一種高光萃取效率的近紫外led芯片及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種高光萃取效率的近紫外LED芯片及其制備方法。LED芯片的結(jié)構(gòu)從下到上依次為金屬基板、電鍍種子層、反射電極層、p型氮化鎵層、有源層、n型氮化鎵層、二維光子晶體結(jié)構(gòu)和n型金屬電極；所述金屬基板由高導熱的金屬組成，金屬基板為銅材料，厚度范圍為80～250μm；反射電極為區(qū)域沉積于芯片中心位置，電鍍種子層為整層沉積，覆蓋整個反射電極以及過道區(qū)；所述電鍍種子層除了起電鍍種子層作用外還在于保護反射電極層的擴散，防止造成芯片漏電失效。本發(fā)明所設計光子晶體結(jié)構(gòu)，不僅具有較寬的光子禁帶，并且所制備的光子晶體的參數(shù)使得LED芯片具有較高的光萃取效率。
【專利說明】
一種高光萃取效率的近紫外LED芯片及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及到半導體電子技術領域。尤其涉及一種近紫外LED器件，可應用于高顯指白光照明，樹脂固化，印刷等領域。
【背景技術】
[0002]氮化物紫外發(fā)光二極管(LED)具有功耗低、壽命長、可靠性好等優(yōu)點，其市場應用潛力大。與傳統(tǒng)的紫外光源相比，紫外LED具有效率高，壽命長，體積小、無汞污染等優(yōu)點，因而可以有效替代汞燈在固化，殺菌，凈化等領域的應用。一般地，將發(fā)光波長在320nm到400nm范圍內(nèi)的LED稱為近紫外LED，其主要應用在樹脂，油墨等的固化。
[0003]與商業(yè)化的藍光LED相比，近紫外LED的發(fā)光效率仍有很大的提升空間。目前在近紫外LED的內(nèi)量子效率方面的研究已經(jīng)取得了較大的突破。Takakazu Kohno等人制作了三種生長在不同襯底類型上的近紫外LED外延層，通過研究三種近紫外LED變溫光致發(fā)光光譜，最大的內(nèi)量子效率達到68%[ Japanese Journal of Applied Physics , 2012 , 51:072102]。而由于GaN層在近紫外波段吸收較大，并且在紫外波段光提取角更小，因此，獲得高光萃取效率的近紫外LED芯片結(jié)構(gòu)將為盡快實現(xiàn)紫外LED芯片走向應用市場提供保證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種高光萃取效率的近紫外LED芯片及其制備方法。本發(fā)明采用m族氮化物外延，區(qū)域性電鍍金屬基板，藍寶石襯底剝離，納米壓印等制備技術相結(jié)合的方法來實現(xiàn)高光萃取效率的近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片。
[0005]本發(fā)明的目的至少通過如下技術方案之一實現(xiàn)。
[0006]—種高光萃取效率的近紫外LED芯片，它的結(jié)構(gòu)從下到上依次為金屬基板、電鍍種子層、反射電極層、P型氮化鎵層、有源層、η型氮化鎵層、二維光子晶體結(jié)構(gòu)和η型金屬電極；
所述金屬基板由高導熱的金屬組成，金屬基板為銅材料，厚度范圍為80?250μπι;
所述電鍍種子層為Ni/Au，Cr/Au，Ti/Au，Cr/Pt/Au，Ti/Cu，TiW/Cu中的一種，該電鍍種子層完全覆蓋反射電極的表面和側(cè)面;所述電鍍種子層為整層沉積；
所述反射電極是基于48-，附/^8-，11'0/^8-，11'0/^1-具有低歐姆接觸，高反射率的電極結(jié)構(gòu);反射電極為區(qū)域沉積于芯片中心位置，電鍍種子層為整層沉積，覆蓋整個反射電極以及過道區(qū)；所述電鍍種子層除了起電鍍種子層作用外還在于保護反射電極層的擴散，防止造成芯片漏電失效。
[0007]進一步優(yōu)化地，所述反射電極層為區(qū)域沉積，區(qū)域面積小于LED芯片面積。
[0008]進一步優(yōu)化地，所述電鍍種子層的厚度為500nm?1500nm。
[0009]進一步優(yōu)化地，所述反射電極的主要材料是Ag或Al，所采用的Ag層的厚度范圍為120nm ?500nm，Al 層厚度為 300nm ?800nm。
[0010]進一步優(yōu)化地，所述P型氮化鎵層的厚度為120nm?280nm，所述有源區(qū)的發(fā)光峰值波長為350nm到400nmo
[ΟΟ?? ]進一步優(yōu)化地，所述η型氮化鎵層的厚度為500nm?800nm;所述ρ型氮化鎵層的厚度有利于法布里(F-P)微腔效應對有源區(qū)發(fā)光進行調(diào)制。所述η型氮化鎵層的厚度，一者可以降低外延層對有源區(qū)發(fā)光的吸收，另外，通過控制η型氮化鎵層的厚度使得有源區(qū)具有較高的限制因子，從而增強芯片的微腔效應，提高芯片的出光。
[0012]進一步優(yōu)化地，所述二維光子晶體結(jié)構(gòu)為三角排列結(jié)構(gòu)，所述光子晶體的高度范圍為250]11]1到350111]1，所述光子晶體周期為150111]1到250111]1，所述光子晶體占空比范圍為0.5?
