CN109509828B - 一种发光二极管芯片及其制备方法 - Google Patents

一种发光二极管芯片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管芯片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述发光二极管芯片包括发光二极管芯粒和散热基座，所述发光二极管芯粒包括衬底、N型半导体层、有源层、P型半导体层、P型电极和N型电极；所述N型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上，所述P型半导体层上设有延伸至所述N型半导体层的凹槽，所述N型电极设置在所述凹槽内的N型半导体层上，所述P型电极设置在所述P型半导体层上；所述发光二极管还包括砷化硼薄膜，所述砷化硼薄膜铺设在所述散热基座上，并与所述发光二极管芯粒键合。本发明可以有效降低高电流下由于热效应引入的能效损失。

Description

一种发光二极管芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是利用半导体的PN结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。发光二极管制备过程中的初级成品是外延片，外延片以及在外延片上制作的电极形成发光二极管芯粒，发光二极管芯粒设置在散热基座上形成发光二极管芯片。
氮化镓(GaN)具有良好的热导性能，同时具有耐高温、耐酸碱、高硬度等优良特性，使氮化镓(GaN)基LED受到越来越多的关注和研究。目前氮化镓基LED的制备工艺包括：在衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，形成外延片；分别在P型半导体层和N型半导体层上制作电极，获得发光二极管芯粒；将发光二极管芯粒和散热基座组合起来，构成发光二极管芯片。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
发光二极管芯粒无法直接固定在散热基座上。如果通过胶体等连接材料将发光二极管芯粒与散热基座组合起来构成发光二极管芯片，由于连接材料的散热性能有限，存在较大的热阻，热量在传导的前段就存在严重的拥堵，影响散热基座将芯片工作过程中产生的热量传导出去，无法有效降低高电流下由于热效应引入的能效损失。
而如果通过金刚石等散热性能良好的材料将发光二极管芯粒与散热基座组合起来构成发光二极管芯片，由于单晶金刚石的热导率可以达到2000W/m·K，是最好的热传导物质，因此不会对热量的传导造成拥堵。但是单晶金刚石的制备工艺复杂、制作成本高，而且与半导体材料键合困难，无法应用于发光二极管芯粒和散热基座之间的固定连接。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片及其制备方法，能够解决现有技术将发光二极管芯粒固定在散热基座上，有效降低高电流下由于热效应引入的能效损失的问题。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括发光二极管芯粒和散热基座，所述发光二极管芯粒包括衬底、N型半导体层、有源层、P型半导体层、P型电极和N型电极；所述N型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上，所述P型半导体层上设有延伸至所述N型半导体层的凹槽，所述N型电极设置在所述凹槽内的N型半导体层上，所述P型电极设置在所述P型半导体层上；
所述发光二极管还包括砷化硼薄膜，所述砷化硼薄膜铺设在所述散热基座上，并与所述发光二极管芯粒键合。
可选地，所述砷化硼薄膜的厚度为20nm～500nm。
可选地，所述发光二极管芯片还包括反射层，所述反射层设置在所述发光二极管芯粒和所述砷化硼薄膜之间，或者，所述反射层设置在所述砷化硼薄膜和所述散热基座之间。
优选地，所述反射层包括分布式布拉格反射镜和金属反射层中的至少一个。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一散热基座；
在所述散热基座上形成砷化硼薄膜；
将发光二极管芯粒与所述砷化硼薄膜键合，所述发光二极管芯粒包括衬底、N型半导体层、有源层、P型半导体层、P型电极和N型电极；所述N型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上，所述P型半导体层上设有延伸至所述N型半导体层的凹槽，所述N型电极设置在所述凹槽内的N型半导体层上，所述P型电极设置在所述P型半导体层上。
可选地，所述在所述散热基座上形成砷化硼薄膜，包括：
将散热基座放置在化学气相沉积设备的反应腔内；
向所述反应腔内通入载气、硼源和砷源，在所述散热基座上形成砷化硼薄膜。
优选地，通入所述反应腔内的砷源的体积大于通入所述反应腔内的硼源的体积。
