CN1874012A - 高亮度GaN基发光管芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高亮度GaN基发光二极管的结构和其制备的技术方案，提出一种具有表面图形化和微结构的高亮度LED结构，具体结构是采用纳米压制技术在LED的发光面上制备具有各种图形的有机材料薄膜，间接的在LED表面形成有利于有源区发射光逸出的微结构，例如具有结构或粗糙化的微图形，光子晶体结构等，通过在出光面上引入这种表面微结构，使得光在出射介质的界面面积得到增加，增加后的表面呈现为大量方向无序排列的小区域。造成光线在有源区和介质的界面上一定程度上是随机出射的。这样可以通过改善出射光的出射方向，增加出射几率，进一步提高发光二极管的光提取效率和外量子效率。

Description

高亮度GaN基发光管芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种高亮度GaN基发光二极管(LED)芯片的结构及其制备技术。包括利用波长短于GaN带隙吸收波长的紫外光激光器剥离生长在蓝宝石衬底上的GaN基LED外延层，并在此基础上结合纳米压制技术形成GaN基高亮度发光二极管芯片结构及其制备技术方案。

背景技术

发光二极管的内量子效率和外量子效率决定着LED总的出光效率和器件亮度。目前GaN基发光二极管大多数都是在与GaN材料有很大晶格失配的蓝宝石衬底(失配高达15％)上通过外延生长而成的，这就直接造成了材料位错密度高达1×10⁸/cm²以上，极大的降低了电子和空穴的辐射复合几率，导致了LED的内量子效率普遍只有90％左右。同时由于光在界面处存在全反射和菲涅尔衍射等光学损耗，在LED发光表面只有局域在全反射角内的极少一部分光能够出射，多数光将被反射回LED内部，造成有源区发射出的光又被器件材料和电极等多次吸收，而转换成热，致使LED的外量子效率极低。由器件材料和空气折射率差较小，就决定了GaN基LED光提取效率往往低于5％，这也是目前高亮度LED所遇到的限制其亮度的主要原因，由于目前材料生长技术的提高余地已经很小并且进一步的提高已非易事，因此要提高LED的出光效率，在有源区出射光的提取效率上就还有很大的提高空间。

现有的提高LED出光效率的方法主要有以下几个方面：改变芯片形状构成多个出光面，降低平面型芯片对出射光的反射，如平顶的倒金字塔形，这种技术可以将AlGaInP基红光LED的出光效率提高致55％，但是由于蓝宝石衬底很难进行腐蚀或解理出这种多面出光的结构，因此实现难度较大；其次有采用倒装或键合工艺，使光能从蓝宝石衬底一侧出射，但这样做首先需要在背面加Ag、Al等金属膜作为反射镜，同时整个制备工艺较为复杂，难度也很大，并且这种方法是通过提高了芯片的散热来提高出光效率，因此提高空间比较局限，没有从根本上改善其光的提取效率；还有在出光面上制备光子晶体结构或微结构及采用图形化衬底等方法，但是这些方法的制作工艺均很复杂，要求有大功率激光器或电子束刻蚀或曝光系统及等离子体刻蚀机等大型仪器和设备，并且对加工精度要求也较高，这样决定了这些技术方法造价高，产量低，只适合于实验室研究而不利于高亮度LED的规模化生产。

发明内容

本发明目的是提供一种高亮度GaN基发光二极管的结构和其制备的技术方案。提出一种具有表面图形化和微结构的高亮度LED结构，具体结构是采用纳米压制技术在LED的发光面上制备具有各种图形的有机材料薄膜，间接的在LED表面形成有利于有源区发射光逸出的微结构，例如具有结构或粗糙化的微图形，光子晶体结构等，通过在出光面上引入这种表面微结构，使得光在出射介质的界面面积得到增加，增加后的表面呈现为大量方向无序排列的小区域．造成光线在有源区和介质的界面上一定程度上是随机出射的．这样可以通过改善出射光的出射方向，增加出射几率，进一步提高发光二极管的光提取效率和外量子效率。

我们这里提出的纳米压制图形化LED出光面技术，一次性制备好的模板可以通过压制多次重复使用，可以直接应用于任何结构的LED出光表面，完全避免了各种微加工手段对材料引入的损伤，解决P型GaN材料质量对离子刻蚀热处理等工艺过程敏感等问题，而不能直接在P面上形成有利于出光的微结构的难题；同时可以应用在通过采用激光剥离技术制备的具有上下电极的垂直结构的LED的出光表面上，在垂直结构的LED能大幅度改善器件的热特性和电导性的基础上，增大其光的出射效率，得到高亮度的功率型LED芯片。

根据本发明的高亮度GaN基发光管结构，具体结构如下：

在蓝宝石衬底上生长有GaN基LED外延片，在P型GaN层上有P型欧姆接触层；下面是量子阱有源区和覆盖层；其下是N型GaN层，在N型GaN上有N型电极；还包括具有微结构的有机薄膜。

进一步，如果出光面是P型GaN，则在P型欧姆接触层上局部有P型加厚电极，其他区域上是绝缘膜，绝缘膜上是具有微结构的有机薄膜；如果是N面出光则在N面电极以外的N型GaN上是具有微结构的有机薄膜。

