CN103178179A - 一种双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双面图形的硅化物复合衬底发光二极管及其制作方法。所述的双面图形的硅化物复合衬底发光二极管包括蓝宝石图形衬底，图形衬底是背面减薄抛光至衬底厚度80～150μm，衬底的正面和背面都制有内凹坑图形，衬底的背面内凹坑内填满有SiO₂或SiN_x后再蒸镀有一层布拉格反射膜系和一层金属膜组成的ODR介质膜，使得衬底正面内凹坑图形、背面内凹坑图形，以及背面内凹坑内的SiO₂或SiN_x共同构成具有不同折射率的复合衬底，有效提高发光二极管的外量子效率。

Description

一种双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片，属于光电子技术领域。

背景技术

GaN材料由于在较低温度(700～1000℃)下易分解，因此GaN材料的生长主要采用异质外延的方法，选用蓝宝石作为异质外延衬底，但蓝宝石与GaN材料有16％的晶格失配，造成GaN外延层晶体结构中存在高密度的线位错，而且GaN材料与蓝宝石的热膨胀系数相差较大，导致GaN在高温下生长在冷却至室温时有可能引入大量线缺陷，这种线缺陷将严重影响器件的电学和热学性能。由于GaN基LED中蓝宝石衬底的限制阻碍着GaN基LED器件的发光效率以及其光电性能的提高。

通常通过减少半导体材料的杂质、晶格缺陷和位错，可提高内量子效率。利用现有的外延生长技术即可使GaN基LED的内量子效率高达80％以上，因此GaN基LED器件的内量子效率已经能够达到较高的水平，而较于内量子效率，GaN基LED的外量子效率和光提取效率却还有待进一步的技术提升。造成GaN基LED外量子效率和光提取效率较低的原因主要包括晶格缺陷对光的吸收、衬底对光的吸收以及光在出射过程中的全反射、材料层中的波导效应等。为了提高氮化镓基发光二极管的出光效率，图形化衬底已成为本领域的研发方向。现有图形化衬底技术主要是通过刻蚀蓝宝石，制作图形衬底，如韩国专利1020080087406、1020060127623，在蓝宝石衬底上制作半球形的掩膜，再刻蚀蓝宝石得到半球形的图案；如中国专利文件CN101924173A、CN101814426A等。CN101826583A(CN201010153212.5)公开一种氮化镓基LED外延用蓝宝石图形化衬底制备方法，包括采用常规技术在蓝宝石衬底上蒸渡沉积一层低折射率材料薄膜；用光阻在所述的薄膜上制备掩模图形；通过刻蚀，将光刻胶掩模的图形转移到所述的薄膜上；清洗衬底，去除残留的光阻。采用在本发明得到的图形衬底上外延生长GaN时，穿透位错方向又垂直偏转为水平，从而减少GaN基外延层穿透位错的密度，提高外延层晶体质量，降低半导体发光材料的非辐射复合中心，增强辐射复合，可以提高发光二极管的出光效率。本说明书引用该文件的全文作为现有技术。

CN102064088A(CN201010501449.8)提供了一种干法与湿法混合制备蓝宝石图形衬底的方法，包括以下步骤：(1)在蓝宝石衬底上沉积一层二氧化硅或者氮化硅掩膜；(2)在掩膜层上涂上一层光刻胶，利用光刻胶将图形转移到掩膜层上，利用ICP设备刻蚀掩膜层，形成规则的掩膜图形；(3)用硫酸和磷酸溶液混合溶液湿法腐蚀蓝宝石，制备出所需的蓝宝石图形衬底。本发明通过二氧化硅或者氮化硅作掩膜，先利用ICP干法刻蚀二氧化硅或者氮化硅掩膜，形成规则的三角形和环形图形，然后采用湿法腐蚀蓝宝石，制备出蓝宝石图形衬底。解决了掩膜图形不规则的问题和干法刻蚀蓝宝石价格比较昂贵的问题，增加了出光效率。CN1700449A(CN200410038260.4)提供了一种湿法腐蚀蓝宝石图形衬底的方法，包括：采用常规技术在C面蓝宝石上蒸镀二氧化硅掩膜层；利用光刻技术沿[1100]或[1120]方向光刻条形二氧化硅掩膜图形；用硫酸、或硫酸与磷酸的混合液作为腐蚀液湿法腐蚀该衬底；最后再用稀的氢氟酸溶液腐蚀二氧化硅掩膜层，即可得到蓝宝石图形衬底。