进一步地，通入所述反应腔内的砷源的体积小于或等于通入所述反应腔内的硼源的体积的15倍。
优选地，所述反应腔内的温度为150℃～800℃。
可选地，所述将发光二极管芯粒与所述砷化硼薄膜键合，包括：
将所述发光二极管芯粒放置在所述砷化硼薄膜上；
对所述发光二极管芯粒施加朝向所述砷化镓薄膜的压力，利用范德华力将所述发光二极管芯粒与所述砷化硼薄膜键合。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将砷化镓薄膜铺设在散热基座上，并利用砷化镓薄膜和发光二极管芯粒均采用半导体材料能够键合的特点，将发光二极管芯粒键合在砷化镓薄膜上，从而实现了发光二极管芯粒在散热基座上的固定。而且砷化镓单晶膜的热导率也可以达到2000W/m·K，是散热性能仅次于单晶金刚石的散热材料，不会对热量的传导造成拥堵，发光二极管芯粒工作过程中产生的热量可以顺利传递到散热基座，从而有效降低高电流下由于热效应引入的能效损失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的发光二极管芯粒的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种设有反射层的发光二极管芯片的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种设有反射层的发光二极管芯片的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种设有反射层的发光二极管芯粒的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种设有反射层的发光二极管芯粒的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片。图1为本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图。参见图1，该发光二极管芯片包括发光二极管芯粒10、砷化硼薄膜20和散热基座30。砷化硼薄膜20铺设在散热基座30上，并与发光二极管芯粒10键合。
图2为本发明实施例提供的发光二极管芯粒的结构示意图。参见图2，在本实施例中，发光二极管芯粒10包括衬底11、N型半导体层12、有源层13、P型半导体层14、P型电极15和N型电极16；N型半导体层12、有源层13和P型半导体层14依次层叠在衬底11上，P型半导体层14上设有延伸至N型半导体层12的凹槽，N型电极16设置在凹槽内的N型半导体层12上，P型电极15设置在P型半导体层14上。
本发明实施例通过将砷化镓薄膜铺设在散热基座上，并利用砷化镓薄膜和发光二极管芯粒均采用半导体材料能够键合的特点，将发光二极管芯粒键合在砷化镓薄膜上，从而实现了发光二极管芯粒在散热基座上的固定。而且砷化镓单晶膜的热导率也可以达到2000W/m·K，是散热性能仅次于单晶金刚石的散热材料，不会对热量的传导造成拥堵，发光二极管芯粒工作过程中产生的热量可以顺利传递到散热基座，从而有效降低高电流下由于热效应引入的能效损失。
可选地，砷化硼薄膜20的厚度可以为20nm～500nm，优选为250nm。
如果砷化硼薄膜的厚度小于20nm，则可能由于砷化硼薄膜较薄而影响到与发光二极管芯粒连接的牢固性，造成发光二极管芯粒工作过程中产生的热量无法顺利传递到散热基座；如果砷化硼薄膜的厚度大于500nm，则可能由于砷化硼薄膜较厚而造成材料的浪费，增加实现成本。
可选地，该发光二极管芯片还可以包括反射层40，以提高LED的出光效率。图3为本发明实施例提供的一种设有反射层的发光二极管芯片的结构示意图，图4为本发明实施例提供的另一种设有反射层的发光二极管芯片的结构示意图。参见图3，反射层40可以设置在发光二极管芯粒10和砷化硼薄膜20之间；或者，参见图4，反射层40可以设置在砷化硼薄膜20和散热基座30之间。
图5为本发明实施例提供的一种设有反射层的发光二极管芯粒的结构示意图，图6为本发明实施例提供的另一种设有反射层的发光二极管芯粒的结构示意图。具体地，当反射层设置在发光二极管芯粒和砷化硼薄膜之间时，参见图5，如果发光二极管芯粒10为正装结构，则反射层40设置在衬底11上；参见图6，如果发光二极管芯粒10为倒装结构，则反射层40设置在P型半导体层14上。
进一步地，反射层40可以包括分布式布拉格反射镜(英文：Distributed BraggReflection，简称：DBR)和金属反射层中的至少一个。可以根据实际需要自由选择反射层材料，实现方便。
具体地，衬底11的材料可以采用蓝宝石(主要材料为三氧化二铝)，如晶向为[0001]的蓝宝石。N型半导体层12的材料可以采用N型掺杂(如硅)的氮化镓。有源层13可以包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置；量子阱的材料可以采用氮化铟镓(InGaN)，如InxGa1-xN，0＜x＜1，量子垒的材料可以采用氮化镓。P型半导体层14的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓。
