專利名稱：一種大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一類GaN基發(fā)光管及 其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵的突破和藍(lán)、綠、白光發(fā)光二極管的問世，繼半導(dǎo)體 技術(shù)引發(fā)微電子革命之后，又在孕育一場新的產(chǎn)業(yè)革命——照明革命，其標(biāo)志是半導(dǎo)體燈 將逐步替代白熾燈和熒光燈。由于半導(dǎo)體照明(亦稱固態(tài)照明)具有節(jié)能、長壽命、免維護(hù)、 環(huán)保等優(yōu)點，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，如同晶體管替代電子管一樣，半導(dǎo)體燈替代傳統(tǒng)的白熾燈和熒 光燈，也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然和大勢所趨。目前用于半導(dǎo)體照明的發(fā)光管(LED)主要是 GaN材料系，大多數(shù)的GaNLED是在Al2O3單晶襯底上外延生長多層GaN系材料薄膜制備的。 但是由于Al2O3單晶不導(dǎo)電，所以這種LED只能作成同面電極結(jié)構(gòu)，即正負(fù)電極都在外延層 一面，電流是在n-GaN薄層中橫向流動的，電流密度大，會產(chǎn)生熱量，而Al2O3單晶襯底的導(dǎo) 熱特性也不好，這樣這種同面電極Al2O3單晶襯底結(jié)構(gòu)LED很難獲得大功率輸出。于是人 們提出制備垂直結(jié)構(gòu)LED。X. A. Cao等人在文獻(xiàn)“APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 85， NUMBER 18，2004，p3971”就報道了研制的一種垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管。這種器件如圖1所示，由η 型GaN單晶襯底1，襯底1上外延生長的η型GaN緩沖層和下限制層2，下限制層2上制備 的GaN材料系多量子阱發(fā)光層3，發(fā)光層3上制備的ρ型GaN上限制層4，上限制層4上面 制備的InGaN蓋層5，蓋層5上面制備的上電極6，襯底1下面制備的下電極7等部件構(gòu)成。由于目前制備的GaN單晶襯底價格昂貴，且沒有大批量產(chǎn)業(yè)化，造成制備的LED成 本高。人們又把目光投向到單晶襯底制備技術(shù)比較成熟，已經(jīng)有大批量產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品的SiC 單晶襯底上，制備了一些SiC襯底發(fā)光管。SiC襯底價格適中，同時SiC晶格和GaN匹配較好，且SiC單晶襯底導(dǎo)電和導(dǎo)熱性 能都比較好。可是，由于SiC材料折射率較大，有源區(qū)發(fā)出的光大部分被襯底吸收，因而出 光率低。為了克服上述GaN基發(fā)光管產(chǎn)業(yè)化制備的這一困難，本發(fā)明提出一種新型大功率 SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管及其制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決上述GaN基發(fā)光管的這一問題，利用SiC襯底晶格和GaN 匹配較好，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都比較好，且制備技術(shù)比較成熟，已經(jīng)有大批量產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品， 同時價格適中的優(yōu)點，提供一種新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明所設(shè)計的一種新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管(見附圖2和附圖說 明)，依次由襯底1、襯底1上外延生長的η型GaN緩沖層和下限制層2、下限制層2上制備 的GaN材料系多量子阱發(fā)光層3、發(fā)光層3上制備的ρ型GaN上限制層4、上限制層4上面制備的P型InGaN蓋層5、蓋層5上面制備的上電極6、襯底1下面制備的下電極7構(gòu)成，其 特征在于襯底1是η型SiC單晶襯底，其80% 95%面積的襯底面(即出光面)被噴砂 打毛粗化，電極7被制備在其余5% 20%面積的襯底1上，上電極6全部覆蓋在蓋層5上 面，并制備成兼有反射鏡功能。