CN1655371A - 发光二极管管芯的基底结构体及制造基底结构体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属发光二极管管芯的基底结构体及制造基底结构体的方法。本发明的基底结构体具有衬底、缓冲层和反射镜层，缓冲层设置在衬底上，反射镜层设置在缓冲层上；反射镜层由具有微孔阵列的金属基底层和沉积在金属基底层的表面上及微孔阵列的微孔中的金属反射层组成。该基底结构体的制造方法具有以下步骤：①在衬底上生成缓冲层；②在缓冲层上沉积金属介质层；③在金属介质层上沉积掩膜层；④在金属介质层生成微孔阵列而使金属介质层成为金属基底层，然后用腐蚀剂洗去掩模层；⑤在金属基底层的微孔阵列上沉积银或铝的薄层形成金属反射层。本发明的基底结构体制成的发光二极管在工作时漏出损失和全反射损失较少，而使发光二极管的发光效率较高。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种二极管管芯的基底结构体及一种制造二极管管芯的基底结构体的方法。
背景技术
发光二极管(也叫LED，即Light Emitting Diode)管芯的发光部分是设置在p型半导体层和n型半导体层之间的活动层。当注入活动层中的非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量以光能的形式释放出来。但是活动层发出的光是非定向的，即向各个方向有相同的发射几率。一般的半导体材料与周围空气或者封装材料相比较而言，具有较高的折射系数(典型的半导体材料的折射系数n＝2.2～3.8)。因此部分光将会在芯片中的发射表面发生全反射，且有部分全反射光持续在发光二极管中反射，被晶体和其它材料转换成热能的形式吸收，本文中将这种现象称为全反射损失；另外有部分光从不同于发射表面的其它方向漏出，本文中将这种现象称为漏出损失。由于全反射损失和漏出损失，发光二极管的活动层中产生的光不会全部从发射表面发出，降低了发光效率(Luminous Efficiency)；且在光被二极管中的材料吸收的同时也带来了发光二极管温度增高的问题，增大了提高发光二极管发光效率的难度。
现有技术中为了减少发光二极管管芯的漏出损失和全反射损失，一种方法是在衬底和活动层之间设置布拉格反射层，布拉格反射层的优点是反射率高，但是由于其必须为多层化结构，且一般都为10～20层的结构，导致了其制作工艺复杂，成本较高。另一种方法是在发光二极管管芯的与光的发射面相对的另一侧的管芯表面上，设置一层金属反射层，该金属反射层也可以减少漏出损失和全反射损失，但是效果不佳，因为活动层发出的照射到金属反射层而被金属反射层反射到发射表面的光，要经历两次被管芯材料吸收的过程。
半导体光电器件工艺主要包括外延、光刻、刻蚀、溅射、合金、淀积绝缘膜和光学镀膜等工艺。
半导体以晶体形态在晶格常数基本匹配的衬底上沉积或生长的过程叫做外延生长。它与普通的光学镀膜不同，沉积的原子会在生长表面自动排列整齐并与下方衬底原子键合，是单晶衬底原子排列的直接延续。主要的外延方法有分子束外延(MBE)、金属有机物化学气相沉积外延(MOCVD)和液相外延(LPE)等类型。最早发展起来的是液相外延技术，它利用过饱和溶液析出结晶来进行材料生长，因其生长速度过快，材料组分比较难控制和调整，已经逐渐被金属有机物化学气相沉积外延方法和分子束外延方法所取代；金属有机物化学气相沉积外延方法利用金属有机化合物气体和相应烷类气体的化学反应进行外延，控制生长厚度的精度达1微米，正是因为金属有机物化学气相沉积外延方法的出现，才使得多重量子阱(Multi-Quantum Well，MQW)技术实用化，并广泛应用在半导体激光器等产品上；分子束外延方法借助分子束扫描进行外延生长，与金属有机物化学气相沉积外延方法技术相比，生长速率慢，但可以更精确的控制外延层的厚度和组分，所以金属有机物化学气相沉积外延技术更多的用于生产，分子束外延技术则更多的用于科研。
光刻工艺是把设计好的几何图形转移到半导体晶片表面的对光照敏感的一薄层材料(也叫光致抗蚀剂、光刻胶)上去的工艺过程。