本发明的高亮度GaN基发光管的制备方法，具体包括以下步骤：

1)制备LED芯片结构；

2)在Si、玻璃等基底上通过光刻和刻蚀形成多种微结构和织构化图形，作为形成纳米压制的模版；

3)通过模板将其上图形压制到有机薄膜上；

4)将具有微结构和图形的有机薄膜转移至LED的出光面上。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步详细地说明：

图1是GaN基高亮度发光二极管的结构图；

其中1是是蓝宝石衬底、2是N型GaN、3是量子阱有源区、4是P型GaN层、5是P型Ni/Au欧姆接触层、6是P型加厚电极、7是微结构层、8是N型加厚电极、9是SiN绝缘介质膜。

图2a～2d是具有表面微结构的侧向结构GaN基发光二极管管芯的制作工艺流程图；

其中10是Si基底、11是微结构图案、12是Si模板。

图3a～3f是具有表面微结构的垂直结构GaN基发光二极管管芯制作工艺流程图；

其中13是多层反射膜、14是高掺杂Si衬底、15是欧姆接触层、16是导电银胶、17是N面欧姆接触层。

具体实施方式

下面参照本发明的附图，更详细地描述本发明的最佳实施例。

实施例一的技术方案：

图2a～2d是具有表面微结构的侧向结构GaN基发光二极管管芯的制作工艺流程图；下面参照图2具体说明实施例一的制备过程和芯片结构。

1)制备常规结构的LED芯片，具体步骤如下：

a)在蓝宝石衬底1上生长的GaN基LED外延片上先刻蚀出台面，台面刻蚀穿过有源区3至N型GaN材料2处；

b)在台面上P型GaN材料4上沉积Ni/Au(5nm/5nm)P型欧姆接触层5，氧气氛围下500℃合金2-10分钟之后，用草酸水溶液漂去表面NiO。

c)在台面下N型GaN材料2上制备N型欧姆接触层8，由Ti/Al(5nm/20-200nm)构成，然后在整个器件上大面积沉积SiN绝缘介质膜9，厚度100-500nm；

d)之后一次在P型台面上和N型台面上通过光刻腐蚀出P型电极和N型电极窗口，然后再一次性用Ti/Au(5/100-800nm)进行P型电极6和N型电极8的加厚，以便于压线封装，如图2a。

2)在Si基底10上利用电子束等光刻手段将设计好的可以提高出光效率的微结构图案11，通过聚焦离子束刻蚀或等离子体刻蚀等微加工手段在Si基底上刻蚀出微结构，形成用于纳米压制的模板12，如图2b。

3)首先在Si模板12上涂甩对出射光没有吸收的并且折射率介于GaN基材料和空气之间的有机树脂如PDMS胶，通过压制将Si模板上的图形转移到有机树脂上，形成具有表面微架构的有机薄膜7。其中在涂甩之前首先要对Si模板12进行表面活化处理，涂甩之后再对有机树脂进行烘烤，以利于有机树脂膜的脱离，如图2c。

4)将有机树脂膜与对准压制在(a)中做好结构和电极的LED芯片上，获得具有表面微结构的高输出功率的P面出光的LED芯片，如图2d。

实施例二的技术方案：

图3a～3f是具有表面微结构的垂直结构GaN基发光二极管管芯制作工艺流程图；下面参照图3体说明实施例二的具制备过程和芯片结构。

1)制备上下电极的垂直结构的LED芯片，具体步骤如下：

a)在蓝宝石衬底的GaN基LED外延片上的P型GaN材料4上大面积蒸镀透明电极Ni/Au(5nm/5nm)5，然后在氧气氛下500℃下合金2-10分钟，用草酸水溶液漂去表面NiO。在透明电极上蒸镀多层反射膜13，由Ni/Ag/Ti/Au(10nm/200nm/20nm/200nm)构成，其中Ag为反射层，Au为金属阻挡层，如图3a。

b)在双面抛光的高掺杂Si衬底14上两面均大面积制备Si衬底的欧姆接触层15，为Al/Ti/Au(5/200nm)，并在氮气氛下400℃合金30秒，如图3b。

c)在步骤2)中制备好欧姆接触的Si衬底14一面和步骤1)中制备好的P型GaN途布导电银胶16，加压在温度100-200℃之间烘烤，使导电胶固化并还原，烘烤时间20-90分钟，如图3c。

d)将与Si片粘结好的GaN外延片在KrF准分子激光器照射下扫描整个样品剥离蓝宝石衬底，剥离时激光能量密度400-800mJ/cm²，光斑尺寸0.5-3mm，用稀酸漂去表面的Ga，得到N面朝上的键合在Si上的外延片，如图3d。

e)刻蚀去掉N面上的低温缓冲层和低质量的非掺杂层，接着在N型GaN上光刻制备N面欧姆接触层17，并在并在氮气氛下合金。得到上下电极的垂直结构的LED芯片，如图3e。

