CN103840046A - Led外延片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED外延片及其制造方法。该LED外延片包括:图形化衬底、外延层和反射层,所述外延层形成于所述图形化衬底的正面,所述反射层形成于所述图形化衬底的背面,所述反射层包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层和高折射率膜层。反射层可直接形成于LED外延片的背面,无需采用价格较高的GaAs衬底以及无需采用晶片键合技术,制作过程简单,从而极大的降低了LED的制造成本。

Description

LED外延片及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体技术领域,特别涉及一种LED外延片及其制造方法。

背景技术

[0002] 随着全球能源日益枯竭,节约能源、提高能效是可持续发展能源的重大战略。据统计,全世界照明耗能约占总电功率的20%,因此,照明效率的细微提高就意味着能够节省巨额的能源与资金。半导体照明技术是以发光二极管(Light Emitting Diode,以下简称:LED)为核心的固体照明光源技术及其相关技术。与传统照明光源相比,LED光源比白炽灯节电80%、比荧光灯节电50%,而LED光源的寿命比白炽灯的寿命长20〜30倍、比荧光灯的寿命长10倍,被誉为是继白炽灯、荧光灯、高压放电灯之后的新一代绿色照明光源。因此,半导体照明技术是当今世界照明技术发展的主要方向,半导体照明产业将成为21世纪高技术主导产业之一,成为影响未来社会经济发展的战略性产业。

[0003] LED外延片是半导体照明技术的基础。其中,生长GaN基LED外延片的蓝宝石衬底和GaN材料的晶格常数存在较大的失配(16% ),在蓝宝石衬底上生长的GaN晶体具有很高的位错密度(IO9CnT2〜IO12CnT2),从而造成载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响,使得LED器件内量子效率下降。为了解决这一问题,在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜,通过标准的光刻工艺将该掩膜刻出图形,利用ICP刻蚀技术刻蚀该蓝宝石衬底,并去掉掩膜,再在该蓝宝石衬底上生长GaN材料,使GaN材料的纵向外延变为横向外延,即:在图形化衬底上外延GaN。该方法可以有效减少GaN外延材料的位错密度,从而减小有源区的非辐射复合,减小反向漏电流,提高LED的寿命。

[0004] 由上述LED外延片制成的LED芯片有源区发出的光线方向是无规则的。因LED芯片底部为蓝宝石衬底,普通正装LED结构将导致LED芯片向下发射出的光线无法被利用成为有效出光,从而降低了 LED芯片的出光效率。为解决上述问题,现有技术提出了一种在LED外延片的背面设置一全角度反射镜的方案。图1为现有技术中LED外延片上设置全角度反射镜的结构示意图,如图1所示,在LED外延片上设置全角度反射镜的过程包括:采用分子束外延的方法,在GaAs衬底5上交替生长多层高折射率层6和低折射率层7,高折射率层6为GaAs,低折射率层7为AlAs,形成全角度反射镜8。在蓝宝石衬底9上用MOCVD的方法首先生长N型GaNlO层然后生长有源区量子阱11,即GaN/InGaN量子阱结构。再在有源区量子阱11上生长P型GaN12,制作得到LED芯片。采用晶片键合方法将制作好的LED芯片与全角度反射镜采用晶片键合技术键合在一起。从而使得出射到LED外延片底部的光线反射。

[0005] 该方法需要采用价格较高的GaAs衬底,同时还需要采用晶片键合方法将制作好的LED芯片与全角度反射镜采用晶片键合技术键合在一起,制作过程复杂,从而大大提高了 LED的制造成本。

发明内容[0006] 本发明提供一种LED外延片及其制造方法,用于降低LED的制造成本。

[0007] 为实现上述目的,本发明提供了一种LED外延片,包括:图形化衬底、外延层和反射层,所述外延层形成于所述图形化衬底的正面,所述反射层形成于所述图形化衬底的背面,所述反射层包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层和高折射率膜层。

