[发明专利]一种具有类光栅结构的宽频高光提取LED芯片及其制作方法

说明书

本发明公开了一种具有类光栅结构的宽频高光提取LED芯片及其制作方法，建立类光栅结构的二维横截面图；沿Z轴拉伸二类光栅结构的维横截面图，将其转变为三维类光栅结构，并建立三维LED芯片模型，采用时域有限差分法模拟多量子阱层发出的光在LED芯片内部传播情况，计算光提取效率；优化类光栅结构的参数；制作蓝宝石衬底，并在衬底上依次发光外延层，制成外延片，在p型半导体层的顶部生长一层金属薄膜，作为反射镜和p接触电极，利用共晶焊方法将外延片焊接到热沉上；利用激光衬底剥离方法将蓝宝石衬底剥离掉，并采用化学机械抛光方法对n型半导体层进行减薄处理；根据优化后的类光栅结构的参数，在n型半导体层上制作类光栅结构。

技术领域

本发明涉及LED技术领域，具体涉及一种具有类光栅结构的宽频高光提取效率的LED芯片及其制作方法。

背景技术

与传统光源相比较，GaN基LED除了具有高的光电转换效率(是卤素灯的10倍，荧光灯的2倍)之外，还具有体积小、寿命长、可靠性高、响应速度快等优点，成为了新一代绿色照明光源的理想选择。传统的蓝宝石衬底正装结构LED从p型半导体顶部辐射光子，导致部分光子被p接触电极吸收，在大电流注入下还存在着严重的电流拥挤和发热现象。为了满足固态照明的需要，一种薄膜倒装结构芯片制造技术应运而生。该种技术首先利用激光剥离技术将蓝宝石衬底剥离掉，然后在p型半导体增加一层金属反射镜，并将芯片焊接到高导热的热沉上，这样在解决散热问题的同时还可以提高发光效率。但是，光提取效率不高(平板薄膜倒装LED的光提取效率约为30％)仍然是限制着其在照明领域应用的一个重要因素。

从光学方面来看，LED芯片是一个多层波导结构，多量子阱发出的光大部分会在GaN和空气界面发生全反射，而以导模的形式被限制在LED的内部，最终会被LED吸收转化为热能，这势必会造成LED芯片温度的急剧上升，过高的结温不仅会进一步降低LED的内量子效率，还会影响其发射波长以及加速封装材料的老化等，甚至造成器件的损坏。为了提高LED的光提取效率，各种制作表面微纳结构(光提取结构)的技术被提出，主要包括表面粗化技术和光子晶体技术等。尽管表面粗化技术可以有效提高LED的光提取效率(约65％)，但是其具有一定的随机性，并且对出射光的方向性控制不好，导致产生朗伯辐射图样。相比而言，二维光子晶体技术具有更好的方向性和更高的光提取效率。光子晶体作为一个二元衍射光栅，其衍射作用对LED的辐射波长、光子晶体的周期和LED内导模的传播方向都是非常敏感的，很难利用一个确定的光子晶体结构在宽频内实现有效的光提取。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有类光栅结构的LED芯片及其制作方法，利用时域有限差分法对由n型半导体材料构成的类光栅结构进行设计和优化，使LED芯片的光提取效率在宽频内得到了大幅增强，使450nm蓝光的提取效率增强了2.55倍，达到了三角晶格光子晶体LED光提取效率的1.1倍。

本发明所采用的技术方案是：

一种具有类光栅结构的宽频高光提取LED芯片，该LED芯片包括n型半导体层、多量子阱层、p型半导体层和金属反射层；n型半导体层生长与蓝宝石衬底之上，多量子阱层生长于n型半导体层之上，p型半导体层生长于多量子阱层之上，在p型半导体层上生长一层金属薄膜，作为金属反射层；剥离蓝宝石衬底后，在n型半导体层上设置一个类光栅结构。

进一步的，所述类光栅结构的深度为200-300nm，平均周期为350-450nm，周期半高宽为170nm-250nm，占空比为0.4-0.6，总的半导体厚度为400-1000nm。

进一步的，所述金属薄膜为银膜。

具有类光栅结构的宽频高光提取LED芯片的制作方法，包括以下步骤：

(1)建立类光栅结构的二维横截面图；