該種發(fā)光管為倒裝(即外延層面向下，裝配焊接在支架或熱沉上)，襯底出光結(jié) 構(gòu)，出光方向如箭頭9所示。。進(jìn)一步地為了使器件工藝重復(fù)性好，本發(fā)明又提出一種圖形襯底新型大功率SiC 襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管(見附圖3和


)，依次由襯底1、襯底1上外延生長的η型GaN 緩沖層和下限制層2、下限制層2上制備的GaN材料系多量子阱發(fā)光層3、發(fā)光層3上制備 的ρ型GaN上限制層4、上限制層4上面制備的ρ型InGaN蓋層5、蓋層5上面制備的上電 極6、襯底1下面制備的下電極7構(gòu)成，其特征在于襯底1是η型SiC單晶襯底，其80% 95%面積的襯底面(即出光面)被制備成圖形化襯底，電極7被制備在其余5% 20%面 積的襯底1上，上電極6全部覆蓋在蓋層5上面，并制備成兼有反射鏡功能。進(jìn)一步地為了減緩SiC材料折射率較大影響出光率問題，本發(fā)明又提出一種襯底 涂覆透明介質(zhì)薄膜新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管(見附圖4和

)，依次由 襯底1、襯底1上外延生長的η型GaN緩沖層和下限制層2、下限制層2上制備的GaN材料 系多量子阱發(fā)光層3、發(fā)光層3上制備的ρ型GaN上限制層4、上限制層4上面制備的ρ型 InGaN蓋層5、蓋層5上面制備的上電極6、襯底1下面制備的下電極7構(gòu)成，其特征在于 襯底1是η型SiC單晶襯底，其80% 95%面積的襯底面(即出光面)被噴砂打毛粗化或 被制備成圖形化襯底，再在噴砂打毛粗化或圖形化襯底的表面涂覆一層折射率介于SiC材 料折射率和空氣折射率之間的透明介質(zhì)薄膜8，其厚度為50納米 3微米，或涂覆一層摻有 黃光熒光粉(摻雜的質(zhì)量濃度為2 30% )的透明介質(zhì)薄膜8，電極7被制備在其余5% 20%面積的襯底1上，上電極6全部覆蓋在蓋層5上面，并制備成兼有反射鏡功能。前面所述的發(fā)光管的制備方法，其步驟如下Α、采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法在襯底1上依次制備η型GaN緩沖層和下限 制層2、GaN材料系多量子阱發(fā)光層3、ρ型GaN上限制層4、ρ型InGaN蓋層5 ；各層材料的 厚度、摻雜粒子的種類及摻雜粒子的濃度均可采用常規(guī)技術(shù)；B、在ρ型InGaN蓋層5的上面制備上電極6，上電極6的材料為Au、Ni_Au、Ti_Au、 Zn-Au, Pt-Au, Ti-Pt-Au, Ti-Ni-Au或Ni_Pt_Au，上電極6采用熱蒸鍍、電子束蒸鍍或磁控 激射方法制備；C、將襯底1減薄至80 150微米，接著對襯底1的襯底面采用噴砂機(jī)噴砂打毛的 方法進(jìn)行粗化，或?qū)⒁r底面制備成圖形化襯底；襯底的圖形化可采用光刻以及感應(yīng)離子刻 蝕機(jī)進(jìn)行干法刻蝕制備，其圖形可以是凸出的三棱錐形(見圖幻、三棱臺形(見圖6)、四棱 錐形(見圖7)、四棱臺形(見圖8)、圓錐形(見圖9)、圓臺形(見圖10)或半球形(見圖 11)，其圖形也可以是與前面結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的、凹下的三棱錐形、三棱臺形、四棱錐形、四棱臺形、 圓錐形、圓臺形或半球形結(jié)構(gòu)；D、采用熱蒸鍍、電子束蒸鍍、化學(xué)氣相沉積(CVD)、磁控激射或涂覆的方法在粗化 或圖形化的襯底1上制備一層透明介質(zhì)薄膜8，透明介質(zhì)薄膜8的材料可以是Si02、ZrO2, Ti02、Ta205、Hf02等介質(zhì)薄膜；進(jìn)一步為摻有黃光熒光粉的透明介質(zhì)薄膜8，襯底發(fā)出的藍(lán)光