根据现有公开报道，图形化衬底技术提高了蓝宝石衬底GaN基LED芯片的出光效率，但现有技术的普通图形化衬底一般为单面制备图形、且在图形衬底表面直接生长外延层，使得光从外延层进入图形化衬底后，光经过图形衬底表层反射有限，且射向衬底底面的大部分光也不能被反射，使得总体反射率提高程度不够，因而还有待改进以使GaN基LED芯片进一步提高发光效率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片及其制作方法。

发明概述：

将蓝宝石衬底先做背面减薄并抛光，然后在衬底正面和背面两个面上均制备图形，在此双面制备图形的衬底上制备GaN基LED芯片，最后在背面内凹坑图形内生长硅化物，形成具有不同折射率的复合衬底GaN基LED芯片，从而提高发光效率。

术语说明：

ODR：Omni-directional reflector，全方位反射镜。

SiN_x：x为分数或自然数。

PECVD：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积。

MOCVD：Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化学气相沉积。

LED芯片：发光二极管芯片。

LEDs：Light Emitting Diodes，发光二极管。也可记作LEDS。

发明详述：

本发明的技术方案如下：

一种双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片，包括蓝宝石图形衬底，图形衬底正面上生长有外延层，电流扩展层，P、N电极台面，SiO₂掩膜，P电极、N电极；所述的图形衬底是衬底背面减薄抛光至衬底厚度80～150μm，衬底的正面和背面都制有内凹坑图形，衬底的背面内凹坑内填满有SiO₂或SiN_x后，再蒸镀由一层布拉格反射膜系和一层金属膜组成的ODR介质膜，使得衬底正面内凹坑图形、背面内凹坑图形，以及背面内凹坑内的SiO₂或SiN_x共同构成具有不同折射率的复合衬底。

所述的背面内凹坑内的SiO₂或SiN_x是通过PECVD技术生长的。所述的布拉格反射膜系为SiO、SiO₂、TiO₂中的两种或多种，按照λ/4n厚度交替生长形成，生长周期为3～4对；所述的金属膜材料为Al、Ag或Au中的任意一种。

所述内凹坑图形的形状为半球形、圆锥形或圆台形。

所述内凹坑图形的开口宽为2～4μm、深度为2～4μm，图形间隔为2～4μm。

所述图形衬底正面上的SiO₂掩膜厚度为700～1500埃。

所述图形衬底背面上的布拉格反射膜系厚度为3000～7000埃，所述的金属膜厚度为1000～1500埃。

根据本发明，一种双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片的制作方法，包括步骤如下：

(1)将蓝宝石衬底背面减薄抛光，减薄后的衬底厚度为80～150μm。

(2)用光阻对步骤(1)所述减薄后的衬底正面和背面制备图形，通过刻蚀将图形转移到衬底正面和背面两个面上，并去除光阻。

(3)在步骤(2)所得双面图形的衬底正面上生长外延层，外延层依次包括N型GaN层、有源层、P型GaN层。

(4)在步骤(3)生长的外延层上面制备电流扩展层，得到一种半导体结构。

(5)将步骤(4)制得的半导体结构上通过干法刻蚀制得P电极、N电极台面。

(6)在P电极、N电极台面上采用PECVD技术制备SiO₂掩膜，通过光刻技术将P电极、N电极区域暴露出来。

(7)采用电子束蒸镀技术蒸镀P电极、N电极。

(8)对制备完电极的芯片在衬底背面内凹坑里通过PECVD技术生长SiO₂或SiN_x并填满内凹坑，与衬底正面内凹坑图形、衬底背面内凹坑图形共同构成具有不同折射率、不同出光角的GaN基LED支撑层。

(9)最后，在内凹坑内填满SiO₂或SiN_x的衬底背面上再制备一层ODR介质膜，所述ODR介质膜自上而下由一层布拉格反射膜系和一层金属膜构成，布拉格反射膜系材料为SiO、SiO₂、TiO₂中的两种或多种，金属膜材料为Al、Ag或Au中的任意一种。得到双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片。

