CN205790052U

CN205790052U - 一种高光萃取效率的近紫外led芯片

Info

Publication number: CN205790052U
Application number: CN201620529415.2U
Authority: CN
Inventors: 胡晓龙; 王洪; 齐赵毅; 黄华茂
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-06-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2026-06-03

Abstract

本实用新型公开一种高光萃取效率的近紫外LED芯片。LED芯片的结构从下到上依次为金属基板、电镀种子层、反射电极层、p型氮化镓层、有源层、n型氮化镓层、二维光子晶体结构和n型金属电极；所述金属基板由高导热的金属组成，金属基板为铜材料，厚度范围为80～250μm；反射电极为区域沉积于芯片中心位置，电镀种子层为整层沉积，覆盖整个反射电极以及过道区；所述电镀种子层除了起电镀种子层作用外还在于保护反射电极层的扩散，防止造成芯片漏电失效。本实用新型所设计光子晶体结构，不仅具有较宽的光子禁带，并且所制备的光子晶体的参数使得LED芯片具有较高的光萃取效率。

Description

一种高光萃取效率的近紫外LED芯片

技术领域

本实用新型涉及到半导体电子技术领域。尤其涉及一种高光萃取效率的近紫外LED芯片。

背景技术

氮化物紫外发光二极管（LED）具有功耗低、寿命长、可靠性好等优点，其市场应用潜力大。与传统的紫外光源相比，紫外LED具有效率高，寿命长，体积小、无汞污染等优点，因而可以有效替代汞灯在固化，杀菌，净化等领域的应用。一般地，将发光波长在320nm到400nm范围内的LED称为近紫外LED，其主要应用在树脂，油墨等的固化。

与商业化的蓝光LED相比，近紫外LED的发光效率仍有很大的提升空间。目前在近紫外LED的内量子效率方面的研究已经取得了较大的突破。Takakazu Kohno等人制作了三种生长在不同衬底类型上的近紫外LED外延层，通过研究三种近紫外LED变温光致发光光谱，最大的内量子效率达到68%[Japanese Journal of Applied Physics,2012,51:072102]。而由于GaN层在近紫外波段吸收较大，并且在紫外波段光提取角更小，因此，获得高光萃取效率的近紫外LED芯片结构将为尽快实现紫外LED芯片走向应用市场提供保证。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高光萃取效率的近紫外LED芯片及其制备方法。本实用新型采用Ⅲ族氮化物外延，区域性电镀金属基板，蓝宝石衬底剥离，纳米压印等制备技术相结合的方法来实现高光萃取效率的近紫外垂直结构LED芯片。

本实用新型的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种高光萃取效率的近紫外LED芯片，它的结构从下到上依次为金属基板、电镀种子层、反射电极层、 p型氮化镓层、有源层、n型氮化镓层、二维光子晶体结构和n型金属电极；

所述金属基板由高导热的金属组成，金属基板为铜材料，厚度范围为80～250μm；

所述电镀种子层为Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au，Ti/Cu，TiW/Cu中的一种，该电镀种子层完全覆盖反射电极的表面和侧面；所述电镀种子层为整层沉积；

所述反射电极是基于Ag-，Ni/Ag-，ITO/Ag-，ITO/Al-具有低欧姆接触，高反射率的电极结构；反射电极为区域沉积于芯片中心位置，电镀种子层为整层沉积，覆盖整个反射电极以及过道区；所述电镀种子层除了起电镀种子层作用外还在于保护反射电极层的扩散，防止造成芯片漏电失效。

进一步优化地，所述反射电极层为区域沉积，区域面积小于LED芯片面积。

进一步优化地，所述电镀种子层的厚度为500nm～1500nm。

进一步优化地，所述反射电极的主要材料是Ag或Al，所采用的Ag层的厚度范围为120nm～500nm，Al层厚度为300nm～800nm。

进一步优化地，所述p型氮化镓层的厚度为120nm~280nm，所述有源区的发光峰值波长为350nm到400nm。

进一步优化地，所述n型氮化镓层的厚度为500nm~800nm；所述p型氮化镓层的厚度有利于法布里（F-P）微腔效应对有源区发光进行调制。所述n型氮化镓层的厚度，一者可以降低外延层对有源区发光的吸收，另外，通过控制n型氮化镓层的厚度使得有源区具有较高的限制因子，从而增强芯片的微腔效应，提高芯片的出光。

