一种大功率高亮度发光二极管芯片及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种大功率高亮度发光二极管芯片及其制造方法，它包括：一个金属衬底，在金属衬底之上设有嵌入准光子晶体结构的LED外延片，外延片两侧设有钝化保护层；所述外延片自下向上依次设有：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、嵌入准光子晶体结构的N型半导体层、N型欧姆接触电极；所述钝化保护层位于金属衬底之上外延片两侧。还公开了该芯片的制造方法。本发明专利技术同时解决LED芯片的高效取光和有效散热的问题，克服表面了光子晶体LED结构的缺陷，为大功率、高亮度LED的开发提供一种有效解决方案。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属衬底垂直结构嵌入准光子晶体LED芯片和制造方法，尤其涉及一种大功率高亮度发光二极管芯片和制造方法，属半导体照明技术和纳光电子器件领域。
技术介绍
大功率、高亮度LED已经被应用于汽车照明、室内外通用照明、IXD背光照明光源等等众多领域，随着功率和亮度的不断提高，成本的不断降低，LED最终将会取代现有的通用照明光源，成为新一代绿色光源。但是目前LED仍然面临以下挑战性技术难题(1)发光效率低；(2)功率低；(3)成本高。这严重影响和制约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LED迫切亟需解决的技术难题。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(FlipChip)、 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，LL0)、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。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700nm的氮化镓膜，并以干法刻蚀方式制作250nm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.) ο Luminus Devices较早的采用了光子晶体，2008年年底获得了 1071m/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WiatLightLED 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志。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。光子晶体和准光子晶体LED具有以下显著的优点(1)高取光效率；(2)良好的光束控制和光强分布，尤其是准光子晶体具有很好的远场特性。现有的光子晶体LED主要是在LED的上表面形成光子晶体结构，但是，表面光子晶体LED结构存在以下问题(1)光子晶体与低级波导光的耦合较弱，难以实现对低级波导光的提取；( 在表面光子晶体的制造过程中，刻蚀工艺可能损伤有源层，影响出光效率；C3)与平面LED结构相比，欧姆电极的制造困难，电流分布不均勻，影响电学特性。而嵌入性光子晶体结构的LED不仅可以实现高级模式、低阶模式和覆盖层模式各种模式光的提取，显著提高了光提取效率。而且欧姆电极可以像传统LED在整个平面上制造；尤其重要的是没有在表面光子晶体制造过程中，由于刻蚀引起有源层的损伤。因此，与表面光子晶体LED相比，嵌入型光子晶体LED结构具有以下优势(1)高的取光效率；( 好的电学特性；C3)好的外延片质量。LED目前主要有三种结构⑴传统的正装结构(侧向结构)；(2)倒装结构；(3) 垂直结构。传统的正装结构LED在市场上最为流行，制作成本低，但存在导热差等缺点(尤其是蓝宝石衬底结构)；倒装结构LED以飞利浦公司Lumileds为代表，但没有从本质上解决LED的散热、电流不均(电流拥塞)、寿命等问题；垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部的ρ-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题，提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。尤其是激光剥离去除原有衬底，采用铜等金属合金为衬底的垂直结构，很好的解决了大功率LED的散热问题。此外， 以Cree的SiC衬底垂直结构及OsranuSemiIeds的激光剥离为代表。由于无需打金线与外界电源相联结，采用通孔垂直结构的LED芯片的封装的厚度降低。因此，可以用于制造超薄型的器件，如背光源等。因此，金属衬底的垂直结构LED很好的解决了散热问题，特别适合大功率LED芯片。结合嵌入准光子晶体LED、垂直结构、横向外延生长、金属衬底可以进一步提升 LED的出光效率，有效的提升了发光二极管的亮度和功率，很好的解决功率型LED的散热问题。因此，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，纳米压印已经成为图形化蓝宝石衬底、光子晶体制造最理想的技术方法之一。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(AAO)、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本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种大功率高亮度发光二极管芯片，其特征在于，包括：一个金属衬底，在金属衬底之上设有嵌入准光子晶体结构的ＬＥＤ外延片，外延片两侧设有钝化保护层；所述外延片自下向上依次设有：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、嵌入准光子晶体结构的Ｎ型半导体层、Ｎ型欧姆接触电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：兰红波，丁玉成，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：95