CN202205811U

CN202205811U - 一种薄膜倒装光子晶体led芯片

Info

Publication number: CN202205811U
Application number: CN2011203439667U
Authority: CN
Inventors: 兰红波; 丁玉成
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2021-09-14

Abstract

本实用新型公开了一种薄膜倒装光子晶体LED芯片，它包括一个基板，基板之上设有薄膜倒装的LED芯片，基板和薄膜倒装的LED芯片之间通过焊料连接；所述基板包括散热基座和在其上设有的彼此独立的金属层I、II，所述薄膜倒装的LED芯片是，在包含有光子晶体结构的N型半导体层下表面的一个区域自上向下依次设有发光层、P型半导体层、金属反射层、P型欧姆接触电极，其中P型欧姆接触电极通过焊料与金属层I连接，在下表面的另一个区域设有N型欧姆接触电极、N型欧姆接触电极通过焊料与金属层II连接。本实用新型有效的提高出光效率、降低外延片位错密度、减小热阻，改善散热性能。

Description

一种薄膜倒装光子晶体LED芯片

技术领域

本实用新型涉及一种大功率高亮度发光二极管(LED)芯片，尤其涉及一种薄膜倒装光子晶体LED芯片

背景技术

大功率、高亮度LED已经被应用于汽车照明、室内外通用照明、LCD背光照明光源等等众多领域，随着功率和亮度的不断提高，成本的不断降低，LED最终将会取代现有的通用照明光源，成为新一代绿色光源。但是目前LED仍面临以下挑战性技术难题：(1)发光效率低；(2)功率低；(3)成本高，这严重影响和制约LED进入通用照明和更加广泛的应用和市场的推广和普及。因此，增加发光效率，提高亮度和功率，降低成本已经成为目前LED行业迫切亟需解决和克服的技术难题。

目前LED芯片的结构形式主要有四种：(1)传统正装(横向结构)；(2)倒装(Flip Chip)；(3)垂直结构(垂直薄膜Vertical Thin Film)；(4)薄膜倒装(Thin film Flip Chip)。与其它三种结构相比，薄膜倒装结构具有以下显著的优点：(1)更大的出光面积(没有电极的遮光)；(2)易于实现LED模组(LED阵列)；(3)好的散热特性。此外，为了进一步提高光提取效率，降低外延片的位错密度(提高外延片质量)，光子晶体技术(Photonic Crystal)和纳尺寸图形化蓝宝石衬底技术(Nano Patterned Sapphire Substrate，NPSS)已经成为目前提高取光效率和改进外延片质量最为有效的技术手段。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种薄膜倒装光子晶体LED芯片。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

一种薄膜倒装光子晶体LED芯片，包括：一个基板，基板之上设有薄膜倒装的LED芯片，基板和薄膜倒装的LED芯片之间通过焊料连接；所述基板包括散热基座和在其上设有的彼此独立的金属层I、II，所述薄膜倒装的LED芯片是，在包含有光子晶体结构的N型半导体层下表面上的一个区域，自上向下依次设有发光层、P型半导体层、金属反射层、P型欧姆接触电极，所述P型欧姆接触电极通过焊料与金属层I连接；在下表面上的另一个区域，设有N型欧姆接触电极、所述N型欧姆接触电极通过焊料与金属层II连接。

所述N型半导体层上的光子晶体结构包括周期结构光子晶体和非周期结构准光子晶体结构；所述光子晶体的几何参数：纳米孔的尺寸100-200nm，晶格常数300-700nm，光子晶体的高度50nm-150nm。

所述基板中散热基座的材料为陶瓷、铝、硅、铬、铜、铜合金中的一种。其上的金属层I或II为Cu、Ti/Al、Ti/Au、Ni/Au或Cr/Au中的任意一种。

所述P型欧姆接触电极为Ti/Au、Ni/Au或Cr/Au的任意一种，厚度100nm-400nm；N型欧姆接触电极为Ti/Al、Ti/Au、Cr/Au或Ti/AI/Ti/Au的任意一种，厚度100-400nm；