0.8。
[0013]進一步優(yōu)化地，所述η型金屬電極可以為Cr-，T1-，Cr/Al-，Ti/ΑΙ-結(jié)構(gòu)，電極厚度為500nm?1500nmo
[0014]本發(fā)明制備上述的一種高光萃取效率的近紫外LED芯片的方法，包括如下步驟: 步驟一、提供第一襯底，在該襯底上利用金屬有機化合物氣相外延(MOCVD)技術生長氮化鎵基外延層，所述氮化鎵基外延層包括:成核層、未摻雜的氮化鎵層、η型氮化鎵層、有源區(qū)和P型氮化鎵層;第一襯底為藍寶石襯底、Si襯底或SiC襯底；
步驟二、在上述氮化鎵基外延層上沉積一反射電極層;然后在整個結(jié)構(gòu)層上沉積一電鍍種子層；
步驟三、在上述電鍍種子層上選擇性地涂覆一層非導電物質(zhì)，使得芯片之間的過道處都形成非導電物質(zhì)；
步驟四、在上述種子層上區(qū)域選擇性地生長金屬基板，形成第二襯底；
步驟五、利用激光剝離或化學腐蝕或干法刻蝕技術使第一襯底與氮化鎵外延層分離，漏出N極性氮化鎵；
步驟六、利用化學機械拋光技術對N極性氮化鎵進行減薄處理，減薄至η型氮化鎵層中；步驟七、在上述η型氮化鎵層表面利用納米壓印和干法刻蝕技術在非η型電極區(qū)域制備二維光子晶體結(jié)構(gòu)，該二維光子晶體結(jié)構(gòu)具有光子晶體周期，光子晶體高度和光子晶體占空比；
步驟八、在N極性氮化鎵表面的η型電極區(qū)域制作上η型金屬電極。
[0015]進一步優(yōu)化地:
步驟一中所述P型氮化鎵層的厚度值為120nm到280nm;所述有源區(qū)為異質(zhì)結(jié)、量子阱、量子點中的一種，且發(fā)光峰值波長范圍為350nm到400nm;所述P型氮化鎵層的厚度利用法布里(F-P)微腔效應對有源區(qū)發(fā)光進行增強調(diào)制；
步驟二中所述反射電極為區(qū)域沉積，區(qū)域面積小于LED芯片面積，該反射電極的反射率在350nm到400nm之間能大于80%，且與P型氮化鎵層有較低的接觸電阻；所述電鍍種子層為整層沉積;所述反射電極為Ag基或Al基反射電極，且區(qū)域沉積能保證反射電極在后續(xù)工藝的穩(wěn)定性，若整層沉積Ag基反射電極，實驗中發(fā)現(xiàn)在后續(xù)工藝中會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，工藝不穩(wěn)定；
步驟三中所述非導電物質(zhì)為絕緣層或有機物，厚度大于60μπι;選擇性涂覆采用光刻或壓印技術；
步驟四中所述金屬基板為高導熱金屬基板，該金屬基板具有良好的導熱性和支撐性；所述金屬基板只在芯片區(qū)域處生長，過道處被非導電物質(zhì)阻擋不能生長;所述金屬基板在電鍍種子層上選擇性生長，金屬基板厚度大于80μπι;
步驟六中所述η型氮化鎵層表面具有均勻的表面，這有利于后續(xù)二維光子晶體的制備。均勻的表面通過控制化學機械拋光的條件獲得;所述拋光減薄后的η型氮化鎵層厚度范為500nm?800nm;
步驟七中所述二維光子晶體結(jié)構(gòu)為三角排列結(jié)構(gòu)，所述光子晶體的高度范圍為250nm至1」350]1111，所述光子晶體周期為150111]1到25011111，所述光子晶體占空比范圍為0.5?0.80
[0016]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果:1、分步沉積Ag基或Al基反射電極和電鍍種子層，其中反射電極為區(qū)域沉積于芯片中心位置，電鍍種子層為整層沉積，覆蓋整個反射電極以及過道區(qū)，能有效保障后續(xù)工藝的穩(wěn)定性。如整層沉積Ag基反射電極的芯片，粘附性較差，芯片成品率低。2、通過諧振腔原理及實驗結(jié)果獲得合適的P型氮化鎵層厚度，這能有效地提高近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率。3、通過化學機械拋光有效控制η型氮化鎵層的厚度，從而大幅降低對紫外光的吸收，并且通過控制整個芯片外延層的厚度，從而增強芯片的微腔效應，提高器件的出光。4、本發(fā)明所設計光子晶體結(jié)構(gòu)，不僅具有較寬的光子禁帶，并且所制備的光子晶體的參數(shù)使得LED芯片具有較高的光萃取效率。
【附圖說明】
[0017]圖1為生長在藍寶石襯底上的氮化鎵基LED外延層結(jié)構(gòu)。
[0018]圖2為在LED外延層上制備反射電極及電鍍種子層后的樣品結(jié)構(gòu)。
