CN114122218A - 一种具有全方位反射电极的GaN基LED芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，所述芯片从下至上依次包括基板、键合金属层、全方位反射电极、量子阱有源层、P型GaN层、上电极，所述全方位反射电极由依次接触的N型GaN层、低折射率介质层、高光反射金属层组成，所述低折射率介质层经腐蚀处理后，和高光反射金属层二者复合形成导电结构，本发明还公开了该GaN基LED芯片的制备方法。本发明有效减少了上电极正下方无效的电流注入，减小了上电极对正下方发光区域的遮挡，可以同时兼顾芯片的电流扩展性能和高光反射性能，最终提升GaN基LED芯片的光提取效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，尤其是涉及一种具有全方位反射电极的GaN基LED芯片及其制备方法。
背景技术
20世纪90年代，高亮度氮化镓基蓝光发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)的诞生开启了半导体照明时代。LED是一种可将电能高效转化为光能的新型固态光源，具有发光效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点。半导体照明广泛应用的关键是提高氮化镓LED芯片的发光效率。影响LED芯片发光效率的因素主要有两个，一个是电子转化为光子的效率，也称内量子效率，一个是光子从LED芯片内部出射的效率，也称为光提取效率，两者共同决定了LED芯片的发光效率。
全方位反射镜（ODR）是针对传统的LED存在的光提取效率不够的问题而提出的新的结构设计，业界通常制作的P面全方位反射镜（ODR），可使得AlGaInP LED芯片光效提升17%左右。常见的ODR结构是通过在SiO2介质层上制作导电小孔结构，在此基础上蒸镀例如AuBe或AuZn合金的高光反射金属层来实现的。其利用全方位ODR反射镜高反射率，宽的波长范围以及全方位反射的特性，使得向下出射的光子不被衬底吸收，反射回正面出射。
图1所示为常规结构的GaN（氮化镓）基 LED外延结构，GaN基LED外延最上面是P型GaN材料，由于P型GaN材料的空穴浓度低，迁移率低，导电性差，通常在P型GaN上制备整面金属形成欧姆接触保证其电流扩展均匀性，制备的常规GaN基LED芯片结构如图2所示；若为提高GaN基LED芯片光提取效率，在P型GaN层上制作上述ODR结构，从而导致P-GaN导电性更差，欧姆接触变差，器件电压升高等问题，影响LED的光电性能。因此，如何兼顾欧姆接触性能和反射性能是提升GaN基LED光提取效率必须解决的一个问题。
N型GaN材料电子空穴浓度高，迁移率高，导电性能明显优于P型GaN材料，因此，若在N型GaN材料上制作ODR结构，可以避免器件欧姆接触变差，电压升高的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，不仅能提升芯片欧姆接触性能，还能保证芯片高光反射性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，从下至上依次包括：基板、键合金属层、全方位反射电极、量子阱有源层、P型GaN层、上电极，所述全方位反射电极由从上至下依次接触的N型GaN层、低折射率介质层、高光反射金属层组成，所述P型GaN层、量子阱有源层、N型GaN层依次生长形成外延层。
进一步地，所述低折射率介质层经腐蚀处理后，与高光反射金属层二者复合形成导电结构，所述上电极正下方对应的低折射率介质层区域不形成所述导电结构。
进一步地，所述低折射率介质层的折射率n=1～2.45，厚度d为λ/2n的整数倍，其中λ为GaN基LED的出射光波长。但是由于测试和工艺过程中存在误差，因此d±5%均在整数倍范围内，例如：计算出来d为96nm，但是实际生长厚度为100nm，也是满足设定要求的。
进一步地，所述低折射率介质层的材料为SiO2、Si3N4或SiON。
进一步地，所述高光反射金属层为Al金属单层，厚度为100 nm～500nm。
进一步地，所述上电极为Ag、Au、Pt、Rh、Ru金属单层中的任意一种，或者为NiAg、NiAu、合金、ITO透明导电氧化物层中的任意一种，所述上电极的厚度为100 nm～1000nm。
进一步地，所述导电结构为条状结构、圆孔结构或方孔结构，其表面积占所述高光反射金属层表面积的1%～10%。
本发明还提供了一种具有全方位反射电极的GaN基LED芯片的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、在临时衬底（Si、SiC或蓝宝石）上依次生长P型GaN层、量子阱有源层、N型GaN层；
S2、通过PECVD和电子束蒸镀，以N型GaN层为基础制备全方位反射电极；
S3、通过电子束蒸镀，在全方位反射电极表面淀积键合金属层，将键合金属层与基板键合，然后去除临时衬底，裸露出P型GaN层；
S4、采用H3PO4腐蚀整面P型GaN层，使P型GaN层表面粗糙化；
S5、通过光刻掩膜版的遮挡，采用干法刻蚀或湿法化学腐蚀切割道区域的P型GaN层、量子阱有源层、N型GaN层，裸露出键合金属层；
