CN105655462A - 高压直流氮化镓基发光二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种高压直流氮化镓基发光二极管及其制造方法，包括衬底以及设置在所述衬底上的多个外延层；其中所述外延层包括依次设置在所述衬底表面上的氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、多量子阱有源层及p型氮化镓层；在所述外延层上设有ITO透明导电层，所述外延层与所述ITO透明导电层形成LED单胞；相邻的所述LED单胞之间通过金属线互联。与现有技术相比，本发明的有益效果如下：三维ITO透明导电层可以有效提高光输出功率；通过调整ICP刻蚀工艺参数使梯形隔离沟槽的底角为120度～150度之间，以便互联金属线可以保形覆盖在隔离沟槽上，从而提高产品良率。

Description

高压直流氮化镓基发光二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种发光二极管(Light-emittingdiodes，LED)，具体是设计一种高光效高压直流氮化镓基发光二极管及其制造方法。

背景技术

随着对LED亮度需求的提升，LED芯片尺寸必须增加，使其可以承受较高的输入电流而不致失效，这种芯片称为大功率LED芯片。大功率LED芯片通常采用大电流驱动，由于量子效率衰减效应(Efficiencydroopeffect)，大功率LED的发光效率在大电流驱动条件下会出现下降。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可以提高光输出功率、提高产品良率以及缓解量子效率衰减效应的高压直流氮化镓基发光二极管及其制造方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种高压直流氮化镓基发光二极管，包括衬底以及设置在所述衬底上的多个外延层；其中所述外延层包括依次设置在所述衬底表面上的氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、多量子阱有源层及p型氮化镓层；在所述外延层上设有ITO透明导电层，所述外延层与所述ITO透明导电层形成LED单胞；相邻的所述LED单胞之间通过金属线互联。

优选地，在所述ITO透明导电层上设有p电极；在所述n型氮化镓层上设有n电极，所述金属线连接相邻所述LED单胞上的所述p电极与所述n电极。

优选地，在所述LED单胞的表面覆盖二氧化硅钝化层，所述p电极及所述n电极贯穿所述二氧化硅钝化层，所述金属线设置在所述二氧化硅钝化层上。

优选地，所述LED单胞依次连接，位于两端部的所述LED单胞的p电极和n电极分别与p焊盘和n焊盘连接。

优选地，在所述ITO透明导电层上设有台阶结构，在所述台阶结构的凸出部上设有圆形图案阵列。

一种高压直流氮化镓基发光二极管的制造方法，包括如下步骤：

步骤1，在蓝宝石衬底表面上生长氮化镓缓冲层，在所述氮化镓缓冲层上生长n型氮化镓层，在所述n型氮化镓层上生长多量子阱有源层，在所述多量子阱有源层上生长p型氮化镓层，形成外延层；

步骤2，在所述p型氮化镓层上沉积ITO透明导电层，形成LED单胞；对所述ITO透明导电层进行加工，形成台阶结构；对所述台阶结构进行光刻，在所述台阶结构上形成圆形图案阵列；

步骤3，对所述氮化镓缓冲层、所述n型氮化镓层、所述多量子阱有源层及所述p型氮化镓层进行刻蚀，暴露出蓝宝石衬底上表面，在所述LED单胞之间形成隔离沟槽；

步骤4，在所述n型氮化镓层上形成n电极台面；

步骤5，在所述n电极台面形成n电极；在所述ITO透明导电层上形成p电极；

步骤6，在所述LED单胞及所述隔离沟槽表面上沉积二氧化硅钝化层；

步骤7，在所述二氧化硅钝化层上沉积连接相邻的所述LED单胞上的所述n电极和所述p电极的金属线；

步骤8，在位于两端部的所述LED单胞的p电极和n电极上分别连接p焊盘和n焊盘；

步骤9，切片。

优选地，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1，在所述LED单胞上旋涂光刻胶；

步骤3.2，在所述光刻胶上形成长方形图形结构；

步骤3.3，对所述长方形图形结构经过烘烤并锥形化；

步骤3.4，对所述氮化镓缓冲层、所述n型氮化镓层、所述多量子阱有源层及所述p型氮化镓层进行刻蚀，将所述光刻胶上的锥形图案特征转移到所述氮化镓缓冲层、所述n型氮化镓层、所述多量子阱有源层及所述p型氮化镓层上，形成所述隔离沟槽。