刻蚀是把光刻胶上的图形转移到光刻胶下面的半导体材料薄层上去的工艺过程。半导体材料的刻蚀工艺主要分为湿法刻蚀和干法两种。湿法刻蚀使用液态化学试剂进行腐蚀，损伤小，但对环境比较敏感，加工精度低；干法刻蚀使用气态的化学试剂在微波和等离子体的共同作用下对半导体材料进行刻蚀，主要的技术有反应离子刻蚀技术(RIE)和等离子体微波耦合刻蚀技术(ICP)两种，干法刻蚀的优点是控制精度高，大面积刻蚀均匀性好，利用等离子体微波耦合刻蚀技术还可以刻蚀垂直度和光洁度都非常好的镜面；实际加工中，往往两种刻蚀方法配合使用。
半导体光电器件工艺中还包括溅射、合金、淀积绝缘膜和光学镀膜等工艺，这些工艺也非常重要。溅射和合金的主要功能是制作良好的金属与半导体接触；淀积绝缘膜也可称为掩模层，主要用来做刻蚀掩膜和控制器件电流注入的区域，常见的绝缘材料是SiO2及Si3N4，使用等离子体增强化学气相沉积技术(PECVD)的方法淀积，这种方法的优点是膜层致密，折射率和厚度可以控制得很好；光学镀膜的功能是调节器件的光电特性，在半导体光放大器和超辐射发光二极管的制作中是主要的工艺难点之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种发光二极管管芯的基底结构体及一种制造发光二极管管芯的基底结构体方法，当采用这种基底结构体的发光二极管管芯用于制造发光二极管后，可以在工作时较好地减少漏出损失和全反射损失从而提高发光效率。
本发明的总的技术构思是：在衬底层上设置专门的金属反射镜层而制得发光二极管管芯的基底结构体，从而当采用这种基底结构体的发光二极管管芯用于制造发光二极管后，该发光二极管在工作时可以由该反射镜层来反射发光二极管管芯的活动层发射至反射镜层的光，以减少漏出损失和全反射损失从而提高发光二极管的发光效率。
实现本发明目的中提供一种发光二极管管芯的基底结构体的技术方案是：本基底结构体具有衬底和设置在衬底上的缓冲层；其结构特点是：还具有反射镜层，反射镜层设置在缓冲层上；反射镜层由具有微孔阵列的金属基底层和沉积在金属基底层的表面上及微孔阵列的微孔中的金属反射层组成。
上述衬底为蓝宝石或硅或者碳化硅；缓冲层为氮化镓，缓冲层的厚度为1.0～2.0μm。反射镜层的金属基底层的金属为银或铜，金属基底层的厚度为1.5μm～3μm。金属反射层的金属为银或铝，金属反射层的厚度为0.05μm～0.08μm。
上述金属基底层的微孔阵列中的微孔均匀排布，且行与行之间错开；微孔阵列中每个微孔的形状都相同，且为圆形或正多边形。金属基底层的微孔阵列中的相邻的微孔之间的间距为2.8μm～3μm；每个微孔的孔径为1.3μm～2.6μm，每个微孔的深度为0.8μm～1.2μm。
实现本发明目的中的提供一种制造发光二极管管芯的基底结构体的方法，具有以下步骤：①采用金属有机物化学气相沉积外延方法或分子束外延方法在衬底上生成一层本征氮化镓作为缓冲层；②在缓冲层上采用金属有机物化学气相沉积外延方法或分子束外延方法沉积金属银或金属铜的金属介质层；③在金属介质层上采用等离子体增强化学气相沉积方法沉积一层氮化硅或二氧化硅作为掩膜层；④采用光刻与湿法刻蚀结合的方法或光刻与干法刻蚀结合的方法在金属介质层生成微孔阵列而使金属介质层成为金属基底层，然后用腐蚀剂洗去掩模层；⑤采用金属有机物化学气相沉积外延方法或分子束外延方法在金属基底层的微孔阵列上沉积金属银或金属铝的薄层形成金属反射层，从而使金属基底层和金属反射层形成了反射镜层。
上述方法中，步骤①中衬底(1)为蓝宝石、碳化硅或硅，缓冲层(2)为氮化镓层，缓冲层(2)的厚度为1.0μm～2.0μm；步骤②中，金属介质层的厚度为1.5μm～3μm；生成的微孔阵列中的微孔均匀排布在金属介质层中，且行与行之间错开；每个微孔的形状相同，为圆形或正多边形，相邻的微孔之间的间距d为2.8μm～3μm；每个微孔的直径r为1.3μm～2.6μm，每个微孔的深度h为0.8μm～1.2μm。步骤⑤中，金属反射层的厚度为0.05μm～0.08μm。
