基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片，该芯片自上而下由上下表面均匀分布102～104个凹孔的蓝宝石衬底、由k个非掺杂AlxGa1-xN外延材料构成的单元层组成的AlxGa1-xN组分渐变缓冲层、n型GaN外延层、InGaN/GaN多量子阱、p型GaN层、透明ITO导电薄膜、倒装焊电极及硅衬底组成。本发明专利技术采用凹孔结构提高LED出射光的出射几率，增加衬底的散热表面积和生长应力作用范围，以提高GaN外延质量及其辐射复合发光效率；采用Al组分含量逐渐降低的AlxGa1-xN来制作n型GaN外延层的缓冲层，提高LED的出光效率和内量子效率，获得较高的光输出功率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种发光二极管芯片
，具体涉及一种基于衬底图案化、 AlhGaxN三元化合物Al/fe组分控制技术和ΠΙ — V族化合物材料外延技术相结合的基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片。
技术介绍
近年来，随着GaN材料制备技术、ρ型掺杂技术的完善，GaN基发光二极管(LED)得到了大力发展。目前获得高质量GaN基外延材料主要通过金属有机化学气相沉积(MOCVD) 技术，在绝缘的蓝宝石衬底上外延生长。由于蓝宝石不导电，因此不能在其表面上制作LED 电极。利用倒装焊技术，将以蓝宝石为衬底的LED芯片转移到导热、导电性能更好的基底材料(例如硅、铜等)上，大大降低了电极制作难度，提高了器件的散热性能，增加了出光面积， 在大功率器件应用上有重要意义。目前，市场上销售的尺寸为40mil左右的大功率LED芯片大部分为采用倒装焊技术的倒装GaN基芯片，在光强、功率方面较正装芯片有非常明显的优势。LED发光效率是LED组件外部可量测到光子与外部注入LED电子数的比值，它由 LED的内部光电转换效率(内量子效率)、出光效率和电注入效率决定，反映了 LED的光通量输出以及耗能特性。由于没有发射出去的光会被LED吸收，并转换成热量引起LED结温升高，因此，提高LED发光效率，是发展大功率、低能耗、高可靠性、长寿命LED的根本途径。近年来，人们通过改善GaN基LED芯片的外延质量、出光方式、电极结构、制备工艺、封装等多种方法，不断提高LED的光输出功率，使其能够早日替代传统的室内照明光源，但现有的倒装GaN基LED芯片在发光效率上仍有较大的提升空间。倒装GaN基LED芯片是在蓝宝石衬底上直接异质外延η型GaN层，其中蓝宝石衬底与η — GaN之间的折射率差异较大 (GaN的折射率为2. 5，蓝宝石为1. 76)，光在出射表面会产生较强的内反射(菲涅尔损耗)和全反射(临界角损耗)，导致只有部分角度的光能够从器件中出射出来，其他角度较大的光被反射回芯片内部无法提取出来。光出射界面的全反射损耗成为影响这种芯片光出射效率的主要因素之一。同时，蓝宝石衬底和η — GaN的晶格常数也差异较大，在异质外延过程中会在η — GaN外延层界面产生较大的生长应力和位错缺陷，它们充当非辐射复合中心，削减了有效的辐射复合速率，从而不利于LED内量子效率的提高。
技术实现思路
针对现有蓝宝石衬底与GaN发射层晶格不匹配以及界面特性不够理想的现状，本专利技术提供了一种基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片。本专利技术提供的基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片，该LED芯片自上而下由蓝宝石衬底、AlxGai_xN组分渐变缓冲层、η型GaN外延层、hGaN/GaN多量子阱、ρ型GaN层、透明ITO导电薄膜、倒装焊电极以及导电性良好的硅衬底组成；所述蓝宝石衬底的上表面均布设有m个凹孔I，102104，下表面均布设有η个凹孔II，IO2 ^ η ^ IO4 ；所述Alx(;ai_xN组分渐变缓冲层由k个非掺杂AlxGai_xN外延材料构成的单元层组成，3彡k彡10，k个单元层由上向下各层中Al组分满足1彡xl>x2>……xn彡0。进一步，所述蓝宝石衬底上的凹孔I和凹孔II为倒锥V形、倒锥金字塔形、圆桶形、半圆球形中的任一种结构；进一步，所述凹孔I和凹孔II的横向最大尺寸在0.5 5μπι之间，凹孔I和凹孔II 的深度在0. 5 2 μ m之间，相邻凹孔I之间的间距以及相邻凹孔II之间的间距在0. 5 5 μ m0再进一步，所述AlxGai_xN组分渐变缓冲层的每个单元层厚度在0. 5 1. 5 μ m ； AlxGa1^xN组分渐变缓冲层的总厚度在1. 5 4. 5 μ m。