CN104103727A - 一种提高量子效率的led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片及其制备方法。在C面蓝宝石衬底(310)上依次逐层沉积GaN缓冲层(320、330)、N型电极(340)、反射层(350)、N型GaN(360)、电子隧穿层(370)、有源层(380)、P型GaN(390)、P型电极(400)，根据以上工艺可制备常规LED芯片，本发明在常规LED外延片上制作一个无光刻的随机SiO2掩膜，通过控制MOCVD生长条件，二次外延可以形成可控制尺度和密度的折射率为n宽带隙的微型小丘(410)，此粗糙表面破坏了LED表面对称性，从而提高光出射效率ηex，使得LED外量子效率ηe提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体发光二极管LED光源，特别涉及一种照明领域的白光LED芯片的制造方法。
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，如图1所示，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
本发明提供一种照明用LED芯片的制备方法，通过改进芯片制作工艺克服现有技术带来的不足，用该方法制造的LED芯片抗静电能力强、不易击穿、不易刮伤晶体、一定程度上保护芯片且LED芯片有高的出光效率。
在LED外延片的P型电极上制作一个无光刻的随机SiO2掩膜，通过控制MOCVD生长条件，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，图形的边沿<1120>方向，图形尺度在250-300μm左右，间距40μm左右。此粗糙表面破坏了LED的表面对称性，从而提高出光效率，使得LED外量子效率提高约60％。这种表面粗化技术比其他工艺表面粗化技术(如光化学刻蚀、增强耦合等离子体刻蚀等方法)可以更好地控制漏电流问题。
折射率为n的粗化材料有三种情况：
(1)、n小于P型GaN折射率；
(2)、n等于P型GaN折射率；
(3)、n大于P型GaN折射率；
考虑各种因素，选用折射率n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
图1是传统方法采用的表面粗化LED芯片。
蓝宝石衬底-310、GaN缓冲层(320、330)、N型电极(340)、反射层(350)、N型GaN(360)、电子隧穿层(370)、有源层(380)、P型GaN(390)、P型电极(400)。
图2是本发明采用的表面粗化LED芯片。
蓝宝石衬底-310、GaN缓冲层(320、330)、N型电极(340)、反射层(350)、N型GaN(360)、电子隧穿层(370)、有源层(380)、P型GaN(390)、P型电极(400)、微型小丘(410)。
具体实施方式
高亮度蓝光LED外延片采用金属有机源化学气相淀积(MOCVD)系统生长，N源和Ga源分别为高纯NH3和三甲基镓，高纯H2为载气，C面蓝宝石为衬底。
首先在蓝宝石衬底上，在550℃低温下生长约25nm的GaN缓冲层。然后将衬底温度升高到1120℃，再生长约2μm左右的非掺杂GaN缓冲层；
在第二层缓冲层上淀积N型电极，电极材料为Ni/Au；
在N型电极上再淀积反射层，反射层材料为Ag；
衬底温度为1120℃，在反射层上生长3μm的N型高掺杂高导电率的GaN层；
温度降低至1070℃，生长100nm的n-AlGaN作为电子隧穿层ETB；
随后衬底温度降低到800℃，并改成高纯N2为载气，生长8个周期的AlInGaN/GaN多量子阱，作为LED的有源区。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；
升温到1070℃再改成H2为载气生长200nm的P型GaN；
在生长P型电极，电极材料为Ni/Au；
最后一步P型电极上制作一个无光刻的随机SiO2掩膜，通过控制MOCVD生长条件，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，图形的边沿<1120>方向，图形尺度在250-300μm左右，间距40μm。
Claims (1)
1.一种照明用的LED芯片的制造方法，在C面蓝宝石衬底上依次逐层沉积GaN缓冲层(320、330)、N型电极(340)、反射层(350)、N型GaN(360)、电子隧穿层(370)、有源层(380)、P型GaN(390)、P型电极(400)，折射率为n的微型小丘(410)。其特征依次包括如下要求：
(1)、本发明采用的衬底是C面蓝宝石衬底
(2)、在C面蓝宝石衬底(310)上沉积两层GaN缓冲层(320、330)，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。
(3)、在第二缓冲层上生长N型电极(340)
(4)、在N型电极上生长反射层(350)，用Ag做为反射层材料。
(5)、生长N型GaN(360)的要求，生长N型高掺杂高电导率GaN，可使电流不拥挤而能均匀将电流横向分布。
(6)、在生长有源层前生长一层电子隧穿势垒层ETB(370)，电子隧穿势垒层ETB为n-AlGaN，当注入的电子穿过ETB势垒层时，可以降低注入电子的能量，从而减少注入电子的泄露。
(7)、有源层(380)采用AlInGaN/GaN多量子阱(MQW)材料，在适当的工艺下生长6个周期的AlInGaN/GaN多量子阱(MQW)。
(8)、p-GaN(390)的生长，提高空穴的迁移率，使得空穴能够有效地注入到更多的量子阱中参与发光。
(9)、P型电极(400)的生长，采用透明电极。
(10)、在常规LED外延片上制作一个无光刻的随机SiO2掩膜，通过控制MOCVD生长条件，二次外延可以形成可控制尺度和密度的折射率为n宽带隙的微型小丘(410)。
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