2)在Si基底上利用电子束光刻等光刻手段设计好的可以提高出光效率的微结构，通过聚焦离子束刻蚀或等离子体刻蚀等微加工手段在Si基底上刻蚀出微架构，形成纳米压制的模板，如图2b。

3)首先在Si模板涂甩上对出射光没有吸收的并且折射率介于GaN基材料和空气之间的有机树脂如PDMS胶，通过压制将Si模板上的图形转移到有机树脂上，形成具有表面微架构的有机薄膜。其中要对Si模板表面进行活化处理以利于有机树脂膜的脱离，如图2c。

4)将有机树脂膜对准压制在步骤1)中做好结构和电极的LED芯片上，在通过划片和裂片的方法分离Si衬底的到分立的具有表面微结构的高输出功率的垂直结构的LED芯片，如图3f。

本发明的应用前景

各种LED发展是非常迅速的，尤其是GaN基LED的发展和市场应用前景是非常广阔的，全球白光LED约有4亿美元的市场，但是对于300亿美元的照明市场，只是很小的一部分。白光照明和多色显示领域需要大功率的GaN基LED，因此提高发光效率制备高亮度GaN基LED，解决发光效率低，寿命短，成本较高等问题将变得尤为重要，我们的发明涉及了制备高亮度LED的关键技术和方法，在原有材料生长基础上至少可以大幅度提高亮度，并且工艺方法简单经济，易于批量化生产。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims (9)

1.一种高亮度GaN基发光管芯片，具体结构如下：

在蓝宝石衬底上生长有GaN基LED外延片，在P型GaN层上有P型欧姆接触层；

下面是量子阱有源区和覆盖层；

其下是N型GaN层，在N型GaN上有N型电极；

还包括具有微结构的有机薄膜。

2.如权利要求1所述的高亮度GaN基发光管芯片，其特征在于：如果出光面是P型GaN，则在P型姆接触层上局部有P型加厚电极，其他区域上是绝缘膜，绝缘膜上是具有微结构的有机薄膜。

3.如权利要求1所述的高亮度GaN基发光管芯片，其特征在于：如果是N面出光，则在N面电极以外的N型GaN上是具有微结构的有机薄膜。

4.一种高亮度GaN基发光管的制备方法，具体包括以下步骤：

1)制备LED芯片结构；

2)在基底上通过光刻和刻蚀形成多种微结构和织构化图形，作为形成纳米压制的模版；

3)通过模版将上述图形压制到有机薄膜上；

4)将具有微结构和图形的有机薄膜转移至LED的出光面上。

5.如权利要求4所述的高亮度GaN基发光管的制备方法，其特征在于，制备LED芯片结构按照常规的方法，具体步骤如下：

1)在蓝宝石衬底上生长的GaN基LED外延片上先刻蚀出台面，台面刻蚀穿过有源区至N型GaN材料处；

2)在台面上P型GaN材料上沉积P型欧姆接触层；

3)在台面下N型GaN材料上制备N型欧姆接触层，然后在整个器件上大面积沉积绝缘介质膜；

4)然后一次性在P型台面上和N型台面上，通过光刻腐蚀出P型电极和N型电极窗口，然后再进行P型电极和N型电极的加厚，以便于压线封装。

6.如权利要求4所述的高亮度GaN基发光管的制备方法，其特征在于，制备LED芯片结构为上下电极垂直结构，具体步骤如下：

1)在蓝宝石衬底的GaN基LED外延片上的P型GaN材料上大面积蒸镀透明电极，再在透明电极上蒸镀多层反射膜；

2)在双面抛光的高掺杂Si衬底上两面均大面积制备Si衬底的欧姆接触层；

3)在步骤2)中制备好欧姆接触的Si衬底的一面和步骤1)中制备好的P型GaN涂布导电银胶，加压烘烤使导电胶固化并还原；

4)将与Si片粘结好的GaN外延片在KrF准分子激光器照射下扫描整个样品剥离蓝宝石衬底，得到N面朝上的键合在Si上的外延片；

5)刻蚀去掉N面上的低温缓冲层和低质量的非掺杂层，接着在N型GaN上光刻制备N面欧姆接触层，并在并在氮气氛下合金，得到上下电极的垂直结构的LED芯片。

7.如权利要求4所述的高亮度GaN基发光管的制备方法，其特征在于：通过模板将微结构和组织化图形压制到有机薄膜上时，首先在Si模板涂甩上对出射光没有吸收的并且折射率介于GaN基材料和空气之间的有机树脂，通过压制将Si模板上的图形转移到有机树脂上，形成具有表面微架构的有机薄膜。

8.如权利要求7所述的高亮度GaN基发光管的制备方法，其特征在于：在涂甩之前首先要对Si模板进行表面活化处理，涂甩之后再对有机树脂进行烘烤，以利于有机树脂膜的脱离。

9.如权利要求4所述的高亮度GaN基发光管的制备方法，其特征在于：步骤2)利用电子束光刻手段将设计好的可以提高出光效率的微结构图案，通过聚焦离子束刻蚀或等离子体刻蚀微加工手段在基底上刻蚀出微结构。

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