所述金属反射层为Al、Ag中的任意一种。

本实用新型适用于III-V族、II-IV族、III族氮化物半导体发光材料体系发光二极管的制造，尤其适用于蓝宝石衬底氮化镓(GaN)基蓝光发光二极管的制造。

所述发光层包括多层量子阱结构、双异质结结构、多层量子点结构或多层量子线，其厚度是50mm-200nm。

一种薄膜倒装光子晶体LED芯片制造方法，包括如下工艺步骤：

(1)具有光子晶体结构图形化衬底的制造；

(2)外延片制造；

(3)LED芯片的制造；

(4)基板的制造；

(5)LED芯片与基板倒装焊；

(6)剥离LED芯片上的图形化衬底。

所述具有光子晶体结构图形化衬底的制造方法：

A)首先，在衬底上沉积氮化硅、二氧化硅、镍中之一作为硬掩模层；

B)随后，采用纳米压印、激光干涉光刻纳米制造技术在硬掩模层之上的抗蚀剂上生成纳米孔或者纳米柱光子晶体结构；

C)接着，以抗蚀剂为掩模层，采用感应耦合等离子体刻蚀工艺，即ICP，将抗蚀剂上的图形转移到硬的掩模层；

D)然后以硬的掩模层为掩模，采用ICP将纳米图形转移到衬底之上；

E)最后，去除抗蚀剂和硬的掩模层，并清洗衬底，去除衬底表面的污物和氧化物，制造出包含光子晶体结构图形化衬底。

所述LED芯片的制造方法：

a)首先采用光刻、刻蚀、电子束蒸发的方法制造N型欧姆接触电极；

b)随后，在P型半导体层上沉积50-150nm的金属反射层；

c)最后，采用电子束蒸发的方法在金属反射层之上制作出P型欧姆接触电极。

所述剥离LED芯片上的图形化衬底的方法：采用激光剥离工艺(LaserLift-Off，LLO)、化学去除或者机械研磨的一种方法去除LED芯片上的图形化衬底。

所述LED芯片与散热基板的倒装焊接采用共晶键合或熔融键合。

所述外延片制造的方法：采用金属有机化学沉积外延(MOCVD)工艺在图形化衬底上依次生长N型半导体层、发光层、P型半导体层。

为了提高LED的光提取效率和功率，本实用新型综合采用以下技术方案：

(1)提高光提取效率：引入光子晶体结构和反射层结构；

(2)增大出光面积：采用倒装结构；

(3)提高外延片质量，图形化衬底降低外延片的位错密度；

(4)改善散热性能：通过采用衬底剥离和倒装焊结构，降低热阻，有效改善散热特性，间接提高取光效率，并有效提高其功率。

为了降低薄膜倒装光子晶体LED芯片的生产成本，本实用新型采用以下技术方案：

(1)结合纳米压印光刻和等离子体刻蚀的方法实现衬底的图形化，在其上形成光子晶体结构；

(2)通过采用激光剥离、化学去除或者机械研磨的方法剥离LED芯片上的图形化衬底。

本实用新型外延片在制造过程中使用的衬底包括：蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)。

本实用新型的优点是：

1)充分结合光子晶体、纳尺寸图形化衬底、薄膜倒装工艺的优点，有效的提高出光效率、降低外延片位错密度、减小热阻，改善散热性能，提供了一种实现高亮度、大功率LED芯片的方法。

2)本实用新型一方面避免传统表面光子晶体LED对于发光层的损伤，不便于制造电极，以及影响LED电学特性的不足；另一方面，还有效的结合了纳图形化衬底(NPS)以及表面光子晶体LED的优点。

3)本实用新型易于实现LED模组(阵列)。

4)本实用新型提供薄膜倒装光子晶体LED芯片制造工艺，具有生产成本低、高效、适合大规模化制造的特点。

5)本实用新型制作的发光二极管具有亮度高、功率大、远场照度均匀、发光均匀一致、出光效率高、散热性能好(热阻低)、制造成本低。

6)本实用新型同时解决LED芯片的提高取光效率和高效散热的问题，为功率型高亮度LED的开发提供一种一体化的解决方案。

附图说明

图1是本实用新型一种薄膜倒装光子晶体LED芯片结构示意图。

图2是本实用新型一种薄膜倒装光子晶体LED芯片制造工艺步骤图。

图3是本实用新型的实施例薄膜倒装光子晶体GaN基发光二极管芯片结构示意图。

图4A-图4C是本实用新型实施例薄膜倒装光子晶体GaN基发光二极管芯片制造工艺示意图。

图5A-图5E是本实用新型实施例采用纳米压印和等离子体刻蚀(ICP)工艺在蓝宝石衬底上制作光子晶体结构工艺示意图。

图6是本实用新型实施例基于图形化蓝宝石衬底制作完成的LED芯片结构示意图。

其中1.基板，2.LED芯片，3.焊料，102.金属层I，103金属层II，101.散热基座，207.光子晶体结构，206.N型半导体层，205.发光层，204.P型半导体层，203.金属反射层，202.N型欧姆接触电极，201.P型欧姆接触电极，501.蓝宝石衬底，502.氮化硅，503.抗蚀剂，504.纳尺度的图形。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