进一步地，N型半导体层12的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm；N型半导体层12中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3，优选为5*1018cm-3。量子阱的厚度可以为2.5nm～3.5nm，优选为3nm；量子垒的厚度可以为9nm～20nm，优选为15nm；量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为5个～15个，优选为10个。P型半导体层14的厚度可以为100nm～800nm，优选为450nm；P型半导体层14中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。
可选地，发光二极管芯粒10还可以包括缓冲层，缓冲层设置在衬底和N型半导体层之间，以缓解衬底材料与氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷，并为氮化镓材料外延生长提供成核中心。
具体地，缓冲层的材料可以采用氮化镓。
进一步地，缓冲层的厚度可以为15nm～35nm，优选为25nm。
优选地，发光二极管芯粒10还可以包括未掺杂氮化镓层，未掺杂氮化镓层设置在缓冲层和N型半导体层之间，以进一步缓解衬底材料与氮化镓之间晶格失配产生的应力和缺陷，为外延片主体结构提供晶体质量较好的生长表面。
在具体实现时，缓冲层为首先在图形化衬底上低温生长的一层较薄的氮化镓，因此也称为低温缓冲层。再在低温缓冲层进行氮化镓的纵向生长，会形成多个相互独立的三维岛状结构，称为三维成核层；然后在所有三维岛状结构上和各个三维岛状结构之间进行氮化镓的横向生长，形成二维平面结构，称为二维恢复层；最后在二维生长层上高温生长一层较厚的氮化镓，称为本征氮化镓层。本实施例中将三维成核层、二维恢复层和本征氮化镓层统称为未掺杂氮化镓层。
进一步地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm。
可选地，发光二极管芯粒10还可以包括应力释放层，应力释放层设置在N型半导体层和有源层之间，以对蓝宝石和氮化镓之间晶格失配产生的应力进行释放，提高有源层的晶体质量，有利于电子和空穴在有源层进行辐射复合发光，提高LED的内量子效率，进而提高LED的发光效率。
具体地，应力释放层的材料可以采用镓铟铝氮(AlInGaN)，可以有效释放蓝宝石和氮化镓晶格失配产生的应力，改善外延片的晶体质量，提高LED的发光效率。
优选地，应力释放层中铝组分的摩尔含量可以小于或等于0.2，应力释放层中铟组分的摩尔含量可以小于或等于0.05，以避免造成不良影响。
进一步地，应力释放层的厚度可以为50nm～500nm，优选为300nm。
可选地，发光二极管芯粒10还可以包括电子阻挡层，电子阻挡层设置在有源层和P型半导体层之间，以避免电子跃迁到P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，降低LED的发光效率。
具体地，电子阻挡层的材料可以采用P型掺杂的氮化铝镓(AlGaN)，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜0.5。
进一步地，电子阻挡层的厚度可以为50nm～150nm，优选为100nm。
优选地，发光二极管芯粒10还可以包括低温P型层，低温P型层设置在有源层和电子阻挡层之间，以避免电子阻挡层较高的生长温度造成有源层中的铟原子析出，影响发光二极管的发光效率。
具体地，低温P型层的材料可以为与P型半导体层的材料相同。在本实施例中，低温P型层的材料可以为P型掺杂的氮化镓。
进一步地，低温P型层的厚度可以为10nm～50nm，优选为30nm；低温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。
可选地，发光二极管芯粒10还可以包括接触层，接触层设置在P型半导体层上，以与芯片制作工艺中形成的电极或者透明导电薄膜之间形成欧姆接触。
具体地，接触层的材料可以采用P型掺杂的氮化铟镓或者氮化镓。
进一步地，接触层的厚度可以为5nm～300nm，优选为100nm；接触层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1021/cm3～1022/cm3，优选为5*1021/cm3。
本发明实施例提供了一种发光二极管芯片的制备方法，适用于制备图1所示的发光二极管芯片。图7为本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的制备方法的流程图。参见图7，该制备方法包括：