[0019]圖3為區(qū)域選擇性涂覆非導電物質(zhì)及區(qū)域電鍍金屬基板后的樣品結(jié)構(gòu)。
[0020]圖4為去除第一藍寶石襯底后的樣品結(jié)構(gòu)。
[0021]圖5為制備電極及表面光子晶體后的樣品結(jié)構(gòu)。
[0022]圖6為所制備LED芯片橫截面示意圖。
[0023]圖7為所制備LED芯片表面光子晶體結(jié)構(gòu)府視圖。
[0024]圖8為近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的出光效率隨P型氮化鎵層厚度的變化曲線。
[0025]圖9為近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的出光效率隨η型氮化鎵層厚度的變化曲線。
[0026]圖1Oa?圖1Oc為近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的出光效率隨光子晶體晶體周期，高度及占空比的變化曲線。
[0027]圖11為所采用光子晶體結(jié)構(gòu)的能帶示意圖。
【具體實施方式】
[0028]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清晰，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。本發(fā)明不局限于該具體實施例，本領域內(nèi)的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保戶范圍內(nèi)。
[0029]本實例的一種近紫外LED芯片包括氮化鎵外延層，反射電極，電鍍種子層，金屬導電基板，表面二維光子晶體。所述氮化鎵外延層包括η型氮化鎵層、有源區(qū)和P型氮化鎵層；所述P型氮化鎵層的厚度值范圍為120nm到280nm;所述η型氮化鎵層的厚度范圍為500nm到800]1111;所述量子講發(fā)光波段為350111]1到40011111;所述反射電極是基于48-，附/^8-，11'0/^區(qū)-，IT0/A1-這些具有低歐姆接觸，高反射率的電極結(jié)構(gòu)。所述表面二維光子晶體為三角排列結(jié)構(gòu)，光子晶體高度范圍為250nm?350nm，光子晶體周期為150nm?250nm，光子晶體占空比范圍為0.6?0.8，所述結(jié)構(gòu)可獲取較寬的光子禁帶和較大的光萃取效率。
[0030]下面結(jié)合附圖對本
【發(fā)明內(nèi)容】
作進一步的說明。
[0031 ] [I]如圖1所示，提供一藍寶石襯底101，在該襯底上利用MOCVD外延技術依次生長氮化鎵低溫成核層102、u-氮化鎵層103，n型氮化鎵層104、量子阱有源層105和P型氮化鎵層106形成氮化鎵外延層。所述P型氮化鎵層的厚度值為200nm;所述量子講發(fā)光波長為375nm;
[2]在上述氮化鎵外延層上采用電子束蒸發(fā)設備鍍上一反射電極層201，該反射電極層用于增強垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的出光。所述反射電極為Ni/Ag/Ni/Au電極結(jié)構(gòu)。所述反射電極層為區(qū)域沉積，區(qū)域面積小于LED芯片面積;所述反射電極層在375nm處的反射率大于80%，并且與P型氮化鎵層有較低的接觸電阻。區(qū)域沉積能保證Ag基反射電極在后續(xù)工藝的穩(wěn)定性，若整層沉積Ag基反射電極，后續(xù)會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，工藝不穩(wěn)定。
[0032][3]利用電子束蒸發(fā)設備鍍上一整層電鍍種子層202。所述電鍍種子層為Cr/Pt/Au，該電鍍種子層完全覆蓋反射電極的表面和側(cè)面。所述電鍍種子層為整層沉積。所述電鍍種子層除了起電鍍種子層作用外還在于保護反射電極層的擴散，防止造成芯片漏電失效。
[0033][4]在上述電鍍種子層上選擇性地涂覆一種非導電物質(zhì)301。該非導電物質(zhì)為光刻膠，厚度為ΙΟΟμ??。
[0034][5]在上述結(jié)構(gòu)上電鍍一金屬基板，該金屬基板在電鍍種子層上區(qū)域選擇性地生長，形成第二襯底401 ο該金屬基板具有良好的導熱性和支撐性，該金屬基板為金屬銅。