本发明具有积极的效果：(1)本发明的发光二极管管芯的基底结构体在用于发光二极管后，其中反射光波的是反射镜层，其中的金属反射层采用的金属优选铝或银，在理论上，表面平滑的铝金属反射层对波长在400nm到800nm之间的光的平均反射率大于90％，而表面平滑的银金属反射层对波长在400nm到20000nm之间的光的平均反射率则大于95％，所以本发明的基底结构体中的反射镜层具有良好的反射效果。(2)本发明的基底结构体中的反射镜层的金属基底层中具有微孔阵列，该微孔中沉积的的金属薄层与位于金属基底层表面上的金属薄层连接成一个整体，形成一个连续的金属反射层；这种具有凹孔形状的金属反射层可以较好的定向反射活动层发射至反射镜层的光，可以有效减少发光二极管管芯中光的漏出损失和全反射损失，提高发光二极管的发光效率。(3)本发明的基底结构体中的反射镜层的制造工艺与布拉格反射层的制造工艺相比，具有较简单的制造工艺、较低的制造成本；与设置在管芯表面处的金属反射层相比，则在减少漏出损失和全反射损失的性能上大大超过后者。
附图说明
图1是本发明的发光二极管管芯的基底结构体的一种结构示意图。
图2是图1中反射镜层的金属基底层的微孔阵列的示意图。
图3是本发明制造发光二极管管芯的基底结构体的过程中的掩模层的位置示意图。
图4是本发明制造发光二极管管芯的基底结构体的流程示意图。
图5是传统的发光二极管管芯的结构示意图。
图6是为采用图1所示结构的基底结构体的发光二极管管芯的结构示意图。
图7是具有图5结构的发光二极管的相对光强度——波长图。
图8是具有图6结构的发光二极管的相对光强度——波长图。
具体实施方式
(实施例1、发光二极管管芯的基底结构体)
见图1，本实施例的发光二极管管芯的基底结构体具有衬底1、缓冲层2和反射镜层3；缓冲层2设置在衬底1上，反射镜层3由具有微孔阵列的金属基底层31和沉积在金属基底层31的表面上及微孔31-1中的金属反射层32组成。
其中衬底1采用的材料为蓝宝石；缓冲层2为氮化镓(GaN)，缓冲层2的厚度为1.85μm；金属基底层31的金属为铜，金属基底层31的厚度为2.3μm；金属反射层32的金属为银，金属反射层32的厚度为0.08μm。
见图2，金属基底层31具有微孔阵列，微孔阵列中的微孔31-1的形状为圆形；微孔均匀分布在金属基底层31中，且行与行之间错开；相邻的微孔31-1之间的间距(两个相邻微孔的微孔中心的距离)为2.8μm；每个微孔31-1的孔径(当微孔形状为正多边形时，为正多边形外接圆的直径，此处的正多边形可以是正四边形、正五边形或正六边形)为1.3μm，每个微孔31-1的深度为0.8μm，金属反射层32位于金属基底层32的表面或者微孔31-1中，呈连续的反射镜面。
(实施例2、制造发光二极管管芯的基底结构体的方法)
见图3和图4，实施例1的发光二极管管芯的基底结构体的制造方法具有以下步骤：
①在金属有机化学气相沉积系统(美国EMCORE公司GS3200型)中，以蓝宝石作为衬底1(图4a)，以国产高纯TMGa及NH3作为源材料，以H2作为MO(即金属有机化合物，下同)源的携带气体，以高纯N2作为生长区的调节气体，在蓝宝石衬底1上生长一层氮化镓(GaN)晶体作为缓冲层2；相关生长工艺参数：生长温度为560℃，NH3加入速率为3.1L/min；TMGa加入速率为20μmol/min；N2加入速率为3.8L/min；H2加入速率为2.0L/min；生长时间为2min；最后得到厚1.85μm的氮化镓晶体缓冲层2(图4b)。
②在金属有机化学气相沉积系统(美国EMCORE公司GS3200型)中，以Cu-TMOD作为源材料，以H2作为MO源的携带气体，以高纯CO2作为生长区的调节气体，在缓冲层2上生长金属介质层30；相关工艺参数：生长温度为380℃，CO2加入速率为2.8L/min；Cu-TMOD加入速率为65μmol/min；H2加入速率为2.0L/min；生长时间为10min；最后得到厚2.3μm的铜金属介质层30(图4c)。