根据本发明的方法，优选的：

步骤(6)中SiO₂掩膜厚度为700～1500埃。

步骤(9)中布拉格反射膜系厚度为3000～7000埃，金属膜厚度为1000～1500埃。

步骤(2)所述刻蚀图形方法为干法刻蚀或湿法腐蚀。

步骤(4)所述制备电流扩展层采用电子束蒸镀技术或溅射技术。

步骤(8)中衬底背面腐蚀坑内生长SiO₂或SiN材料厚度为2～4μm，填满腐蚀坑。

步骤(9)所述ODR介质膜采用电子束蒸镀技术蒸镀。

以上方法中未特别限定的均参照现有技术。

本发明通过在衬底上下两面制备图形，在此具有双面图形的衬底上生长外延层、电极层，并在衬底背面生长ODR反射介质膜，构成具有不同折射率衬底的GaN基LED，增加了光的出射角度，有效提高LEDs的外量子效率。

附图说明

图1是蓝宝石衬底形状示意图，其中(a)为传统蓝宝石衬底，厚度约为400～450μm；(b)为本发明经过背面减薄抛光并上下两面制备图形的蓝宝石衬底；(c)半球形内凹坑图形；(d)圆锥形内凹坑图形；(e)圆台形内凹坑图形；1、衬底，2、正面内凹坑图形，3、背面内凹坑图形。

图2双面制备图形的蓝宝石衬底上生长外延层示意图。

图3刻蚀P、N电极台面的GaN结构示意图。

图4背面衬底生长SiO₂或SiN_x，并做ODR介质膜的GaN芯片。

图5普通衬底的GaN基LED芯片结构示意图。

图中，11、N型GaN层；12、有源层；13、P型GaN层；14、电流扩展层；15、SiO₂或SiN_x介质；20、ODR介质膜。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明制备的双面图形衬底GaN基LEDs进行具体说明，但不限于此。

实施例1：

一种双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片，包括蓝宝石图形衬底，图形衬底正面上生长有外延层，ITO电流扩展层14，P、N电极台面，SiO₂掩膜，P电极、N电极；所述的图形衬底是衬底背面减薄抛光至衬底厚度100μm，衬底1的正面和背面都制有半球形内凹坑图形2、3，衬底的背面内凹坑3内填满SiO₂介质15后再蒸镀由一层4500埃厚的布拉格反射膜系SiO₂和一层1300埃厚的Al层组成的ODR介质膜20。如图4所示。

所述双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片的制备如图1至图4所示，步骤如下：

(1)先将厚度约为420μm蓝宝石衬底，做背面减薄抛光，减薄后的厚度为100μm。

(2)用光阻在减薄后的衬底上下两面制备掩膜图形，通过干法刻蚀将掩膜图形转移到减薄后的衬底正面和背面上，并去除光阻，如图1(b)示，图形为内凹的半球形。衬底正面和背面的图形相同，开口宽为3μm，图形深度为3μm，图形间隔为3μm；

(3)在上述具有内凹半球形图形的衬底正面上，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长外延层，如图2示。外延层包括N型GaN层11，位于N型GaN半导体上的有源层12，位于有源层上的P型GaN半导体层13。

(4)在步骤(3)中生长的外延层上制备电流扩展层14，所述电流扩展层14为ITO层。

(5)对步骤(4)所述已制备电流扩展层的半导体结构通过干法刻蚀，刻蚀出P、N电极台面，如图3示。

(6)在刻蚀出台面的GaN半导体结构表面上，采用PECVD技术制备一层700～1500埃厚的SiO₂掩膜，露出P、N电极区域部分。

(7)采用电子束蒸镀技术对制备PECVD掩膜的半导体结构蒸镀P、N金属电极。

(8)对制备完电极的芯片在衬底背面内凹形腐蚀坑内生长SiO₂ 15，与衬底共同构成具有不同折射率、不同出光角的GaN基LED支撑层。

(9)如图4，对坑内填满SiO₂介质的衬底背面，用电子束蒸镀一层由布拉格反射膜系和一层金属膜构成的ODR介质膜20，自上而下布拉格反射膜系为4500埃厚的SiO₂、金属膜为厚1300埃的Al层，得到衬底正面和背面均制备内凹半球形图形的，具有不同折射率的硅化物复合衬底GaN基LED芯片。

所制备的双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片在具有普通图形化衬底的GaN基LED芯片的出光效率基础上进一步提高约10％。所述的具有普通图形化衬底的GaN基LED芯片，制备步骤如实施例1中步骤(4)～(7)，结构如图5示，仅在具有单面图形化的衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长外延层，再在外延层上制备P、N电极。