[0035][6]利用激光剝離技術實現(xiàn)藍寶石襯底與氮化鎵外延層的分離。
[0036][7]利用化學機械拋光技術去除U-氮化鎵層和η型氮化鎵層，控制剩余η型氮化鎵層，量子阱有源層和P型氮化鎵層的總厚度在I?1.5um范圍內(nèi)。
[0037][8]在上述η型氮化鎵表面選擇性地涂覆一種非導電物質(zhì)。該非導電物質(zhì)為光刻膠，厚度200?600nm范圍內(nèi)。
[0038][9]利用納米壓印和ICP刻蝕技術在η型氮化鎵表面制作納米級三角排列的二維光子晶體結(jié)構(gòu)501。如圖6所不為ICP刻蝕后在n-GaN上形成的表面二維光子晶體結(jié)構(gòu)，光子晶體高度為275nm，光子晶體周期為200nm，光子晶體占空比為0.6。如圖7所示為所制備的二維光子晶體結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0039][10]利用電子束蒸發(fā)設備在未制備光子晶體結(jié)構(gòu)的η型氮化鎵上制作η型電極502。
[0040][11]如圖8所示為近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率隨P型氮化鎵厚度的變化情況。從結(jié)果中可以看出隨著P型氮化鎵厚度增加，近紫外LED的光萃取效率呈現(xiàn)周期性振蕩。本發(fā)明方案中選取P型氮化鎵厚度在120到280nm的范圍。此P型氮化鎵層的厚度一者可以與P型金屬電極形成較好的歐姆接觸，另外還能使氮化鎵外延層的厚度較薄，從而提高微腔效應對有源區(qū)發(fā)光的調(diào)制。本實施例中，僅選取P型氮化鎵層厚度200nm的情況進行實驗。
[0041][12]如圖9所示為近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的光萃取效率隨η型氮化鎵厚度的變化情況。本發(fā)明方案中，所選取的η型氮化鎵的厚度范圍為500nm到800nm。較厚的η型氮化鎵層對有源區(qū)的發(fā)光有較大的吸收，而制備更薄的η型氮化鎵層則大幅增加化學機械拋光工藝的難度。本實施例中，僅選取選取η型氮化鎵厚度為600nm。
[0042][13]如圖1Oa?圖1Oc所示為本實例制備近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片隨光子晶體周期，高度及占空比的變化。本實施例中，選取光子晶體高度為275nm，光子晶體周期為200nm，光子晶體占空比為0.6。所述的具有光子晶體結(jié)構(gòu)的近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片比無光子晶體結(jié)構(gòu)的近紫外垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的發(fā)光效率提高40%以上。
[0043]如圖11所示為采取光子晶體占空比為0.6的TE模的能帶示意圖。從圖中可以看出，所選取的光子晶體結(jié)構(gòu)有較寬的光子禁帶。
【主權(quán)項】
1.一種高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于它的結(jié)構(gòu)從下到上依次為金屬基板、電鍍種子層、反射電極層、P型氮化鎵層、有源層、η型氮化鎵層、二維光子晶體結(jié)構(gòu)和η型金屬電極； 所述金屬基板由高導熱的金屬組成，金屬基板為銅材料，厚度范圍為80?250μπι; 所述電鍍種子層為附/^11，0/^11，1^/^11，04^/^11，1^/(:11，1^/(:11中的一種，該電鍍種子層完全覆蓋反射電極的表面和側(cè)面;所述電鍍種子層為整層沉積； 所述反射電極是基于Ag-，Ni/Ag-，ITO/Ag-，ΙΤΟ/Α1-具有低歐姆接觸，高反射率的電極結(jié)構(gòu);反射電極為區(qū)域沉積于芯片中心位置，電鍍種子層為整層沉積，覆蓋整個反射電極以及過道區(qū)；所述電鍍種子層除了起電鍍種子層作用外還在于保護反射電極層的擴散，防止造成芯片漏電失效。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述反射電極層為區(qū)域沉積，區(qū)域面積小于LED芯片面積。