优选地，所述隔离沟槽为梯形结构，所述隔离沟槽的深度为5微米～8微米，所述隔离沟槽的底角为120度～150度，所述隔离沟槽的底长为5纳米～15纳米。

优选地，步骤3.4中，采用Cl₂和BCl₃的混合气体进行刻蚀，其中Cl₂的流量和BCl₃的流量之比大于10，腔体的压强小于10毫托。

优选地，所述步骤9中，采用飞秒激光进行切片。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、三维ITO透明导电层可以有效提高光输出功率；通过调整ICP刻蚀工艺参数使梯形隔离沟槽的底角为120度～150度之间，以便互联金属线可以保形覆盖在隔离沟槽上，从而提高产品良率；

2、由于梯形隔离沟槽底边过长则损失多量子阱有源层的发光面积，底边过短则从特定LED单胞的出射光会耦合传播至相邻的LED单胞，从而出现由于光子在相邻LED单胞之间的耦合传播引起光的损耗问题；

3、通过使所述梯形隔离沟槽的底边长度位于5微米～15微米之间，使高压直流LED芯片的光输出功率最大化；

4、采用飞秒激光切片，减小普通纳秒激光切割在LED芯片侧壁产生的残余物质对光的吸收作用，从而进一步提高高压直流LED芯片的出光效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明高压直流氮化镓基发光二极管的整体结构示意图；

图2为本发明高压直流氮化镓基发光二极管的外延层的结构示意图；

图3为本发明高压直流氮化镓基发光二极管覆盖ITO透明导电层后的结构示意图；

图4为本发明高压直流氮化镓基发光二极管刻蚀出隔离沟槽和n电极台面之后的示意图；

图5为本发明高压直流氮化镓基发光二极管沉积n电极、p电极后的结构示意图；

图6为本发明高压直流氮化镓基发光二极管沉积二氧化硅钝化层后的结构示意图；

图7为本发明高压直流氮化镓基发光二极管沉积金属线后的结构示意图；

图8为本发明高压直流氮化镓基发光二极管各LED单胞的布局和沉积焊盘后的示意图；

图9为本发明高压直流氮化镓基发光二极管的ITO透明层的具体结构示意图；

图9a为本发明高压直流氮化镓基发光二极管刻蚀前的ITO透明导电层结构示意图；

图9b为本发明高压直流氮化镓基发光二极管刻蚀后的ITO透明导电层结构示意图；

图9c为本发明高压直流氮化镓基发光二极管形成圆形图案后的ITO透明导电层结构示意图；

图10为本发明高压直流氮化镓基发光二极管中梯形隔离沟槽的理论解释示意图；

图11为本发明高压直流氮化镓基发光二极管中梯形隔离沟槽的SEM图；

图12a为本发明高压直流氮化镓基发光二极管中LED单胞互联方式实施例一的结构示意图；

图12b为本发明高压直流氮化镓基发光二极管中LED单胞互联方式实施例二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图9所示，本发明高压直流氮化镓基发光二极管，包括衬底1以及位于衬底之上的通过金属线13互联的N个LED单胞14，上述每个LED单胞14都是依次在衬底1表面生长氮化镓缓冲层3、n型氮化镓层4、多量子阱有源层5、p型氮化镓层6。氮化镓缓冲层3、n型氮化镓层4、多量子阱有源层5以及p型氮化镓层6共同构成LED单胞14的外延层2，每个LED单胞14的p型氮化镓层6上形成有图形化三维梯形ITO透明导电层7；位于相邻LED单胞14之间、贯穿ITO透明导电层7、p型氮化镓层6、多量子阱有源区层5、n型氮化镓层4以及直至衬底1上表面的梯形隔离沟槽8；每一个LED单胞14中贯穿ITO透明导电层7、p型氮化镓层6、多量子阱有源区层5以及直至n型氮化镓层4的台面9；位于台面9、与每一个LED单胞14的n型氮化镓层4电联接的n电极11；与每一个LED单胞14的ITO透明导电层7电联接的p电极12；覆盖每个LED单胞14及隔离沟槽8的钝化层10；连接相邻LED单胞14的n电极11和p电极12的金属线13；与第一个LED单胞14n电极11相连接的n焊盘15；与最后一个LED单胞14的p电极12相连接的p焊盘16；ITO透明导电层7上的周期性台阶结构17；ITO透明导电层7凸起部分上的圆形图案阵列18。