实施例2：

一种双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片，如实施例1所述，所不同的是，衬底背面减薄抛光至衬底厚度150μm，衬底的正面和背面都制有圆锥形内凹坑图形，衬底的背面内凹坑内填满有SiN后再蒸镀由一层5000埃厚的布拉格反射膜系SiO₂和一层1200埃厚的Al层组成的ODR介质膜。

制备步骤如下：

(1)先将传统蓝宝石衬底厚度约为450μm，做背面减薄抛光，减薄后的目标厚度为150μm。

(2)用光阻在减薄后的衬底正面和背面制备掩膜图形，通过湿法腐蚀将掩膜图形转移到减薄后的衬底上下两面上，并去除光阻，如图1(b)示，图形为内凹的圆锥形。衬底正面和背面的图形相同，开口宽为2.5μm，图形深度为3.5μm，图形间隔为2.5μm；

(3)在上述具有内凹圆锥形图形的衬底正面上，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长外延层，如图2示。外延层包括N型GaN层11，位于N型GaN半导体上的有源层12，位于有源层上的P型GaN半导体层13。

(4)在步骤(3)中生长的外延层上制备电流扩展层14，此电流扩展层为ITO层。

(5)对步骤(4)所述已制备电流扩展层的半导体结构通过干法刻蚀，刻蚀出P、N电极台面，如图3示。

(6)在刻蚀出台面的GaN半导体结构表面上，采用PECVD技术制备一层700～1500埃厚的SiO₂掩膜，露出P、N电极区域部分。

(7)采用电子束蒸镀技术对制备PECVD掩膜的半导体结构蒸镀P、N金属电极。

(8)对制备完电极的芯片在衬底背面内凹坑内生长SiN介质15。

(9)对内凹坑内填满SiN介质的衬底背面，如图4用电子束蒸镀一层由布拉格反射膜系和一层金属膜构成的ODR介质膜20，自上而下布拉格反射膜系为5000埃厚的SiO₂、金属膜为厚1200埃的Al层，得到衬底正面和背面均制备内凹圆锥形图形的，具有不同折射率的硅化物复合衬底GaN基LED芯片。

所制备的双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片要在具有普通图形化衬底的GaN基LED芯片的出光效率基础上进一步提高了约9％。所述的具有普通图形化衬底的GaN基LED芯片，制备步骤如实施例2中步骤(4)～(7)，结构如图5示，仅在具有单面图形化的衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长外延层，再在外延层上制备P、N电极。

实施例3：

一种双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片，如实施例1所述，所不同的是，衬底背面减薄抛光至衬底厚度80μm，衬底的正面和背面都制有圆台形内凹坑图形，衬底的背面内凹坑内填满有Si0₂后再蒸镀由一层5000埃厚的布拉格反射膜系SiO₂和一层1200埃厚的Al层组成的ODR介质膜。

一种双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片制备，如实施例1所述，所不同的是：

(1)蓝宝石衬底厚度约为400μm，背面减薄抛光至目标厚度为80μm。

(2)图形为内凹的圆台形。衬底正面和背面图形相同，开口宽为4μm，图形深度为2.5μm，图形间隔为4μm；

(3)在上述具有内凹圆台形的衬底正面上，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长外延层，如图2示。外延层包括N型GaN层11，位于N型GaN半导体上的有源层12，位于有源层上的P型GaN半导体层13。

(4)在步骤(3)中生长的外延层上制备电流扩展层14，所述电流扩展层为ITO层。

(5)对步骤(4)所述已制备电流扩展层的半导体结构通过干法刻蚀，刻蚀出P、N电极台面，如图3示。

(6)在刻蚀出台面的GaN半导体结构表面上，采用PECVD技术制备一层700～1500埃厚的SiO₂掩膜，露出P、N电极区域部分。

(7)采用电子束蒸镀技术对制备PECVD掩膜的半导体结构蒸镀P、N金属电极。

(8)对制备完电极的芯片在衬底背面内凹形腐蚀坑内生长SiO₂ 15，与衬底共同构成具有不同折射率、不同出光角的GaN基LED支撑层。

(9)如图4，对坑内填满SiO₂介质的衬底背面，用电子束蒸镀一层由布拉格反射膜系和一层金属膜构成的ODR介质膜20，自上而下布拉格反射膜系为5500埃厚的SiO₂、金属膜为厚1400埃的Al层，得到衬底正面和背面均制备内凹半球形图形的，具有不同折射率的硅化物复合衬底GaN基LED芯片。