③在等离子体增强化学气相沉积系统(英国CEVP公司PECVD 1000C)中，在金属介质层30上沉积氮化硅作为掩膜层33；沉积条件：射频功率为80W；沉积温度为280℃；He的加入速率为50sccm(ml/min，20℃标准温度，1个标准大气压条件下)；SiH4的加入速率为1sccm；NH3的加入速率为30sccm；沉积时间为20min；最后得到厚0.025μm的氮化硅掩膜层33。
④在掩膜层33上涂覆厚度为0.8μm的光刻胶(型号为Shipley 6112)，然后在光刻系统(德国Karl Suss公司MA6)采用单面接触式对准光刻方式在光刻胶层上经曝光、显影刻出均匀排列的圆孔阵列图形；接着在离子刻蚀系统(法国Alcatel公司Nextral100)中，以SF6和O2作为刻蚀气体，在氮化硅掩膜层上刻蚀图形；刻蚀的工艺参数：反应室压力为1.0Pa；射频功率为500W；偏压为80V；SF6加入速率为50cm3/s；O2加入速率为80cm3/s；刻蚀速率为5nm/min；刻蚀时间为20min；微孔阵列刻蚀好后，接着用丙酮剥离残留的部分光刻胶，再用KOH腐蚀液洗去残留的部分氮化硅掩模层33，得到具有微孔阵列的金属基底层31。微孔阵列中的微孔31-1均匀排布在金属基底层31中，且行与行之间错开；微孔31-1为圆形，相邻的微孔31-1之间的间距为2.8μm；每个微孔31-1的直径为1.3μm，每个微孔31-1的深度为0.8μm。
⑤在金属有机化学气相沉积系统(美国EMCORE公司GS3200型)中，以Ag-TMOD作为源材料，以H2作为MO源的携带气体，以高纯CO2作为生长区的调节气体，在金属基底层31的微孔阵列上沉积金属银以形成金属反射层32；沉积工艺参数：沉积温度为320℃，CO2加入速率为3.2L/min，H2加入速率为2.5L/min，Ag-TMOD加入速率为25μmol/min，生长时间为10min，最后得到厚度为0.08μm的银金属反射层32，从而使金属基底层31和金属反射层32形成了反射镜层3(图4d)。
(实施例3、发光二极管管芯的基底结构体)
其余与实施例1相同，不同之处在于：缓冲层2的厚度为1.80μm；金属基底层31的厚度为2.2μm。微孔阵列的圆形微孔的深度为1.0μm，直径为2.6μm，相邻的微孔31-1之间的间距为3μm。
(实施例4、制造发光二极管管芯的基底结构体的方法)
本实施例为实施例3的发光二极管管芯的基底结构体的制造方法，其余与实施例2相同，不同之处在于：步骤①中，生长温度为545℃，NH3的加入速率为2.9L/min，N2的加入速率为3.9L/min；最后得到的氮化镓晶体缓冲层2的厚度为1.80μm。步骤②中，生长温度为390℃，CO2的加入速率为2.9L/min；最后得到的金属介质层30的厚度为2.2μm。步骤③中，沉积温度为270℃。步骤④中，控制圆形微孔31-1的直径为2.6μm，微孔31-1的深度为1.2μm，相邻的微孔31-1之间的间距为3μm。步骤⑤中，生长温度为300℃，CO2加入速率为3.0L/min。
(试验例1)
图5所示为一种传统的发光二极管的管芯结构，其基底结构体的衬底为蓝宝石，缓冲层为氮化镓。
图6所示为采用实施例1基底结构体的发光二极管的管芯结构，在得到实施例1的基底结构体后采用金属有机物化学气相沉积外延或分子束外延方法生成多量子阱活性层(MQW)作为第二缓冲层；在第二缓冲层上采用金属有机物化学气相沉积外延或分子束外延方法依次外延生成N型氮化镓半导体层、InGaN/GaN多重量子阱的活性层和P型氮化镓半导体层；接着采用溅镀的方法在P型半导体层上生成P极电极，然后在P极电极层上采用金属有机物化学气相沉积外延或分子束外延方法生成掩模层，接着采用蚀刻的方法去除部分的掩模层、P型半导体层、活性层和N型半导体层，使N型半导体层暴露出来，接着在暴露出来的部分N型半导体层上采用溅镀的方法在N型半导体层上生成N极电极，从而得到发光二极管芯片；最后用切割法或划片法沿设计好的发光二极管芯片的分割道将芯片分割成单个管芯。
这两种发光二极管的管芯除了基底结构体不同外，其它部分完全相同。