步骤201：提供一散热基座。
步骤202：在散热基座上形成砷化硼薄膜。
可选地，该步骤202可以包括：
将散热基座放置在化学气相沉积(英文：Chemical Vapor Deposition，简称：CVD)设备的反应腔内；
向反应腔内通入载气、硼源和砷源，在散热基座上形成砷化硼薄膜。
采用CVD技术可以方便形成砷化硼薄膜。
具体地，硼源可以采用固态硼热蒸发形成的气体，砷源可以采用高固态砷蒸发形成的气体，载气可以采用碘气(I2)、氢气(H2)、溴气(Br2)和碘化铵(NH4I)中的任意一种，以形成所需的砷化硼薄膜。
优选地，通入反应腔内的砷源的体积可以大于通入反应腔内的硼源的体积。针对砷源有效并入的效率较低的特点，增加通入反应腔内的砷源的体积，保证砷化硼的结晶。
进一步地，通入反应腔内的砷源的体积可以小于或等于通入反应腔内的硼源的体积的15倍，如通入反应腔内的砷源的体积为通入反应腔内的硼源的体积的8倍，避免通入反应腔内的砷源的体积较多而造成材料的浪费。
优选地，反应腔内的温度可以为150℃～800℃，优选为500℃。实验证明，反应腔内的温度为150℃～800℃时，砷化硼薄膜的晶体质量较好，散热性能优良。
进一步地，反应腔内的压力可以为200torr～5torr，优选为350torr，以形成所需的砷化硼薄膜。
步骤203：将发光二极管芯粒与砷化硼薄膜键合。
在本实施例中，发光二极管芯粒包括衬底、N型半导体层、有源层、P型半导体层、P型电极和N型电极；N型半导体层、有源层和P型半导体层依次层叠在衬底上，P型半导体层上设有延伸至N型半导体层的凹槽，N型电极设置在凹槽内的N型半导体层上，P型电极设置在P型半导体层上。
可选地，该步骤203可以包括：
将发光二极管芯粒放置在砷化硼薄膜上；
对发光二极管芯粒施加朝向砷化镓薄膜的压力，利用范德华力将发光二极管芯粒与砷化硼薄膜键合。
利用砷化镓薄膜和发光二极管芯粒均采用半导体材料能够键合的特点，直接将发光二极管芯粒键合在砷化镓薄膜上，实现简单方便，连接牢固稳定，可以将发光二极管芯粒工作过程中产生的热量顺利传递到散热基座。
具体地，发光二极管芯粒可以采用如下方式形成：
在衬底上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层；
在P型半导体层上开设延伸至N型半导体层的凹槽；
在凹槽内的N型半导体层上设置N型电极，在P型半导体层上设置P型电极。
进一步地，在衬底上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层，可以包括：
第一步，控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在衬底上生长N型半导体层；
第二步，在N型半导体层上生长有源层；其中，量子阱的生长温度为720℃～829℃(优选为760℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)；量子垒的生长温度为850℃～959℃(优选为900℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)；
第三步，控制温度为850℃～1080℃(优选为960℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在有源层上生长P型半导体层。
可选地，在第一步之前，该制备方法还可以包括：
在衬底上生长缓冲层。
相应地，N型半导体层生长在缓冲层上。
具体地，在衬底上生长缓冲层，可以包括：
控制温度为400℃～600℃(优选为500℃)，压力为400torr～600torr(优选为500torr)，在衬底上生长缓冲层；
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为400torr～600torr(优选为500torr)，对缓冲层进行5分钟～10分钟(优选为8分钟)的原位退火处理。
优选地，在衬底上生长缓冲层之后，该制备方法还可以包括：
在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
相应地，N型半导体层生长在未掺杂氮化镓层上。
具体地，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层，可以包括：
控制温度为1000℃～1100℃(优选为1050℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
可选地，在第二步之前，该制备方法还可以包括：
在N型半导体层上生长应力释放层。
相应地，有源层生长在应力释放层上。
具体地，在N型半导体层上生长应力释放层，可以包括：
控制温度为800℃～1100℃(优选为950℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在N型半导体层上生长应力释放层。