5就可以直接激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光了；E、采用光刻工藝刻蝕去掉襯底5 20%面積上的透明介質(zhì)薄膜8，從而露出襯 底1，再在這一露出的襯底1上采用光刻膠剝離工藝蒸鍍下電極7，下電極7材料可用Au、 Ni-Au、Ti-Au、Si-Au 或 Pt-Au 等二元合金材料，也可以用 Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au 或 Ni-Pt-Au 等三元合金材料，蒸鍍下電極的方法可采用熱蒸鍍、電子束蒸鍍或磁控激射方法制備；F、最后，進(jìn)行劃片，制備成邊長200微米 3毫米方形的管芯，然后將管芯倒裝，即 將上電極6焊接在熱沉或支架上，便制備得到發(fā)光管。本發(fā)明的效果和益處本發(fā)明可以克服Al2O3單晶不導(dǎo)電，散熱不好的缺點；可以規(guī)避GaN單晶襯底價格 昂貴問題；同時可以克服SiC材料折射率較大，有源區(qū)發(fā)出的光大部分被襯底吸收，出光率 低的問題，提高發(fā)光管的輸出功率和亮度。

圖1 :GaN單晶襯底GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 圖形襯底新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管結(jié)構(gòu)示意圖；圖4 襯底涂覆透明介質(zhì)薄膜新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管結(jié)構(gòu)示意圖；圖5 三棱錐形襯底結(jié)構(gòu)示意圖；圖6 三棱臺形襯底結(jié)構(gòu)示意圖；圖7 四棱錐形襯底結(jié)構(gòu)示意圖；圖8 四棱臺形襯底結(jié)構(gòu)示意圖；圖9 圓錐形襯底結(jié)構(gòu)示意圖；圖10 圓臺形襯底結(jié)構(gòu)示意圖；圖11 半球形襯底結(jié)構(gòu)示意圖。圖中部件1為襯底，2為η型GaN緩沖層和下限制層，3為GaN材料系多量子阱發(fā) 光層，4為ρ型GaN上限制層，5為ρ型InGaN蓋層，6為上電極，7為下電極，8為透明介質(zhì)薄 膜，9為出光方向箭頭。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施例和實施工藝。實施例1 新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管。這種新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管 結(jié)構(gòu)見附圖2，依次由襯底1、襯底1上外延生長的η型GaN緩沖層和下限制層2、下限制層 2上制備的GaN材料系多量子阱發(fā)光層3、發(fā)光層3上制備的ρ型GaN上限制層4、上限制 層4上面制備的ρ型InGaN蓋層5、蓋層5上面制備的上電極6、襯底1下面制備的下電極 7構(gòu)成，其特征在于襯底1是其襯底面即出光面的80 95%面積被噴砂打毛粗化的SiC 單晶襯底，電極7只是覆蓋在其余5% 20%面積的襯底面上，上電極6全部覆蓋在蓋層5 上面，并制備成兼有反射鏡功能。其制備過程為，以η型SiC單晶片為襯底1，厚度一般為300 500微米，用目前成熟的常規(guī)MOCVD工藝在襯底1上生長1 10微米的η型(如摻Si) GaN緩沖層和下限制 層2，載流子濃度為IOw 102°/cm3，然后生長非摻雜的GaN材料系多量子阱發(fā)光層3，其厚 度和結(jié)構(gòu)采用常規(guī)技術(shù)，再生長0. 2 2微米的ρ型GaN上限制層4，載流子濃度為IO17 IO1Vcm3,再生長0. 02 0. 5微米的ρ型InGaN蓋層5 ；外延片制備好后，蒸鍍上電極6，蒸鍍 的金屬選用Ni-Au，由于金屬Ni具有較好的反光特性，上電極6又可以起到反射鏡的作用； 然后將襯底1減薄至80 150微米，再將襯底用干式噴砂機(jī)噴砂打毛，干式噴砂機(jī)選用的 是上海施勇機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SY-6050E型噴砂機(jī)，噴砂的磨料選用180 320目的 金剛砂磨料；噴砂打毛后蒸鍍下電極7，用光刻或光刻膠剝離工藝將下電極7大部分去掉， 以便出光，下電極7保留襯底的5 20%的區(qū)域即可，下電極7用Ti-Ni-Au三元合金材料 或分三層蒸鍍。