图1为薄膜倒装光子晶体LED芯片结构示意图，主要由基板1，基板1之上的薄膜倒装的LED芯片2，连接基板1和薄膜倒装的LED芯片2的焊料3三部分组成。基板1包括在其上设有的彼此独立的金属层I 102和金属层II 103以及散热基座101，金属层I 102和金属层II 103可以为同种材料或者不同的材料，薄膜倒装的LED芯片2：在具有光子晶体结构207的N型半导体层206下表面的一个区域上、自上向下依次为发光层205、P型半导体层204、金属反射层203、P型欧姆接触电极201。所述P型欧姆接触电极201通过焊料3与金属层I 102连接；在下表面上的另一个区域，设有N型欧姆接触电极202、所述N型欧姆接触电极202通过焊料3与金属层II 103连接。

图2为薄膜倒装光子晶体LED芯片制造工艺步骤，包括：

(1)具有光子晶体结构图形化衬底的制造；

(2)外延片制造；

(3)LED芯片2的制造；

(4)基板1的制造；

(5)LED芯片2与基板1通过焊料3倒装焊；

(6)剥离LED芯片2上的图形化衬底。

实施例

图3中，以硅为散热基板的散热基座101，其上的金属层是Ni/Au，其中金属层I 102Ni/Au与金属层II 103Ni/Au相互隔离，金属层I 102与P型欧姆接触电极201通过焊料3的焊点相连，金属层II103与N型欧姆接触电极202通过焊料3的焊点相连，102的面积大于103；焊料3是铅锡焊料63Sn/37Pb，利用熔焊方式通过焊料3将LED芯片的N型欧姆接触电极202和P型欧姆接触电极201与散热基板上的103和102金属层相粘结，实现导电和导热双重功能；薄膜倒装的LED芯片2自上向下设有：光子晶体结构207为纳米孔空气柱结构，N-GaN为N型半导体层206、5层InGaN/GaN多量子阱(MQW)发光层205、P-GaN的P型半导体层204、Ag为金属反射层203、Cr/Au的P型欧姆接触电极201。同时还设有Ti/AI/Ti/Au的N型欧姆接触电极202。

本实施例的制造方法：

图4A-图4C是本实用新型实施例薄膜倒装光子晶体GaN基发光二极管芯片制造工艺示意图，具体工艺步骤如下：

1)具有光子晶体结构图形化衬底的制造

本实施例LED外延片的生长采用蓝宝石衬底501，首先需要图形化蓝宝石衬底501，在其上形成纳尺度的图形504(光子晶体结构)，本实施例所形成的纳米图形为纳米圆孔，孔的直径150nm，周期为450nm，高度100nm，晶格类型为三角形晶格，光子晶体的结构为空气柱。

图5A-图5E是采用纳米压印和等离子体刻蚀(ICP)工艺在蓝宝石衬底501上制作光子晶体结构工艺示意图，纳尺寸的图形化蓝宝石衬底501的具体工艺步骤包括：

(a)沉积硬掩模层

图5A是，采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)在蓝宝石衬底501上沉积20nm-100nm的氮化硅502(Si₃Ni₄)或者二氧化硅(SiO₂)；本实施例沉积20nm的氮化硅502。

(b)在抗蚀剂上压印纳米图形

图5B是，首先，在氮化硅之上旋涂150nmUV纳米压印所用的抗蚀剂503；随后，具有光子晶体结构的压印模具与蓝宝石衬底501对正后，压向抗蚀剂，实现模具上的纳尺度的图形504结构到抗蚀剂503上的转移；最后，采用反应离子刻蚀工艺去除残留层。在抗蚀剂上503制作出纳尺度的图形504。