进一步优化地，所述二维光子晶体结构为三角排列结构，所述光子晶体的高度范围为250nm到350nm，所述光子晶体周期为150nm到250nm，所述光子晶体占空比范围为0.5～0.8。

进一步优化地，所述n型金属电极可以为Cr-，Ti-，Cr/Al-, Ti/Al-结构，电极厚度为500nm～1500nm。

本实用新型制备上述的一种高光萃取效率的近紫外LED芯片的方法，包括如下步骤：

步骤一、提供第一衬底，在该衬底上利用金属有机化合物气相外延（MOCVD）技术生长氮化镓基外延层，所述氮化镓基外延层包括：成核层、未掺杂的氮化镓层、n型氮化镓层、有源区和p型氮化镓层；第一衬底为蓝宝石衬底、Si衬底或SiC衬底；

步骤二、在上述氮化镓基外延层上沉积一反射电极层；然后在整个结构层上沉积一电镀种子层；

步骤三、在上述电镀种子层上选择性地涂覆一层非导电物质，使得芯片之间的过道处都形成非导电物质；

步骤四、在上述种子层上区域选择性地生长金属基板，形成第二衬底；

步骤五、利用激光剥离或化学腐蚀或干法刻蚀技术使第一衬底与氮化镓外延层分离，漏出N极性氮化镓；

步骤六、利用化学机械抛光技术对N极性氮化镓进行减薄处理，减薄至n型氮化镓层中；

步骤七、在上述n型氮化镓层表面利用纳米压印和干法刻蚀技术在非n型电极区域制备二维光子晶体结构，该二维光子晶体结构具有光子晶体周期，光子晶体高度和光子晶体占空比；

步骤八、在N极性氮化镓表面的n型电极区域制作上n型金属电极。

进一步优化地：

步骤一中所述p型氮化镓层的厚度值为120nm到280nm；所述有源区为异质结、量子阱、量子点中的一种，且发光峰值波长范围为350nm到400nm；所述p型氮化镓层的厚度利用法布里（F-P）微腔效应对有源区发光进行增强调制；

步骤二中所述反射电极为区域沉积，区域面积小于LED芯片面积，该反射电极的反射率在350nm到400nm之间能大于80%，且与p型氮化镓层有较低的接触电阻；所述电镀种子层为整层沉积；所述反射电极为Ag基或Al基反射电极，且区域沉积能保证反射电极在后续工艺的稳定性，若整层沉积Ag基反射电极，实验中发现在后续工艺中会出现脱落现象，工艺不稳定；

步骤三中所述非导电物质为绝缘层或有机物，厚度大于60μm；选择性涂覆采用光刻或压印技术；

步骤四中所述金属基板为高导热金属基板，该金属基板具有良好的导热性和支撑性；所述金属基板只在芯片区域处生长，过道处被非导电物质阻挡不能生长；所述金属基板在电镀种子层上选择性生长，金属基板厚度大于80μm；

步骤六中所述n型氮化镓层表面具有均匀的表面，这有利于后续二维光子晶体的制备。均匀的表面通过控制化学机械抛光的条件获得；所述抛光减薄后的n型氮化镓层厚度范为500nm～800nm；