然后劃片，制備成邊長200微米 3毫米方形的管芯，然后將管芯倒裝，即 將上電極6焊接在熱沉或支架上，便制備得到發(fā)光管。實施例2 圖形襯底新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管。這種圖形襯底新型大功率SiC襯 底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管結(jié)構(gòu)見附圖3，其特征在于襯底1是其襯底面即出光面的80 95%的 面積被制備成圖形化襯底的SiC單晶襯底，電極7只是覆蓋其余5% 20%面積的襯底面 上，上電極6全部覆蓋在蓋層5上面，并制備成兼有反射鏡功能。其制備過程中的外延片生長，上電極6的制備，襯底減薄工藝及其下電極7制備工 藝同實施例1 ；同實施例1不同的工藝是襯底減薄后用常規(guī)光刻和感應(yīng)離子刻蝕工藝進(jìn)行 干法刻蝕出圖形結(jié)構(gòu)，初步實驗所用采用的光刻膠為BP212正性光刻膠，所用光刻膠為勞 動二型光刻機(jī)，采用的感應(yīng)離子刻蝕設(shè)備的型號為oxford plasma IablOO ICP，采用的的 圖形是如圖8所示的四棱臺形，圖形的尺寸為底邊長2 5微米，刻蝕深度為0. 2 1微米。 然后劃片，制備成邊長200微米 3毫米方形的管芯，然后將管芯倒裝，即將上電極6焊接 在熱沉或支架上，便制備得到發(fā)光管。
權(quán)利要求
1.一種大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管，依次由襯底(1)、襯底(1)上外延生長的η型 GaN緩沖層和下限制層O)、下限制層( 上制備的GaN材料系多量子阱發(fā)光層(3)、發(fā)光 層(3)上制備的ρ型GaN上限制層(4)、上限制層(4)上面制備的ρ型InGaN蓋層(5)、蓋 層(5)上面制備的上電極(6)、襯底(1)下面制備的下電極(7)構(gòu)成，其特征在于襯底(1) 是η型SiC單晶襯底，其80% 95%面積的襯底面被噴砂打毛粗化，電極(7)被制備在其 余5% 20%面積的襯底(1)上，上電極(6)全部覆蓋在蓋層( 上面，并制備成兼有反射 鏡功能。
2.如權(quán)利要求1所述的一種圖形襯底新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管，其特征在 于再在噴砂打毛粗化的襯底表面涂覆一層折射率介于SiC材料折射率和空氣折射率之間 的透明介質(zhì)薄膜(8)，其厚度為50納米 3微米，或在噴砂打毛粗化的襯底表面涂覆一層摻 雜的質(zhì)量濃度為2 30%的摻有黃光熒光粉的透明介質(zhì)薄膜(8)，透明介質(zhì)薄膜8的材料 是 SiO2、ZrO2、TiO2、Ta2O5 或 HfO2。
3.一種圖形襯底新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管，依次由襯底(1)、襯底(1)上外 延生長的η型GaN緩沖層和下限制層O)、下限制層( 上制備的GaN材料系多量子阱發(fā)光 層(3)、發(fā)光層( 上制備的ρ型GaN上限制層0)、上限制層(4)上面制備的ρ型hGaN 蓋層(5)、蓋層( 上面制備的上電極(6)、襯底(1)下面制備的下電極(7)構(gòu)成，其特征在 于襯底(1)是η型SiC單晶襯底，其80% 95%面積的襯底面被制備成圖形化襯底，電極 (7)被制備在其余5% 20%面積的襯底(1)上，上電極(6)全部覆蓋在蓋層( 上面，并 制備成兼有反射鏡功能。
4.如權(quán)利要求3所述的一種圖形襯底新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管，其特征在 于再在圖形化的襯底表面涂覆一層折射率介于SiC材料折射率和空氣折射率之間的透明 介質(zhì)薄膜(8)，其厚度為50納米 3微米，或在圖形化的襯底表面涂覆一層摻雜的質(zhì)量濃度 為2 30%的摻有黃光熒光粉的透明介質(zhì)薄膜(8)，透明介質(zhì)薄膜8的材料是Si02、ZrO2, T i O2、Tei2O5 或 HfO2。
