垂直结构金属衬底准光子晶体ＨＢ－ＬＥＤ芯片制造技术

本实用新型专利技术涉及一种垂直结构金属衬底准光子晶体ＨＢ－ＬＥＤ芯片。包括：一个金属衬底，在金属衬底之上设有外延片，所述外延片两侧设有钝化保护层；所述的外延片自下向上依次为：金属键合层、金属反射层、电流扩展和Ｐ型欧姆接触层、Ｐ型半导体层、发光层、Ｎ型半导体层、电流阻挡层、具有准光子晶体结构的透明导电层和Ｎ型电极；所述钝化保护层位于金属衬底之上外延片两侧。提高了出光效率、实现电流均匀分布，降低热阻，有效改善散热性能。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种垂直结构金属衬底准光子晶体HB- LED芯片，属半导体光电 子器件领域。
技术介绍
高亮度发光二极管(High Brightness LED，HB-LED)作为第四代光源(半导体固 态照明，Solid State Lighting, SSL)的主体，它具有节能、环保、寿命长、体积小、重量轻、 抗震、安全性好(低电压驱动)，响应时间短、冷光源、色彩丰富、应用范围广等众多优点，目 前HB-LED已经广泛应用于LCD背光照明光源、汽车照明、室内外通用照明、显示屏、交通信 号灯、景观照明、微型投影机等众多领域。随着亮度的增加、功率的提高和成本的进一步降 低，它已经展现出越来越广泛的应用前景。2009年高亮度LED的产值接近60亿美元，2012 年预计将逼近100亿美元，2020年将达到1000亿美元。目前HB-LED已经呈现出爆炸性增 长。但是目前HB-LED面临两个极具挑战性问题和技术瓶颈(1)发光效率低；(2)成本高， 这严重影响和制约HB-LED进入通用照明和更加广泛的应用和市场的推广和普及。因此，增 加发光效率，提高亮度和功率，降低成本已经成为目前HB-LED迫切亟需解决和克服的技术 难题。LED的发光效率一般称为组件的外部量子效率，为组件的内部量子效率与组件光 提取效率的乘积。内部量子效率主要与组件本身的特性，如组件材料的能带、缺陷、杂质及 组件的磊晶组成及结构等相关。由于HB-LED通常采用MOCVD的外延生长技术和多量子阱 结构，在精确控制生长和掺杂，以及减少缺陷等方面已取得突破性进展，其外延片的内部量 子效率已经接近理论内部量子效率的极限。因此，通过提升内部量子效率来提高LED发光 效率的空间已经不大，目前工业界主要通过增加光提取效率的方法提高LED的发光效率。目前学术业界和工业界已经提出多种提高光提取效率的方法倒装(Flip Chip)、 反射层(金属反射层、分布布拉格反射层、全反射层)、图形化衬底、表面粗化(Surface Roughening)、光子晶体、透明衬底(Transparent Substrate, TS)、三维垂直结构、激光剥 离(Laser Lift-off, LLO)、欧姆电极形状的优化、芯片形状几何化结构(抛物线、半球形、 三角形等)、衬底转移、工艺方面的改进(封装、散热、对于白光考虑荧光粉的选择)等。但是， 根据美国光电产业协会(0IDA)的研究报告，只有当单个封装的大功率高HB-LED器件的 功率达到7. 5W以上，发光效率超过200 lm/W，LED才有可能完全替代现有的各种照明光源， 成为通用照明的主要光源。尽管工业界和学术界已经开展了大量的研究，但目前HB-LED远 远没有达到该技术要求，HB-LED仍然面临进一步提高亮度的要求。此外，与现有的第二代 和三代光源相比，HB-LED目前其价格过高，同时也是目前制约HB-LED进入通用照明领域最 大的障碍。因此，发光效率低和成本高是当前HB-LED所面临最大的挑战性问题，也是亟待 解决和突破的核心问题。光子晶体LED目前被业界认为是提高取光效率，实现超高亮度LED最有效的技术 手段之一。理论研究显示指出，通过合理设计光子晶体的几何结构参数(形状、周期、高度、占空比等参数)，即使采用常规芯片结构，并保持原有的衬底，采用表面光子晶体其出光效 率也可以达到40%。Philips Lumileds研究人员2009年开发出光提取效率达到73%的光 子晶体LED (该小组的最佳组件具有厚700 nm的氮化镓膜，并以干法刻蚀方式制作250 nm 深的光子晶体图形，以便让光绕射离开LED。最理想的光子晶体具有A13晶格，它是单位 晶胞由13个孔洞组成的三角图形，晶格常数为450nm)，其最高亮度是目前一般LED的2倍 (Nature, Photonics, Vol. 3，p. 163，2009·)。Luminus Devices 较早的采用了光子晶 体，2008年年底获得了 107 lm/W的光子晶体LED，成为该器件新的性能标志。该公司已将 开发出高亮度光子晶体WiatLight LED应用在一些高端电视中(例如三星56寸背投电视) 和微型投影机。