对图5所示的发光二极管管芯得到的发光二极管进行测试，所用设备为LED全光谱光电色综合性能测试系统(台湾仪嘉科技公司)，测试电压为3.3V，测试电流为20mA；得到图7所示的相对光强度——波长图。
对图6所示的发光二极管管芯得到的发光二极管进行测试，所用设备为LED全光谱光电色综合性能测试系统(台湾仪嘉科技公司)，测试电压为3.3V，测试电流为20mA；得到图8所示的相对光强度——波长图。
从图7和图8可以得知具有本发明的基底结构体的发光二极管，其发光强度明显增加，证明了本发明的基底结构体能够在工作时较好地减少漏出损失和全反射损失从而提高发光二极管的发光效率。
Claims (10)
1、一种发光二极管管芯的基底结构体，具有衬底(1)和设置在衬底(1)上的缓冲层(2)；其特征在于：还具有反射镜层(3)，反射镜层(3)设置在缓冲层(2)上；反射镜层(3)由具有微孔阵列的金属基底层(31)和沉积在金属基底层(31)的表面上及微孔阵列的微孔(31-1)中的金属反射层(32)组成。
2、根据权利要求1所述的发光二极管管芯的基底结构体，其特征在于：衬底(1)为蓝宝石或硅或碳化硅；缓冲层(2)为氮化镓，缓冲层(2)的厚度为1.0～2.0μm。
3、根据权利要求1所述的发光二极管管芯的基底结构体，其特征在于：反射镜层(3)的金属基底层(31)的金属为银或铜，金属基底层(31)的厚度为1.5μm～3μm。
4、根据权利要求1所述的发光二极管管芯的基底结构体，其特征在于：金属反射层(32)的金属为银或铝，金属反射层(32)的厚度为0.05μm～0.08μm。
5、根据权利要求1所述的发光二极管管芯的基底结构体，其特征在于：金属基底层(31)的微孔阵列中的微孔(31-1)均匀排布，且行与行之间错开；微孔阵列中每个微孔(31-1)的形状都相同，且为圆形或正多边形。
6、根据权利要求5所述的发光二极管管芯的基底结构体，其特征在于：金属基底层(31)的微孔阵列中的相邻的微孔(31-1)之间的间距为2.8μm～3μm；每个微孔(31-1)的孔径为1.3μm～2.6μm，每个微孔(31-1)的深度为0.8μm～1.2μm。
7、一种制造发光二极管管芯的基底结构体的方法，具有以下步骤：
①采用金属有机物化学气相沉积外延方法或分子束外延方法在衬底上(1)生成一层本征氮化镓作为缓冲层(2)；
②在缓冲层(2)上采用金属有机物化学气相沉积外延方法或分子束外延方法沉积金属银或金属铜的金属介质层(30)；
③在金属介质层(30)上采用等离子体增强化学气相沉积方法沉积一层氮化硅或二氧化硅作为掩膜层(33)；
④采用光刻与湿法刻蚀结合的方法或光刻与干法刻蚀结合的方法在金属介质层(30)生成微孔阵列而使金属介质层(30)成为金属基底层(31)，然后用腐蚀剂洗去掩模层(33)；
⑤采用金属有机物化学气相沉积外延方法或分子束外延方法在金属基底层(31)的微孔阵列上沉积金属银或金属铝的薄层形成金属反射层(32)，从而使金属基底层(31)和金属反射层(32)形成了反射镜层(3)。
8、根据权利要求7所述的制造发光二极管管芯的基底结构体的方法，其特征在于：步骤①中衬底(1)为蓝宝石、碳化硅或硅，缓冲层(2)为氮化镓层，缓冲层(2)的厚度为1.0μm～2.0μm；步骤②中，金属介质层(31)的厚度为1.5μm～3μm。
9、根据权利要求7所述的制造发光二极管管芯的基底结构体的方法，其特征在于：步骤④的蚀刻过程中，生成的微孔阵列中的微孔(31-1)均匀排布在金属介质层(30)中，且行与行之间错开；每个微孔(31-1)的形状相同，为圆形或正多边形，相邻的微孔(31-1)之间的间距d为2.8μm～3μm；每个微孔(31-1)的直径r为1.3μm～2.6μm，每个微孔(31-1)的深度h为0.8μm～1.2μm。
10、根据权利要求7所述的制造发光二极管管芯的基底结构体的方法，其特征在于：步骤⑤中，金属反射层(32)的厚度为0.05μm～0.08μm。
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