图10阐述了光在相邻LED单胞14之间耦合传播的示意图。如图10所示，在一个LED单胞14的侧壁选择一个随机点A，W是梯形隔离沟槽8的底边长度，H是梯形隔离沟槽8的深度，h是点A到衬底1的垂直距离；光线从A点沿AB至AC范围内的各个方向出射，但是只有AU到AD范围内的光线会耦合传播至相邻LED单胞14；经过推导可以得到变量间的关系如下：

$tan\mathrm{\α}=\frac{H-h}{H+h+W}---\left(1\right)$

$tan\mathrm{\β}=\frac{h}{h+W}---\left(2\right)$

θ＝α+β(3)

光线吸收率如式(4)所示

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

式中，α为AU连线与水平线之间的夹角；β为AD连线与水平线之间的夹角；θ为AU连线与AD连线之间的夹角。

从上式可以得到以下结论：对于任意点A，光吸收率η随梯形隔离沟槽8底边长度增加而减小；即，当梯形隔离沟槽8底边长度变小，更多的光线会被相邻LED单胞14吸收，从而导致更低的光输出效率；虽然光的耦合传播现象会因为梯形隔离沟槽8底边长度变长而减弱，但是多量子阱有源层5的发光面积也会有更大的损失，从而减弱其发光能力。因此在光输出效率和多量子阱有源层5有效发光面积之间必须做出权衡取舍，从而使光输出功率最大化。

以下，结合附图对本发明高压直流氮化镓基发光二极管的制备方法进行具体介绍：

步骤一、准备蓝宝石衬底1；

步骤二、如图2所示，利用MOCVD(金属有机化学气相沉积)设备在衬底1表面上生长外延层2，外延层2包括：2.2微米厚的氮化镓缓冲层3；2.5微米厚的硅掺杂的n型氮化镓层4；由12对3纳米厚的In_0.16Ga_0.84N阱层和12纳米厚的氮化镓势垒层构成的多量子阱有源层5；110纳米厚的镁掺杂的p型氮化镓层6；当外延层2生长过程结束后，LED外延片在750℃和N₂氛围中退火，激活p型氮化镓层6中的Mg原子；

步骤三、如图3所示，利用电子束蒸发设备在p型氮化镓层6上沉积230纳米厚的ITO透明导电层7，并在540℃的N₂氛围中退火10分钟以改善ITO透明导电层7和p型氮化镓层6之间的欧姆接触性能；如图9a～9c所示，采用光刻和刻蚀技术，对ITO透明层7进行选择性腐蚀，形成130纳米高的周期性台阶结构17；再次采用光刻和刻蚀技术，在ITO透明层7的周期性台阶结构17上形成65纳米深的圆形图案阵列18；

步骤四、如图4所示，利用基于BCl₃/Cl₂混合气体的ICP刻蚀工艺对外延层2进行刻蚀，形成直至n型氮化镓层4上表面的台面9，刻蚀深度为1.2微米；利用光刻和刻蚀技术在各独立的LED单胞14之间形成7.65微米深的梯形隔离沟槽8，通过控制ICP刻蚀工艺参数(ICP功率/RF功率，腔体压强以及BCl₃/Cl₂混合气体组分)使梯形隔离沟槽8底角为135度，底边长为10.8微米(如图11所示)；形成图11所示结构的ICP刻蚀工艺条件为：ICP源和RF源功率分别为350W和375W，Cl₂和BCl₃流量分别为120sccm和10sccm，腔体压强为5毫托；

步骤五、如图5所示，利用电子束蒸发设备，在台面9上分别沉积20纳米Cr、50纳米Pt和1.5微米Au作为n型欧姆接触n电极11；在ITO透明层7上分别沉积20纳米Cr、50纳米Pt和1.5微米Au作为p电极12；

步骤六、如图6所示，利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)方法在各LED单胞14及梯形隔离沟槽8表面上沉积60纳米厚的二氧化硅钝化层10，防止LED单胞14之间发生短路；

步骤七、如图7所示，利用电子束蒸发设备，依次将相邻LED单胞14之间的n电极11和p电极12用金属线13互联，金属线13构成为20纳米Cr、50纳米Al，50纳米Pt和1.5微米Au；LED单胞14之间的互联方式，可以在中心位置相连(图12a)，也可以在边缘位置相连(图12b)；