步骤七中所述二维光子晶体结构为三角排列结构，所述光子晶体的高度范围为250nm到350nm，所述光子晶体周期为150nm到250nm，所述光子晶体占空比范围为0.5～0.8。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：1、分步沉积Ag基或Al基反射电极和电镀种子层，其中反射电极为区域沉积于芯片中心位置，电镀种子层为整层沉积，覆盖整个反射电极以及过道区，能有效保障后续工艺的稳定性。如整层沉积Ag基反射电极的芯片，粘附性较差，芯片成品率低。2、通过谐振腔原理及实验结果获得合适的p型氮化镓层厚度，这能有效地提高近紫外垂直结构LED芯片的光萃取效率。3、通过化学机械抛光有效控制n型氮化镓层的厚度，从而大幅降低对紫外光的吸收，并且通过控制整个芯片外延层的厚度，从而增强芯片的微腔效应，提高器件的出光。4、本实用新型所设计光子晶体结构，不仅具有较宽的光子禁带，并且所制备的光子晶体的参数使得LED芯片具有较高的光萃取效率。

附图说明

图1为生长在蓝宝石衬底上的氮化镓基LED外延层结构。

图2为在LED外延层上制备反射电极及电镀种子层后的样品结构。

图3为区域选择性涂覆非导电物质及区域电镀金属基板后的样品结构。

图4为去除第一蓝宝石衬底后的样品结构。

图5为制备电极及表面光子晶体后的样品结构。

图6为所制备LED芯片横截面示意图。

图7为所制备LED芯片表面光子晶体结构府视图。

图8为近紫外垂直结构LED芯片的出光效率随p型氮化镓层厚度的变化曲线。

图9为近紫外垂直结构LED芯片的出光效率随n型氮化镓层厚度的变化曲线。

图10a~图10c为近紫外垂直结构LED芯片的出光效率随光子晶体晶体周期，高度及占空比的变化曲线。

图11为所采用光子晶体结构的能带示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的内容更加清晰，下面结合附图对本实用新型的内容作进一步说明。本实用新型不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本实用新型的保户范围内。

本实例的一种近紫外LED芯片包括氮化镓外延层，反射电极，电镀种子层，金属导电基板，表面二维光子晶体。所述氮化镓外延层包括n型氮化镓层、有源区和p型氮化镓层；所述p型氮化镓层的厚度值范围为120nm到280nm；所述n型氮化镓层的厚度范围为500nm到800nm；所述量子阱发光波段为350nm到400nm；所述反射电极是基于Ag-，Ni/Ag-，ITO/Ag-，ITO/Al-这些具有低欧姆接触，高反射率的电极结构。所述表面二维光子晶体为三角排列结构，光子晶体高度范围为250nm～350nm，光子晶体周期为150nm～250nm，光子晶体占空比范围为0.6～0.8，所述结构可获取较宽的光子禁带和较大的光萃取效率。

下面结合附图对本实用新型内容作进一步的说明。

[1]如图1所示，提供一蓝宝石衬底101，在该衬底上利用MOCVD外延技术依次生长氮化镓低温成核层102、u-氮化镓层103，n型氮化镓层104、量子阱有源层105和p型氮化镓层106形成氮化镓外延层。所述p型氮化镓层的厚度值为200nm；所述量子阱发光波长为375nm；

[2]在上述氮化镓外延层上采用电子束蒸发设备镀上一反射电极层201，该反射电极层用于增强垂直结构LED芯片的出光。所述反射电极为Ni/Ag/Ni/Au电极结构。所述反射电极层为区域沉积，区域面积小于LED芯片面积；所述反射电极层在375nm处的反射率大于80%，并且与p型氮化镓层有较低的接触电阻。区域沉积能保证Ag基反射电极在后续工艺的稳定性，若整层沉积Ag基反射电极，后续会出现脱落现象，工艺不稳定。

[3]利用电子束蒸发设备镀上一整层电镀种子层202。所述电镀种子层为Cr/Pt/Au，该电镀种子层完全覆盖反射电极的表面和侧面。所述电镀种子层为整层沉积。所述电镀种子层除了起电镀种子层作用外还在于保护反射电极层的扩散，防止造成芯片漏电失效。