Cree在2008年底获得了 1071m/W的光子晶体LED，成为该组件新的性能标ο与光子晶体LED相比，准光子晶体(光子准晶)结构LED表现出更好的光学特性。 准晶光子晶体(Photonic Quasi-crystals, PQCs)是一种介电材料呈准晶结构排列的光子 带隙材料，它具有旋转对称性和长程指向性，但没有平移对称性(周期性)，并表现出短程无 序性而长程有序性的特性。准光子晶体与光子晶体的显著不同点在于，光子晶体的介电常 数按周期晶格分布，而光子准晶的介电常数按照准晶格子结构分布。准光子晶体具有产生 完全带隙的折射率阈值低、光子带隙与入射方向无关、产生局域态无需缺陷等优于周期性 光子晶体的性能。此外，周期结构光子晶体远场发射仅局限于布拉格顶点，难以实现远场的 照度均勻性(uniform illumination of far-field)。限制了光子晶体LED在许多领域的 应用。而准光子晶体可以获得均勻一致理想的远场照明。此外，对二维光子晶体而言，因为 三角形晶格具有较高的对称性，光子晶体LED通常采用该结构。但对准光子晶体而言，它的 排列变化较多，其中有些甚而可形成8、9、10、12重(fold)等的高旋转对称结构，这样的对 称性使得在反晶格的高对称点上出现能阶简并(degeneracy)，而有更大的可能性出现宽带 隙。所以，二维准光子晶体由于它可以具有比二维光子晶体更高的旋转对称性，因而它的频 带特性对光的入射方向的影响不大，所以更容易形成完全光子带隙。将准光子晶体结构应用于LED，并结合其它高取光效率的方法(例如反射层、电流 阻挡和扩散层、垂直结构、金属衬底等)，可以进一步提升HB-LED的出光效率，有效的提升了 发光二极管的亮度和功率。为实现功率型高亮度和超高亮度LED的开发提供一种全新的思 路和方法。纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography, NIL)是一种新的纳米结构制造方法， 它具有高分辩率、超低成本(国际权威机构评估同等制作水平的NIL比传统光学投影光刻 至少低一个数量级)和高生产率等特点，而且它最显著的优势在于大面积和复杂三维微纳 结构制造的能力(尤其对于软UV-NIL)。此外，NIL是通过抗蚀剂的受力变形实现其图形 化，不涉及各种高能束的使用，对于衬底的损伤小。而且还具有整片晶圆压印的能力。目前 SUSS、MII和Obducat等公司均已经开发出用于制造光子晶体LED的纳米压印设备，纳米压 印光刻在低成本、规模化制造光子晶体和准光子晶体LED方面已经显示了巨大的潜能。与 电子束光刻、全息光刻、阳极氧化铝模板(ΑΑ0)、干法刻蚀等微纳米制造方法制造光子晶体 和准光子晶体结构相比较，NIL具有成本低、生产率高、可制造晶圆尺寸大的优点，以及可在 不平整晶圆上制造光子晶体和准光子晶体结构显著优势。为大面积、低成本光子晶体和准 光子晶体结构和器件的制造提供了一种理想的方法。
技术实现思路
本技术的目的在于，提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直结构金属衬底准光子晶体ＨＢ－　ＬＥＤ芯片，其特征在于，包括：一个金属衬底，在金属衬底之上设有外延片，所述外延片两侧设有钝化保护层；所述的外延片自下向上依次为：金属键合层、金属反射层、电流扩展和Ｐ型欧姆接触层、Ｐ型半导体层、发光层、Ｎ型半导体层、电流阻挡层、具有准光子晶体结构的透明导电层和Ｎ型电极；所述钝化保护层位于金属衬底之上外延片两侧。

【技术特征摘要】
1.一种垂直结构金属衬底准光子晶体HB- LED芯片，其特征在于，包括一个金属衬 底，在金属衬底之上设有外延片，所述外延片两侧设有钝化保护层；所述的外延片自下向上 依次为金属键合层、金属反射层、电流扩展和P型欧姆接触层、P型半导体层、发光层、N型 半导体层、电流阻挡层、具有准光子晶体结构的透明导电层和N型电极；所述钝化保护层位 于金属衬底之上外延片两侧。2.如权利要求1所述的垂直结构金属衬底准光子晶体HB-LED芯片，其特征在于，所述 的透明导电层材料为氧化铟锡ITO或者氧化锌SiO层，其厚度是300nm-800nm ；采用8重或 12重二维准光子晶体结构，晶格常数200-900nm，光子晶体的高度50nm-300nm。3.如权利要求1所述的垂直结构金属衬底准光子晶体HB-LED芯片，其特征在于，所 述金属衬底包括最下层的P型电极、中间的衬底层以及衬底层之上的金属键合层；衬底层 为铜、铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红波，丁玉成，
申请(专利权)人：兰红波，
类型：实用新型
国别省市：88[中国|济南]