可选地，在第三步之前，该制备方法还可以包括：
在有源层上生长电子阻挡层。
相应地，P型半导体层生长在电子阻挡层上。
具体地，在有源层上生长电子阻挡层，可以包括：
控制温度为850℃～1080℃(优选为960℃)，压力为200torr～500torr(优选为350torr)，在有源层上生长电子阻挡层。
优选地，在有源层上生长电子阻挡层之前，该制备方法还可以包括：
在有源层上生长低温P型层。
相应地，电子阻挡层生长在低温P型层上。
具体地，在有源层上生长低温P型层，可以包括：
控制温度为600℃～850℃(优选为750℃)，压力为100torr～600torr(优选为300torr)，在有源层上生长低温P型层。
可选地，在第三步之后，该制备方法还可以包括：
在P型半导体层上生长接触层。
具体地，在P型半导体层上生长接触层，可以包括：
控制温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在P型半导体层上生长接触层。
需要说明的是，在上述外延生长结束之后，会先将温度降低至650℃～850℃(优选为750℃)，在氮气气氛中对外延片进行5分钟～15分钟(优选为10分钟)的退火处理，然后再将外延片的温度降低至室温。
控制温度、压力均是指控制生长外延片的反应腔中的温度、压力，具体为金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备的反应腔。实现时以三甲基镓或三乙基镓作为镓源，高纯氨气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，N型掺杂剂选用硅烷，P型掺杂剂选用二茂镁。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括发光二极管芯粒和散热基座，所述发光二极管芯粒包括衬底、N型半导体层、有源层、P型半导体层、P型电极和N型电极；所述N型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上，所述P型半导体层上设有延伸至所述N型半导体层的凹槽，所述N型电极设置在所述凹槽内的N型半导体层上，所述P型电极设置在所述P型半导体层上；
其特征在于，所述发光二极管还包括砷化硼薄膜，所述砷化硼薄膜铺设在所述散热基座上，并与所述发光二极管芯粒键合，所述砷化硼薄膜的厚度为20nm～500nm；所述砷化硼薄膜铺设在所述散热基座上是指，将所述散热基座放置在化学气相沉积设备的反应腔内，并向所述反应腔内通入载气、硼源和砷源，在所述散热基座上形成所述砷化硼薄膜。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述发光二极管芯片还包括反射层，所述反射层设置在所述发光二极管芯粒和所述砷化硼薄膜之间，或者，所述反射层设置在所述砷化硼薄膜和所述散热基座之间。
3.根据权利要求2所述的发光二极管芯片，其特征在于，所述反射层包括分布式布拉格反射镜和金属反射层中的至少一个。
4.一种发光二极管芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一散热基座；
在所述散热基座上形成砷化硼薄膜，所述砷化硼薄膜的厚度为20nm～500nm；
将发光二极管芯粒与所述砷化硼薄膜键合，所述发光二极管芯粒包括衬底、N型半导体层、有源层、P型半导体层、P型电极和N型电极；所述N型半导体层、所述有源层和所述P型半导体层依次层叠在所述衬底上，所述P型半导体层上设有延伸至所述N型半导体层的凹槽，所述N型电极设置在所述凹槽内的N型半导体层上，所述P型电极设置在所述P型半导体层上；
所述在所述散热基座上形成砷化硼薄膜，包括：
将散热基座放置在化学气相沉积设备的反应腔内；
向所述反应腔内通入载气、硼源和砷源，在所述散热基座上形成砷化硼薄膜。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，通入所述反应腔内的砷源的体积大于通入所述反应腔内的硼源的体积。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，通入所述反应腔内的砷源的体积小于或等于通入所述反应腔内的硼源的体积的15倍。
7.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述反应腔内的温度为150℃～800℃。
8.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述将发光二极管芯粒与所述砷化硼薄膜键合，包括：
将所述发光二极管芯粒放置在所述砷化硼薄膜上；
对所述发光二极管芯粒施加朝向所述砷化镓薄膜的压力，利用范德华力将所述发光二极管芯粒与所述砷化硼薄膜键合。
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