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述電鍍種子層的厚度為500nm?1500nmo4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述反射電極的主要材料是Ag或Al，所采用的Ag層的厚度范圍為120nm?500nm，Al層厚度為300nm?800nmo5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述P型氮化鎵層的厚度為120nm?280nm，所述有源區(qū)的發(fā)光峰值波長為350nm到400nm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述η型氮化嫁層的厚度為500nm?800nmo7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述二維光子晶體結(jié)構(gòu)為三角排列結(jié)構(gòu)，所述光子晶體的高度范圍為250nm到350nm，所述光子晶體周期為150nm到250nm，所述光子晶體占空比范圍為0.5?0.8。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高光萃取效率的近紫外LED芯片，其特征在于所述η型金屬電極可以為0-，11-，0/^1-，Ti/Al-結(jié)構(gòu)，電極厚度為500nm?1500nmo9.制備權(quán)利要求1?8任一項所述的一種高光萃取效率的近紫外LED芯片的方法，其特征在于包括如下步驟: 步驟一、提供第一襯底，在該襯底上利用金屬有機化合物氣相外延技術生長氮化鎵基外延層，所述氮化鎵基外延層包括:成核層、未摻雜的氮化鎵層、η型氮化鎵層、有源區(qū)和P型氮化鎵層;第一襯底為藍寶石襯底、Si襯底或SiC襯底； 步驟二、在上述氮化鎵基外延層上沉積一反射電極層;然后在整個結(jié)構(gòu)層上沉積一電鍍種子層； 步驟三、在上述電鍍種子層上選擇性地涂覆一層非導電物質(zhì)，使得芯片之間的過道處都形成非導電物質(zhì)； 步驟四、在上述種子層上區(qū)域選擇性地生長金屬基板，形成第二襯底； 步驟五、利用激光剝離或化學腐蝕或干法刻蝕技術使第一襯底與氮化鎵外延層分離，漏出N極性氮化鎵； 步驟六、利用化學機械拋光技術對N極性氮化鎵進行減薄處理，減薄至η型氮化鎵層中； 步驟七、在上述η型氮化鎵層表面利用納米壓印和干法刻蝕技術在非η型電極區(qū)域制備二維光子晶體結(jié)構(gòu)，該二維光子晶體結(jié)構(gòu)具有光子晶體周期，光子晶體高度和光子晶體占空比； 步驟八、在N極性氮化鎵表面的η型電極區(qū)域制作上η型金屬電極。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于: 步驟一中所述P型氮化鎵層的厚度值為120nm到280nm;所述有源區(qū)為異質(zhì)結(jié)、量子阱、量子點中的一種，且發(fā)光峰值波長范圍為350nm到400nm;所述P型氮化鎵層的厚度利用法布里(F-P)微腔效應對有源區(qū)發(fā)光進行增強調(diào)制； 步驟二中所述反射電極為區(qū)域沉積，區(qū)域面積小于LED芯片面積，該反射電極的反射率在350nm到400nm之間能大于80%，且與P型氮化鎵層有較低的接觸電阻；所述電鍍種子層為整層沉積;所述反射電極為Ag基或Al基反射電極； 步驟三中所述非導電物質(zhì)為絕緣層或有機物，厚度大于60μπι;選擇性涂覆采用光刻或壓印技術； 步驟四中所述金屬基板為高導熱金屬基板;所述金屬基板只在芯片區(qū)域處生長，過道處被非導電物質(zhì)阻擋不能生長;所述金屬基板在電鍍種子層上選擇性生長，金屬基板厚度大于80μηι; 步驟六中所述η型氮化鎵層表面具有均勻的表面，均勻的表面通過控制化學機械拋光的條件獲得;所述拋光減薄后的η型氮化鎵層厚度范為500nm?800nm; 步驟七中所述二維光子晶體結(jié)構(gòu)為三角排列結(jié)構(gòu)，所述光子晶體的高度范圍為250nm至1」350]1111，所述光子晶體周期為150111]1到25011111，所述光子晶體占空比范圍為0.5?0.80
【文檔編號】H01L33/32GK105914278SQ201610385587
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】胡曉龍, 王洪, 齊趙毅, 黃華茂
【申請人】華南理工大學