5.如權(quán)利要求3或4所述的一種圖形襯底新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管，其特 征在于圖形化的襯底其圖形是凸出的三棱錐形、三棱臺形、四棱錐形、四棱臺形、圓錐形、 圓臺形或半球形。
6.如權(quán)利要求3或4所述的一種圖形襯底新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管，其特 征在于圖形化的襯底其圖形是凹下的三棱錐形、三棱臺形、四棱錐形、四棱臺形、圓錐形、 圓臺形或半球形。
7.權(quán)利要求1 4任何一項所述的一種新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管制備方 法，其步驟如下A.采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積方法在襯底(1)上依次制備η型GaN緩沖層和下限制 層⑵、GaN材料系多量子阱發(fā)光層(3)、ρ型GaN上限制層、ρ型InGaN蓋層(5)；B.在ρ型^iGaN蓋層(5)的上面制備上電極(6)，上電極(6)的材料為Au、Ni_Au、 Ti-Au, Zn-Au, Pt-Au, Ti-Pt-Au, Ti-Ni-Au 或 Ni_Pt_Au，上電極(6)采用熱蒸鍍、電子束蒸 鍍或磁控激射方法制備；C.將襯底(1)減薄至80 150微米，接著對襯底(1)的襯底面采用噴砂機(jī)噴砂打毛 的方法進(jìn)行粗化，或?qū)⒁r底面制備成圖形化襯底，其圖形是凸出的三棱錐形、凸出的三棱臺形、凸出的四棱錐形、凸出的四棱臺形、凸出的圓錐形、凸出的圓臺形、凸出的半球形、凹下 的三棱錐形、凹下的三棱臺形、凹下的四棱錐形、凹下的四棱臺形、凹下的圓錐形、凹下的圓 臺形或凹下的半球形結(jié)構(gòu)；D.采用熱蒸鍍、電子束蒸鍍、化學(xué)氣相沉積、磁控激射或涂覆的方法在粗化或圖形化的 襯底(1)上制備一層透明介質(zhì)薄膜(8)或是摻雜的質(zhì)量濃度為2 30%的摻有黃光熒光粉 的透明介質(zhì)薄膜⑶，透明介質(zhì)薄膜8的材料是Si02、ZrO2, TiO2, Ta2O5或HfO2 ；E.采用光刻工藝刻蝕去掉襯底5 20%面積上的透明介質(zhì)薄膜(8)，從而露出襯底 (1)，再在這一露出的襯底(1)上采用光刻膠剝離工藝蒸鍍下電極(7)，下電極(7)的材料是 Au、Ni-Au、Ti-Au、Zn-AuPt-Au、Ti-Pt-Au、Ti-Ni-Au 或 Ni-Pt-Au，蒸鍍下電極的方法是熱蒸 鍍、電子束蒸鍍或磁控激射方法；F.最后，進(jìn)行劃片，制備成邊長200微米 3毫米方形的管芯，然后將管芯倒裝，即將上 電極(6)焊接在熱沉或支架上，便制備得到發(fā)光管。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一類GaN基發(fā)光管及其制備方法。器件由襯底、襯底上外延生長的n型GaN緩沖層和下限制層2、GaN材料系多量子阱發(fā)光層3、p型GaN上限制層4、p型InGaN蓋層5、上電極6、下電極7構(gòu)成，特征在于襯底是n型SiC單晶襯底，其80％～95％面積的襯底面即出光面被打毛粗化或圖形化，電極7被制備在其余5％～20％面積的襯底1上，上電極6全部覆蓋在蓋層5上面，并制備成兼有反射鏡功能。本發(fā)明利用SiC襯底晶格和GaN匹配較好，導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能都比較好，價格適中的優(yōu)點，提供一種新型大功率SiC襯底垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光管及其制備方法。
文檔編號H01L33/36GK102064251SQ20101055508
公開日2011年5月18日 申請日期2010年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者李國興, 杜國同, 梁紅偉 申請人:吉林大學(xué)