(c)抗蚀剂503图形转移到硬掩模层

图5C是，以抗蚀剂503为掩模层，采用感应耦合等离子体反应刻蚀工艺，将抗蚀剂503上图形转移到硬掩模层氮化硅502上。

(d)硬掩模层图形转移到蓝宝石衬底501

图5D是，以硬掩模层氮化硅502为掩模，采用等离子体反应刻蚀工艺，将硬掩模层502图形转移到蓝宝石衬底501上。

(e)去除抗蚀剂503和硬掩模层氮化硅502

图5E，去除抗蚀剂503和硬掩模层氮化硅502，，并清洗蓝宝石衬底501。

2)LED外延片制造

采用金属有机化学沉积外延(MOCVD)工艺在图形化蓝宝石衬底501之上依次生长2μm的N-GaN的N型半导体层206、InGaN/GaN 5层共70nm的量子阱发光层205，200nm的P-GaN的P型半导体层204。

3)LED芯片2的制作

图6是，以Cr/Au为P型欧姆接触电极201，Ti/AI/Ti/Au为N型欧姆接触电极202。首先采用光刻、刻蚀、电子束蒸发的方法制造N型欧姆接触电极202，电极厚度是300nm；随后，在P-GaN的P型半导体层204之上沉积100nm的Ag金属反射层203；最后，采用电子束蒸发的方法在Ag金属反射层203之上沉积200nm的Cr/Au，制作出P型欧姆接触电极201。

4)基板1的制造

以硅为散热基板的散热基座101，首先在101之上沉积400nm的金属层Ni/Au；随后，光刻和刻蚀工艺将与金属层I 102Ni/Au与金属层Ni/Au103相互隔开。

5)LED芯片2与散热基板1倒装焊

图4A，是LED芯片2与散热基板1倒装焊后的结构，以铅锡焊料63Sn/37Pb为焊料3，采用倒装焊工艺(熔融键合)将LED芯片2与散热基板1相粘结，其中P型欧姆接触电极201与金属层Ni/Au102相对，N型欧姆接触电极202和金属层I 103Ni/Au相对。

6)剥离LED芯片2上的图形化衬底

图4B是，激光剥离工艺(Laser Lift-Off，缩写LLO)去除LED芯片2原有的蓝宝石衬底501。

图4C是，薄膜倒装光子晶体GaN基发光二极管芯片的结构。

LED芯片与散热基板1的焊接采用共晶键合或熔融键合。

除了纳米压印工艺外，图形化衬底还可以使用激光干涉光刻、纳米球珠光刻、光学光刻、电子束光刻、阳极氧化铝模板(AAO)、嵌段共聚物自组装等纳米制造方法。

图形化衬底制造过程中，除了采用空气柱光子晶体结构外，也可以采用介质柱光子晶体结构。

另外，本领域技术人员还可在本实用新型精神内做其它变化。当然，这些依据本实用新型精神所作的变化，都应包含在本实用新型所要求保护的范围内。

Claims

1.一种薄膜倒装光子晶体LED芯片，其特征在于，包括：一个基板，基板之上设有薄膜倒装的LED芯片，基板和薄膜倒装的LED芯片之间通过焊料连接；所述基板包括散热基座和在其上设有的彼此独立的金属层I、II，所述薄膜倒装的LED芯片是，在包含有光子晶体结构的N型半导体层下表面上的一个区域，自上向下依次设有发光层、P型半导体层、金属反射层、P型欧姆接触电极，所述P型欧姆接触电极与金属层I连接；在下表面上的另一个区域，设有N型欧姆接触电极、所述N型欧姆接触电极与金属层II连接。

2.如权利要求1所述的薄膜倒装光子晶体LED芯片，其特征在于，所述N型半导体层上的光子晶体结构包括周期结构光子晶体和/或非周期结构准光子晶体结构；所述光子晶体的几何参数：纳米孔的尺寸100-200nm，晶格常数300-700nm，光子晶体的高度50nm-150nm。

3.如权利要求1所述的薄膜倒装光子晶体LED芯片，其特征在于，所述基板中包括散热基座，其材料为陶瓷、铝、硅、铬、铜、铜合金中的一种。

4.如权利要求1所述的薄膜倒装光子晶体LED芯片，其特征在于，所述P型欧姆接触电极为Ti/Au、Ni/Au或Cr/Au的任意一种，厚度100nm-400nm；N型欧姆接触电极为Ti/Al、Ti/Au、Cr/Au或Ti/AI/Ti/Au的任意一种，厚度100-400nm；所述金属反射层为Al、Ag中的任意一种。

5.如权利要求1所述的薄膜倒装光子晶体LED芯片，其特征在于，所述发光层包括多层量子阱结构、双异质结结构、多层量子点结构或多层量子线，其厚度是50mm-200nm。