S6、通过光刻掩膜版的遮挡，利用PECVD在切割道区域沉积钝化层；
S7、通过光刻掩膜版的遮挡，在P型GaN层上蒸镀上电极；
S8、通过划片机沿着切割道切割芯片，完成芯片制备。
进一步地，步骤S2全方位反射电极制备方法，包括以下步骤：
S21、在所述N型GaN层上通过PECVD沉积低折射率介质层；
S22、利用光刻图形化方法，通过光刻掩模版的遮挡，采用湿法化学腐蚀或干法刻蚀，将所述上电极正下方对应区域以外的低折射率介质层去除；
S23、在步骤S22得到的低折射率介质层上蒸镀整面高光反射金属层，完成全方位反射电极制备。
进一步地，步骤S6中的钝化层为SiO2、Al2O3、Si3N4或AlN钝化层，其厚度为100 nm～1000nm。
本发明提供的具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，是在N型GaN层朝上的GaN基LED外延基础上，在N型GaN层上引入全方位反射电极，并制备导电结构，因此本发明可以同时兼顾高光反射（比无全方位反射电极芯片反射率提升7%）和低欧姆接触（与无全方位反射电极芯片电压无差异），减小上电极对应下方挡光区域的无效光出射，进一步提高了GaN基LED芯片的光电转换效率。
附图说明
图1为现有技术中常规结构的GaN基LED外延结构示意图；
图2为现有技术中常规结构的GaN基LED的结构示意图；
图3为本发明的具有全方位反射电极的GaN基LED芯片的结构示意图。
附图标记说明：
101-临时衬底，102-N型GaN层，103-量子阱有源层，104-P型GaN层，201-基板，202-键合金属层，203-高光反射金属层，204-钝化层，205-N电极，300-全方位反射电极，301-低折射率介质层，302-上电极。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明进行进一步的说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，如图3所示，从下至上依次包括：基板201，键合金属层202，全方位反射电极300（由从上至下依次接触的N型GaN层102，低折射率介质层301和高光反射金属层203组成），量子阱有源层103，P型GaN层104，上电极302，所述P型GaN层104、量子阱有源层103、N型GaN层102依次生长形成外延层。
低折射率介质层301经腐蚀处理后，与高光反射金属层203二者复合形成圆孔导电结构，该圆孔导电结构表面积占高光反射金属层203表面积的5%，上电极302正下方对应的低折射率介质层301区域不形成圆孔导电结构。
本实施例还提供了具有全方位反射电极的GaN基LED芯片的制备方法，包括以下步骤：
（1）在临时Si衬底上依次生长P型GaN层104、量子阱有源层103、N型GaN层102。
（2）通过PECVD在N型GaN层102上沉积低折射率介质层301，利用光刻图形化方法，通过光刻掩模版的遮挡，结合湿法化学腐蚀或干法刻蚀工艺，将上电极302正下方对应区域以外的低折射率介质层301去除，制备具有圆孔导电结构的低折射率介质层301；
在上述具有圆孔导电结构的低折射率介质层301上蒸镀整面高光反射金属层203，完成全方位反射电极300制备。
（3）在高光反射金属层203上蒸镀键合金属层202，将键合金属层202与Si基板201键合，通过湿法化学腐蚀或干法刻蚀去除临时Si衬底，裸露出P型GaN层104。
（4）利用H3PO4腐蚀液腐蚀整面P型GaN层104，使P型GaN层104粗糙化；
（5）通过光刻掩模版的遮挡，利用KOH腐蚀切割道区域（芯片与芯片之间的间隔区域，50-100um）的P型GaN层104、量子阱有源层103、N型GaN层102，裸露出键合金属层202；
（6）通过PECVD在切割道区域沉积800nm SiO2钝化层204；
（7）制备上电极：通过光刻掩膜版的遮挡，在P型GaN层104上蒸镀上电极302；
（8）切割芯片，完成芯片制备。LED芯片结构如图3所示。
本实施例中，GaN基LED出射光波长λ为560nm，低折射率介质层301的材料为SiO2，SiO2折射率n=1.45，SiO2厚度d为（λ/4n）的整数倍，因此，本实施例在N型GaN层上沉积100nmSiO2低折射率介质层301。
高光反射金属层203为Al金属单层，厚度为100nm。上电极302为Ag金属单层，厚度为100nm。
实施例2
如图3所示，本实施例提供了一种具有全方位反射电极的GaN基LED芯片。其中，低折射率介质层301经腐蚀处理后，与高光反射金属层203二者复合形成条状导电结构，该条状导电结构表面积占高光反射金属层203表面积的1%。其余结构同实施例1。
本实施例中，GaN基LED出射光波长λ为560nm，低折射率介质层301的材料为Si3N4，Si3N4折射率n=2。因此，本实施例在N型GaN层上沉积70nm Si3N4低折射率介质层301。
高光反射金属层203的厚度为300nm。上电极302为Pt金属单层，厚度为500nm。
所述GaN基LED芯片的制备工艺同实施例1。
实施例3