步骤八、如图8所示，采用光刻和蒸镀技术制造分别与第一个LED单胞14的p电极12互联的p焊盘16和与最后一个LED单胞14的n电极11互联的n焊盘15；

步骤九、采用飞秒激光技术进行切片。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种高压直流氮化镓基发光二极管，包括衬底以及设置在所述衬底上的多个外延层；其中所述外延层包括依次设置在所述衬底表面上的氮化镓缓冲层、n型氮化镓层、多量子阱有源层及p型氮化镓层；

其特征在于，在所述外延层上设有ITO透明导电层，所述外延层与所述ITO透明导电层形成LED单胞；相邻的所述LED单胞之间通过金属线互联。

2.根据权利要求1所述的高压直流氮化镓基发光二极管，其特征在于，在所述ITO透明导电层上设有p电极；在所述n型氮化镓层上设有n电极，所述金属线连接相邻所述LED单胞上的所述p电极与所述n电极。

3.根据权利要求2所述的高压直流氮化镓基发光二极管，其特征在于，在所述LED单胞的表面覆盖二氧化硅钝化层，所述p电极及所述n电极贯穿所述二氧化硅钝化层，所述金属线设置在所述二氧化硅钝化层上。

4.根据权利要求3所述的高压直流氮化镓基发光二极管，其特征在于，所述LED单胞依次连接，位于两端部的所述LED单胞的p电极和n电极分别与p焊盘和n焊盘连接。

5.根据权利要求1所述的高压直流氮化镓基发光二极管，其特征在于，在所述ITO透明导电层上设有台阶结构，在所述台阶结构的凸出部上设有圆形图案阵列。

6.一种高压直流氮化镓基发光二极管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在蓝宝石衬底表面上生长氮化镓缓冲层，在所述氮化镓缓冲层上生长n型氮化镓层，在所述n型氮化镓层上生长多量子阱有源层，在所述多量子阱有源层上生长p型氮化镓层，形成外延层；

步骤2，在所述p型氮化镓层上沉积ITO透明导电层，形成LED单胞；对所述ITO透明导电层进行加工，形成台阶结构；对所述台阶结构进行光刻，在所述台阶结构上形成圆形图案阵列；

步骤3，对所述氮化镓缓冲层、所述n型氮化镓层、所述多量子阱有源层及所述p型氮化镓层进行刻蚀，暴露出蓝宝石衬底上表面，在所述LED单胞之间形成隔离沟槽；

步骤4，在所述n型氮化镓层上形成n电极台面；

步骤5，在所述n电极台面形成n电极；在所述ITO透明导电层上形成p电极；

步骤6，在所述LED单胞及所述隔离沟槽表面上沉积二氧化硅钝化层；

步骤7，在所述二氧化硅钝化层上沉积连接相邻的所述LED单胞上的所述n电极和所述p电极的金属线；

步骤8，在位于两端部的所述LED单胞的p电极和n电极上分别连接p焊盘和n焊盘；

步骤9，切片。

7.根据权利要求6所述的高压直流氮化镓基发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤3包括如下步骤：

步骤3.1，在所述LED单胞上旋涂光刻胶；

步骤3.2，在所述光刻胶上形成长方形图形结构；

步骤3.3，对所述长方形图形结构经过烘烤并锥形化；

步骤3.4，对所述氮化镓缓冲层、所述n型氮化镓层、所述多量子阱有源层及所述p型氮化镓层进行刻蚀，将所述光刻胶上的锥形图案特征转移到所述氮化镓缓冲层、所述n型氮化镓层、所述多量子阱有源层及所述p型氮化镓层上，形成所述隔离沟槽。

8.根据权利要求7所述的高压直流氮化镓基发光二极管的制造方法，其特征在于，所述隔离沟槽为梯形结构，所述隔离沟槽的深度为5微米～8微米，所述隔离沟槽的底角为120度～150度，所述隔离沟槽的底长为5纳米～15纳米。

9.根据权利要求7所述的高压直流氮化镓基发光二极管的制造方法，其特征在于，步骤3.4中，采用Cl₂和BCl₃的混合气体进行刻蚀，其中Cl₂的流量和BCl₃的流量之比大于10，腔体的压强小于10毫托。

10.根据权利要求6所述的高压直流氮化镓基发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤9中，采用飞秒激光进行切片。