[0008] 可选地,所述交替周期数包括:10至20。

[0009] 可选地,所述低折射率膜层的材料包括:Na3AlF6、SiO2、MgF2、LiF或者LaF3,所述高折射率膜层的材料包括=Y2O3, HfO2, Ta2O5或者Ti02。

[0010] 可选地,所述低折射率膜层的厚度为1/4 λ,所述高折射率膜层的厚度为1/4 λ。

[0011] 为实现上述目的,本发明还提供了 一种LED外延片的制造方法,包括:

[0012] 形成图形化衬底;

[0013] 在所述图形化衬底的正面形成外延层以及在所述图形化衬底的背面形成反射层,所述反射层包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层和高折射率膜层。

[0014] 可选地,所述在所述图形化衬底的正面形成外延层以及在所述图形化衬底的背面形成反射层包括:

[0015] 在所述图形化衬底的正面形成所述外延层;

[0016] 在所述图形化衬底的背面形成所述反射层。

[0017] 可选地,所述在所述图形化衬底的背面形成所述反射层包括:

[0018] 通过PVD或者CVD的方法,在所述图形化衬底的背面按照交替周期数交替形成所述低折射率膜层和所述高折射率膜层。

[0019] 可选地,所述交替周期数包括:10至20。

[0020] 可选地,所述低折射率膜层的材料包括:Na3AlF6、SiO2、MgF2、LiF或者LaF3,所述高折射率膜层的材料包括=Y2O3, HfO2, Ta2O5或者Ti02。

[0021] 可选地,所述低折射率膜层的厚度为1/4 λ,所述高折射率膜层的厚度为1/4 λ。

[0022] 本发明具有以下有益效果:

[0023] 本发明提供的技术方案中,LED外延片包括图形化衬底、外延层和反射层,外延层形成于图形化衬底的正面,反射层形成于图形化衬底的背面,反射层包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层和高折射率膜层,反射层可直接形成于LED外延片的背面,无需采用价格较高的GaAs衬底以及无需采用晶片键合技术,制作过程简单,从而极大的降低了LED的制造成本。

附图说明

[0024] 图1为现有技术中LED外延片上设置全角度反射镜的结构示意图;

[0025] 图2为本发明实施例一提供的一种LED外延片的结构示意图;

[0026] 图3为本发明实施例二提供的一种LED外延片的制造方法的流程图。

具体实施方式

[0027] 为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图对本发明提供的LED外延片及其制造方法进行详细描述。

[0028] 图2为本发明实施例一提供的一种LED外延片的结构示意图,如图2所示,该LED外延片包括:图形化衬底1、外延层2和反射层3,外延层2形成于图形化衬底I的正面,反射层3形成于图形化衬底I的背面,反射层3包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层31和高折射率膜层32。

[0029] 在图形化衬底I的背面设置反射层3可有效将出射到LED外延片底部的光线反射。反射层3的反射率的大小取决于高折射率膜层32和低折射率膜层31的折射率比值和膜层层数。高折射率膜层32和低折射率膜层31的折射率比值越大,反射层3的反射率越高;且高折射率膜层32和低折射率膜层31的膜层总数越大,反射层3的反射率越高,其中,膜层总数由交替周期数决定,交替周期数越大膜层总数越大,因此,交替周期数越大,反射层3的反射率越高。

[0030] 高折射率膜层32的材料和低折射率膜层31的材料决定了高折射率膜层32和低折射率膜层31的折射率比值。本实施例中,高折射率膜层32的材料可以包括:Y203,HfO2,Ta2O5或者TiO2,低折射率膜层31的材料包括:Na3AlF6、Si02、MgF2、LiF或者LaF3。

[0031] 优选地,交替周期数包括:10至20。需要说明的是:图2中仅以交替周期数为4进行示例。图2中,低折射率膜层31和高折射率膜层32按照交替周期数以低折射率膜层31-高折射率膜层32的顺序交替形成于图形化衬底I的背面。在实际应用中,低折射率膜层31和高折射率膜层32按照交替周期数以高折射率膜层32-低折射率膜层31的顺序交替形成于图形化衬底I的背面。

