随后，采用纳米压印和等离子体刻蚀在介电层上制作出纳米介质柱准光子晶体结构； 

最后，去除抗蚀剂，并清洗，去除介电层表面的污物和氧化物。

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