所制备的双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片要在具有普通图形化衬底的GaN基LED芯片的出光效率基础上再提高约8％。所述的具有普通图形化衬底的GaN基LED芯片，制备步骤如实施例3中步骤(4)～(7)，结构如图5示，仅在具有单面图形化的衬底上采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术生长外延层，再在外延层上制备P、N电极。

Claims (9)

1.一种双面图形的硅化物复合衬底的发光二极管，包括蓝宝石图形衬底，图形衬底正面上生长有外延层，电流扩展层，P、N电极台面，SiO₂掩膜，P电极、N电极；其特征在于所述的图形衬底是衬底背面减薄抛光至衬底厚度80～150μm，衬底的正面和背面都制有内凹坑图形，衬底的背面内凹坑内填满有SiO₂或SiN_x后再蒸镀有一层布拉格反射膜系和一层金属膜组成的ODR介质膜，使得衬底正面内凹坑图形、背面内凹坑图形，以及背面内凹坑内的SiO₂或SiN_x共同构成具有不同折射率的复合衬底。

2.如权利要求1所述的双面图形的硅化物复合衬底的发光二极管，其特征在于所述的布拉格反射膜系为SiO、SiO₂、TiO₂中的两种或多种，按照λ/4n厚度交替生长形成，生长周期为3～4对；所述的金属膜材料为Al、Ag或Au中的任意一种。

3.如权利要求1所述的双面图形的硅化物复合衬底的发光二极管，其特征在于所述内凹坑图形的形状为半球形、圆锥形或圆台形。

4.如权利要求1所述的双面图形的硅化物复合衬底的发光二极管，其特征在于所述内凹坑图形的开口宽为2～4μm、深度为2～4μm，图形间隔为2～4μm。

5.如权利要求1所述的双面图形的硅化物复合衬底的发光二极管，其特征在于所述的SiO₂掩膜厚度为700～1500埃。

6.如权利要求1所述的双面图形的硅化物复合衬底的发光二极管，其特征在于所述的布拉格反射膜系厚度为3000～7000埃，所述的金属膜厚度为1000～1500埃。

7.一种权利要求1～5任一项所述的双面图形的硅化物复合衬底的发光二极管的制作方法，包括步骤如下：

(1)将蓝宝石衬底背面减薄抛光，减薄后的衬底厚度为80～150μm；

(2)用光阻对步骤(1)所述减薄后的衬底正面和背面制备图形，通过刻蚀将图形转移到衬底正面和背面两个面上，并去除光阻；

(3)在步骤(2)所得双面图形的衬底正面上生长外延层，外延层依次包括N型GaN层、有源层、P型GaN层；

(4)在步骤(3)生长的外延层上面制备电流扩展层，得到一种半导体结构；

(5)将步骤(4)制得的半导体结构上通过干法刻蚀制得P电极、N电极台面；

(6)在P电极、N电极台面上采用PECVD技术制备SiO₂掩膜，通过光刻技术将P电极、N电极区域暴露出来；

(7)采用电子束蒸镀技术蒸镀P电极、N电极；

(8)对制备完电极的芯片在衬底背面内凹坑里通过PECVD技术生长SiO₂或SiN_x并填满内凹坑，与衬底正面内凹坑图形、衬底背面内凹坑图形共同构成具有不同折射率、不同出光角的GaN基LED支撑层；

(9)最后，在内凹坑内填满SiO₂或SiN_x的衬底背面上再制备一层ODR介质膜，所述ODR介质膜自上而下由一层布拉格反射膜系和一层金属膜构成，布拉格反射膜系材料为SiO、SiO₂、TiO₂中的两种或多种，金属膜材料为Al、Ag或Au中的任意一种。得到双面图形的硅化物复合衬底GaN基LED芯片。

8.如权利要求7所述的双面图形的硅化物复合衬底的发光二极管的制作方法，其特征在于步骤(2)所述刻蚀图形方法为干法刻蚀或湿法腐蚀。

9.如权利要求7所述的双面图形的硅化物复合衬底的发光二极管的制作方法，其特征在于步骤(4)所述制备电流扩展层采用电子束蒸镀技术或溅射技术。

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