[发明专利]一种垂直GaN基LED芯片及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种GaN基发光二极管(LED)芯片及其制备方法，属于光电子器件技术领域。

背景技术

蓝宝石衬底具有生产技术成熟、器件质量好、稳定性高、能够耐高温生长过程、机械强度高、易于处理和清洗等优点，成为生长GaN基LED外延层衬底中使用最广泛的衬底。但蓝宝石衬底存在晶格失配和热应力失配使外延层产生大量缺陷，同时蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于10¹¹Ω·cm，无法制作导电电极，如图1所示，不得不在外延层上表面制作n型和p型电极，因而不能得到垂直结构的LED芯片。

这种表面两个电极的LED，有效发光面积减少，芯片中电流流动及电流扩展不好，内量子效率低，器件散热也不好，这些因素制约这种表面两个电极LED结构的功率和亮度的提升，同时蓝宝石衬底的热导率低，这种结构不利于大功率LED工作。

半导体照明具有节能、安全、绿色环保、长寿命、色彩丰富、微型化和数字化等显著优点，称为第四代绿色光源。各国纷纷启动了半导体照明计划，我国863高科技计划也提出了发展半导体照明的计划。半导体照明实现产业化技术为利用GaN基的蓝光LED激发YAG荧光粉获得白光LED。提高蓝光LED的功率以加快半导体照明产业化，成了目前光电领域的重要课题。

为了改进传统GaN基LED结构自身缺陷，使其适合大功率工作用于照明领域，出现了倒装结构和垂直结构的LED芯片。如图2所示，倒装结构GaN基LED芯片采用金属球链接n电极，在电流扩展方面相对传统结构有很大提升，但仍存在芯片有效发光面积小和散热不良的问题；如图3所示，垂直结构GaN基LED芯片的结构自下而上包括P电极、导电Si或铜衬底、N型GaN、量子阱有源层、P型GaN和电流扩展层；工艺是通过激光把蓝宝石衬底剥离掉并用焊料键合到导电衬底上，其电流扩展、发光面积利用、散热问题均得到改善，目前照明用功率蓝光芯片多为垂直结构芯片，但垂直结构芯片需要通过激光剥离去除蓝宝石衬底，这一过程对外延层晶体质量和pn结完整性有一定程度损伤，使得芯片良好率和一致性不高。

针对采用垂直结构的激光剥离蓝宝石衬底带来的不良效果，中国专利文献CN101017876公开了《一种氮化镓发光二极管管芯及其制造方法》，该氮化镓发光二极管管芯，包括蓝宝石衬底和在蓝宝石衬底上依次向外延伸的缓冲层、n型氮化镓、有源区及p型氮化镓，p型氮化镓上方设有一个p型电极；其中，在与蓝宝石衬底接触的n型氮化镓上设有一个n型电极。该氮化镓发光二极管管芯的制造方法，与现有技术相比，通过刻蚀掉一部分的蓝宝石衬底材料，使n型氮化镓从底部露出，接着制造电极，是通过采用反应等离子刻蚀(ICP)技术去掉一部分的蓝宝石衬底材料。该专利文献中提到的GaN LED仍通过蓝宝石衬底做支撑材料，其厚度至少控制在100um量级，那么专利中提到的用ICP刻蚀一部分蓝宝石衬底材料到N型氮化镓，按照目前最快的刻蚀条件耗时也要在数小时；另一方面专利中的出光面仍在P面，底部蓝宝石支撑，其散热通道需要通过蓝宝石衬底，散热能力差，没有任何散热措施，不适应大功率LED结构；对尽可能提高光提取效率也没有涉及。该文献中的LED不适合实际批量化生产，同时这种结构也不能用在蓝光功率芯片上，不能用于半导体照明系统。

因此，提供一种GaN LED结构，其有效发光面积利用率高，芯片电流扩展优，散热好，功率和亮度提高的基础上，尽量减少工艺过程中不稳定因素影响，以提高整体产品的性价比，是当前半导体照明产业化发展的重要课题之一。

发明内容

本发明针对现有垂直结构的LED芯片由于制作过程中需激光剥离去除整个蓝宝石衬底而造成的芯片损伤、良好率和一致性不高的问题，提供一种出光效率高的垂直GaN基LED芯片，同时提供一种适用于批量生产该垂直GaN基LED芯片的制作方法。

本发明的垂直GaN基LED芯片的结构自上而下依次包括蓝宝石或者6H-SiC透明衬底、N型GaN、量子阱有源层、P型GaN、电流扩展层、金属反射镜、键合焊接层和导电基板，在导电基板上制作有P电极，在蓝宝石或者6H-SiC透明衬底上设有直至N型GaN层的窗口，该窗口内各面蒸镀有一层金属，在这一金属层上引出有N电极。

所述蓝宝石或者6H-SiC透明衬底的出光面加工成粗化面，以降低光内部全反射，提高LED的出光效率。

所述蓝宝石或者6H-SiC透明衬底的出光面设有光子晶体，光子带隙的晶体结构使某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，通过这种禁带调节的光栅衍射效应提高LED的出光效率。