[0032] 本实施例中,低折射率膜层31的厚度可以为1/4 λ,高折射率膜层32的厚度可以为 1/4 λ。

[0033] 本实施例中,反射层3具有很高的反射率,在图形化衬底I的背面形成该反射层3能够将原本从图形化衬底I出射到LED外延片底部的光线反射,从而使反射的光线从LED外延片的正面出射成为有效出光(图中箭头所示),提高了 LED的出光量。

[0034] 优选地,图形化衬底I的材料为蓝宝石。

[0035] 本实施例中,外延层2可包括:位于图形化衬底I上的非掺杂本征氮化镓(U-GaN)层21、位于非掺杂本征氮化镓层21的掺硅N型氮化镓(η-GaN)层22、位于掺硅N型氮化镓层22上的多量子阱23和位于多量子阱23上的掺镁P型氮化镓(p-GaN)层24。其中,多量子阱23可包括按照5至10个周期交替形成的InGaN/GaN。

[0036] 本实施例提供的LED外延片包括图形化衬底、夕卜延层和反射层,夕卜延层形成于图形化衬底的正面,反射层形成于图形化衬底的背面,反射层包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层和高折射率膜层,反射层可直接形成于LED外延片的背面,无需采用GaAs衬底以及无需采用晶片键合技术,制作过程简单,从而极大的降低了 LED的制造成本。在背面形成有反射层的图形化衬底的正面形成外延层,从而提高了 LED外延片的质量。本实施例中的外延片不仅具有良好的质量,发光强度高,具有更高的出光量。

[0037] 图3为本发明实施例二提供的一种LED外延片的制造方法的流程图,该LED外延片包括:

[0038] 步骤1、形成图形化衬底。

[0039] 本实施例中,步骤I可包括:

[0040] 步骤11、制备基板衬底,例如:该基板衬底可以为监宝石衬底;

[0041] 步骤12、采用光刻蚀的方法在基板衬底的正面刻蚀出图形,以形成图形化衬底。[0042] 步骤2、在图形化衬底的正面形成外延层以及在图形化衬底的背面形成反射层,反射层包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层和高折射率膜层。

[0043] 本实施例中,步骤2可包括:

[0044] 步骤21、在图形化衬底的正面形成外延层。

[0045] 具体地,步骤21可包括:

[0046] 步骤210、通过MOCVD工艺在1000°C的温度下,在氢气环境下对图形化衬底进行预处理。预处理过程中,执行MOCVD工艺的MOCVD反应腔内应保持有流动的氢气。预处理过程可去除图形化衬底表面的杂质。

[0047] 步骤211、在1050°C的温度下,对图形化衬底进行氮化处理。

[0048] 步骤212、对图形化衬底进行降温处理,将图形化衬底的温度降至550°C。

[0049] 步骤213、在550°C的温度下,在图形化衬底上生长氮化镓缓冲层。该氮化镓缓冲层的厚度可以为50nm。

[0050] 步骤214、在1100°C的温度下,在氮化镓缓冲层上依次生长非掺杂本征氮化镓层和掺硅N型氮化镓层。该非掺杂本征氮化镓层的厚度可以为0.5至3微米,掺硅N型氮化镓层的厚度为0.5至5微米。

[0051 ] 步骤215、在650°C至850°C的温度下,在掺硅N型氮化镓层上生长多量子阱,其中,多量子阱可包括按照5至10个周期交替形成的InGaN/GaN。也就是说,在生长掺硅N型氮化镓层上生长5至10个周期的InGaN/GaN,以形成多量子阱。

[0052] 步骤216、在800°C至1100°C的温度下,在多量子阱上生长掺镁P型氮化镓层。该掺镁P型氮化镓层的厚度可以为lOOnm。至此,LED外延片的生长过程完成。