如图3所示，本实施例提供了一种具有全方位反射电极的GaN基LED芯片。其中，低折射率介质层301经腐蚀处理后，与高光反射金属层203之间二者复合形成方孔导电结构，该方孔导电结构表面积占高光反射金属层203表面积的10%。其余结构同实施例1。
本实施例中，GaN基LED出射光波长λ为560nm，低折射率介质层301的材料为SiON，SiON折射率n=2。因此，本实施例在N型GaN层上沉积70nm SiON低折射率介质层301。
高光反射金属层203的厚度为500nm。上电极302为ITO透明导电氧化物层，厚度为1000nm。
所述GaN基LED芯片的制备工艺同实施例1。
本发明提供的具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，可以同时兼顾高光反射（比无全方位反射电极芯片反射率提升7%）和低欧姆接触（与无全方位反射电极芯片电压无差异），减小上电极对应下方挡光区域的无效光出射，进一步提高了GaN基LED芯片的光电转换效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，其特征在于：从下至上依次包括：基板、键合金属层、全方位反射电极、量子阱有源层、P型GaN层、上电极，所述全方位反射电极由从上至下依次接触的N型GaN层、低折射率介质层、高光反射金属层组成，所述P型GaN层、量子阱有源层、N型GaN层依次生长形成外延层。
2.根据权利要求1所述的具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，其特征在于：所述低折射率介质层经腐蚀处理后，与高光反射金属层二者复合形成导电结构，所述上电极正下方对应的低折射率介质层区域不形成所述导电结构。
3.根据权利要求1所述的具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，其特征在于：所述低折射率介质层的折射率n=1～2.45，厚度d为λ/2n的整数倍，其中λ为GaN基LED的出射光波长。
4.根据权利要求1所述的具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，其特征在于：所述低折射率介质层的材料为SiO2、Si3N4或SiON。
5.根据权利要求1所述的具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，其特征在于：所述高光反射金属层为Al金属单层，厚度为100 nm～500nm。
6.根据权利要求1所述的具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，其特征在于：所述上电极为Ag、Au、Pt、Rh、Ru金属单层中的任意一种，或者为NiAg、NiAu、合金、ITO透明导电氧化物层中的任意一种，所述上电极的厚度为100 nm～1000nm。
7.根据权利要求2所述的具有全方位反射电极的GaN基LED芯片，其特征在于：所述导电结构为条状结构、圆孔结构或方孔结构，其表面积占所述高光反射金属层表面积的1%～10%。
8.一种如权利要求1～7任一所述的具有全方位反射电极的GaN基LED芯片的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、在临时衬底上依次生长P型GaN层、量子阱有源层、N型GaN层；
S2、通过PECVD和电子束蒸镀，以N型GaN层为基础制备全方位反射电极；
S3、通过电子束蒸镀，在全方位反射电极表面淀积键合金属层，将键合金属层与基板键合，然后去除临时衬底，裸露出P型GaN层；
S4、腐蚀整面P型GaN层，使P型GaN层表面粗糙化；
S5、通过光刻掩膜版的遮挡，腐蚀切割道区域的P型GaN层、量子阱有源层、N型GaN层，裸露出键合金属层；
S6、通过PECVD在切割道区域沉积钝化层；
S7、通过光刻掩膜版的遮挡，在P型GaN层上蒸镀上电极；
S8、通过划片机沿着切割道切割芯片，完成芯片制备。
9.根据权利要求8所述的芯片制备方法，其特征在于：步骤S2全方位反射电极制备方法，包括以下步骤：
S21、在所述N型GaN层上通过PECVD沉积低折射率介质层；
S22、利用光刻图形化方法，通过光刻掩模版的遮挡，将所述上电极正下方对应区域以外的低折射率介质层去除；
S23、在步骤S22得到的低折射率介质层上蒸镀整面高光反射金属层，完成全方位反射电极制备。
10.根据权利要求8所述的芯片制备方法，其特征在于：步骤S6中的钝化层为SiO2、Al2O3、Si3N4或AlN钝化层，其厚度为100 nm～1000nm。
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| CN (1) | CN114122218A (zh) |
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- 2022-01-24 CN CN202210076426.XA patent/CN114122218A/zh active Pending
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