与现有技术相比，基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片具有如下优点1、本专利技术将蓝宝石衬底的双面设计为凹孔结构，使部分全反射光线以散射光的形式出射，或通过多次折射进入临界角内出射，从而实现出光效率的提高。同时，蓝宝石衬底的外延生长面设置凹孔后，增加了散热表面积和生长应力作用范围，从而能有效地缓冲外延过程中由于不同材料的热膨胀系数差异而导致的侧向应力变化，降低由此导致的晶格缺陷密度，提高外延质量及LED芯片的辐射复合发光效率。2、本专利技术采用一种Al组分含量逐渐降低的AlxGai_xN来设计和制备η型GaN外延层的缓冲层，利用这种折射率介于蓝宝石和GaN之间且组分渐变的缓冲层结构，缩小蓝宝石衬底与n-GaN外延层之间的折射率差异，以提高界面出射角度、降低全反射的临界损耗； 并通过Al组分渐变的AlxGai_xN缓冲层逐渐释放GaN外延生长过程中的界面应力，获得位错缺陷少的高质量GaN外延材料，最终实现LED芯片发光效率的提高。附图说明图1为基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片的结构示意图； 图2为AlxGai_xN组分渐变缓冲层的结构示意图； 图3为蓝宝石衬底的双面凹孔呈倒锥V形结构的示意图； 图4为蓝宝石衬底的双面凹孔呈倒锥金字塔形结构的示意图； 图5为蓝宝石衬底的双面凹孔呈圆桶形结构的示意图； 图6为蓝宝石衬底的双面凹孔呈半圆球形结构的示意图7为蓝宝石衬底上表面为圆桶形凹孔、下表面为倒锥金字塔形凹孔的结构示意图； 图8为蓝宝石衬底上表面为圆桶形凹孔、下表面为倒锥V形凹孔的结构示意图； 图9为蓝宝石衬底上表面为倒锥V形凹孔、下表面为倒锥金字塔形凹孔的结构示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细地说明。图1为基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装LED芯片的结构示意图，图2 为Alx^vxN组分渐变缓冲层的结构示意图，如图所示。基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的LED芯片，该LED芯片自上而下由蓝宝石衬底l、AlxGai_x N组分渐变缓冲层2、n型GaN 外延层3、InGaN/GaN多量子阱4、ρ型GaN层5、透明ITO导电薄膜6、倒装焊电极7以及导电性良好的硅衬底8组成。蓝宝石衬底1的上表面均布设有m个凹孔I 9，其中m满足102≤m≤104,下表面均布设有η个凹孔II 10，其中η满足102≤n≤104tjAlxGivxN组分渐变缓冲层2由k个非掺杂AlxGa1-xN外延材料构成的单元层组成，其中k满足3≤n≤10。k个单元层从上向下依次为Α1χ1Ga1-χ1Ν第一个单元层21、Alx2Ga1-x2N第二个单元层22、Alx3Ga1-x3N 第三个单元层23、……、AlxnGai_xnN第三个单元层2k。k个单元层由上向下各层中Al组分满足1 ≥xl>x2>......xn ≥0。蓝宝石衬底1上的凹孔I 9和II 10为倒锥V形(如图3所示)、倒锥金字塔形(如图4所示)、圆桶形(如图5所示)、半圆球形(如图6所示)中的任一种结构。这四种凹孔都易于通过等离子刻蚀(ICP)或纳米压印等成熟的微纳加工技术实现，能获得较高的形状和尺寸加工精度；并且这四种凹孔都已通过实验证明能有效提高LED出光效率。其中倒锥V 形和倒锥金字塔形凹孔对LED出光效率的提高幅度最大，一般能获得25%以上的出光效率增 ο蓝宝石衬底1上表面的凹孔I 9和下表面的凹孔II 10可以在形状或尺寸上存在差异本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于双面凹孔衬底及组分渐变缓冲层的倒装ＬＥＤ芯片，其特征在于：该ＬＥＤ芯片自上而下由蓝宝石衬底（１）、ＡｌｘＧａ１－ｘ　Ｎ组分渐变缓冲层（２）、ｎ型ＧａＮ外延层（３）、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多量子阱（４）、ｐ型ＧａＮ层（５）、透明ＩＴＯ导电薄膜（６）、倒装焊电极（７）以及导电性良好的硅衬底（８）组成；所述蓝宝石衬底（１）的上表面均布设有ｍ个凹孔Ⅰ（９），１０２≤ｍ≤１０４，下表面均布设有ｎ个凹孔Ⅱ（１０），１０２≤ｎ≤１０４；所述ＡｌｘＧａ１－ｘＮ组分渐变缓冲层（２）由ｋ个非掺杂ＡｌｘＧａ１－ｘＮ外延材料构成的单元层组成，３≤ｋ≤１０，ｋ个单元层由上向下各层中Ａｌ组分满足：１≥ｘ１）ｘ２）……ｘｎ≥０。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜晓晴，钟广明，陈伟民，刘显明，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85