[4]在上述电镀种子层上选择性地涂覆一种非导电物质301。该非导电物质为光刻胶，厚度为100μm。

[5]在上述结构上电镀一金属基板，该金属基板在电镀种子层上区域选择性地生长，形成第二衬底401。该金属基板具有良好的导热性和支撑性，该金属基板为金属铜。

[6]利用激光剥离技术实现蓝宝石衬底与氮化镓外延层的分离。

[7]利用化学机械抛光技术去除u-氮化镓层和n型氮化镓层，控制剩余n型氮化镓层，量子阱有源层和p型氮化镓层的总厚度在1～1.5um范围内。

[8]在上述n型氮化镓表面选择性地涂覆一种非导电物质。该非导电物质为光刻胶，厚度200～600nm范围内。

[9]利用纳米压印和ICP刻蚀技术在n型氮化镓表面制作纳米级三角排列的二维光子晶体结构501。如图6所示为ICP刻蚀后在n-GaN上形成的表面二维光子晶体结构，光子晶体高度为275nm，光子晶体周期为200nm，光子晶体占空比为0.6。如图7所示为所制备的二维光子晶体结构的俯视图。

[10]利用电子束蒸发设备在未制备光子晶体结构的n型氮化镓上制作n型电极502。

[11]如图8所示为近紫外垂直结构LED芯片的光萃取效率随p型氮化镓厚度的变化情况。从结果中可以看出随着p型氮化镓厚度增加，近紫外LED的光萃取效率呈现周期性振荡。本实用新型方案中选取p型氮化镓厚度在120到280nm的范围。此p型氮化镓层的厚度一者可以与p型金属电极形成较好的欧姆接触，另外还能使氮化镓外延层的厚度较薄，从而提高微腔效应对有源区发光的调制。本实施例中，仅选取p型氮化镓层厚度200nm的情况进行实验。

[12]如图9所示为近紫外垂直结构LED芯片的光萃取效率随n型氮化镓厚度的变化情况。本实用新型方案中，所选取的n型氮化镓的厚度范围为500nm到800nm。较厚的n型氮化镓层对有源区的发光有较大的吸收，而制备更薄的n型氮化镓层则大幅增加化学机械抛光工艺的难度。本实施例中，仅选取选取n型氮化镓厚度为600nm。

[13]如图10a~图10c所示为本实例制备近紫外垂直结构LED芯片随光子晶体周期，高度及占空比的变化。本实施例中，选取光子晶体高度为275nm，光子晶体周期为200nm，光子晶体占空比为0.6。所述的具有光子晶体结构的近紫外垂直结构LED芯片比无光子晶体结构的近紫外垂直结构LED芯片的发光效率提高40%以上。

如图11所示为采取光子晶体占空比为0.6的TE模的能带示意图。从图中可以看出，所选取的光子晶体结构有较宽的光子禁带。

Claims

1.一种高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于它的结构从下到上依次为金属基板、电镀种子层、反射电极层、 p型氮化镓层、有源层、n型氮化镓层、二维光子晶体结构和n型金属电极；

所述反射电极是基于Ag-，Ni/Ag-，ITO/Ag-，ITO/Al-具有低欧姆接触，高反射率的电极结构；反射电极为区域沉积于芯片中心位置，电镀种子层为整层沉积，覆盖整个反射电极以及过道区。

2.根据权利要求1所述的一种高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述反射电极层为区域沉积，区域面积小于LED芯片面积。

3.根据权利要求1所述的一种高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述电镀种子层的厚度为500nm～1500nm。

4.根据权利要求1所述的一种高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述反射电极采用的Ag层的厚度范围为120nm～500nm，Al层厚度为300nm～800nm。

5.根据权利要求1所述的一种高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述p型氮化镓层的厚度为120nm~280nm，所述有源区的发光峰值波长为350nm到400nm。

6.根据权利要求1所述的一种高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述n型氮化镓层的厚度为500nm~800nm。

7.根据权利要求1所述的一种高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述二维光子晶体结构为三角排列结构，所述光子晶体的高度范围为250nm到350nm，所述光子晶体周期为150nm到250nm，所述光子晶体占空比范围为0.5～0.8。

8.根据权利要求1所述的一种高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述n型金属电极可以为Cr-，Ti-，Cr/Al-, Ti/Al-结构，电极厚度为500nm～1500nm。