[0053] 步骤217、将完成步骤216的LED外延片在700°C至850°C的温度下,在氮气环境中进行退火处理。退火处理的时间可以为20min至30min。

[0054] 步骤22、在图形化衬底的背面形成反射层。

[0055] 具体地,可通过PVD或者CVD的方法,在图形化衬底的背面按照交替周期数交替形成低折射率膜层和高折射率膜层。

[0056] 优选地,交替周期数包括:10至20。

[0057] 本实施例中,高折射率膜层的材料可以包括:Y203,HfO2, Ta2O5或者TiO2,低折射率膜层的材料包括:Na3AlF6、Si02、MgF2、LiF或者LaF3。

[0058] 本实施例中,低折射率膜层的厚度可以为1/4 λ,高折射率膜层32的厚度可以为1/4 λ。

[0059] 在实际应用中,上述各步骤中的工艺温度可根据需要进行变更。

[0060] 在实际应用中,步骤21和步骤22的执行顺序可根据需要进行改变。即:先执行步骤22中的在图形化衬底的背面形成反射层的步骤,再执行步骤21中的在图形化衬底的正面形成外延层的步骤。

[0061] 本实施例提供的LED外延片的制造方法可用于制造上述实施例一中的LED外延片。

[0062] 本实施例提供的LED外延片的制造方法包括:形成图形化衬底,在图形化衬底的正面形成外延层以及在图形化衬底的背面形成反射层,反射层包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层和高折射率膜层,反射层可直接形成于LED外延片的背面,无需采用GaAs衬底以及无需采用晶片键合技术,制作过程简单,从而极大的降低了 LED的制造成本。在背面形成有反射层的图形化衬底的正面形成外延层,从而提高了 LED外延片的质量。本实施例中的LED外延片不仅具有良好的质量,发光强度高,具有更高的出光量。

[0063] 可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种LED外延片,其特征在于,包括:图形化衬底、外延层和反射层,所述外延层形成于所述图形化衬底的正面,所述反射层形成于所述图形化衬底的背面,所述反射层包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层和高折射率膜层。
2.根据权利要求1所述的LED外延片,其特征在于,所述交替周期数包括:10至20。
3.根据权利要求1或2所述的LED外延片,其特征在于,所述低折射率膜层的材料包括:Na3AlF6、SiO2、MgF2、LiF或者LaF3,所述高折射率膜层的材料包括:Y203,HfO2, Ta2O5或者Ti02。
4.根据权利要求1或2所述的LED外延片,其特征在于,所述低折射率膜层的厚度为1/4 λ,所述高折射率膜层的厚度为1/4 λ。
5.—种LED外延片的制造方法,其特征在于,包括: 形成图形化衬底; 在所述图形化衬底的正面形成外延层以及在所述图形化衬底的背面形成反射层,所述反射层包括按照交替周期数交替形成的低折射率膜层和高折射率膜层。
6.根据权利要求5所述的LED外延片的制造方法,其特征在于,所述在所述图形化衬底的正面形成外延层以及在所述图形化衬底的背面形成反射层包括: 在所述图形化衬底的正面形成所述外延层; 在所述图形化衬底的背面形成所述反射层。
7.根据权利要求6所述的LED外延片的制造方法,其特征在于,所述在所述图形化衬底的背面形成所述反射层包括: 通过PVD或者CVD的方法,在所述图形化衬底的背面按照交替周期数交替形成所述低折射率膜层和所述高折射率膜层。
8.根据权利要求5至7任一所述的LED外延片的制造方法,其特征在于,所述交替周期数包括:10至20。
9.根据权利要求5至7任一所述的LED外延片的制造方法,其特征在于,所述低折射率膜层的材料包括:Na3AlF6、Si02、MgF2、LiF或者LaF3,所述高折射率膜层的材料包括:Y203,HfO2, Ta2O5 或者 TiO2。
10.根据权利要求5至7任一所述的LED外延片的制造方法,其特征在于,所述低折射率膜层的厚度为1/4 λ,所述高折射率膜层的厚度为1/4 λ。
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