一种薄膜倒装光子晶体LED芯片及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种薄膜倒装光子晶体LED芯片及其制造方法，它包括一个基板，基板之上设有薄膜倒装的LED芯片，基板和薄膜倒装的LED芯片之间通过焊料连接；所述基板包括散热基座和在其上设有的彼此独立的金属层I、II，所述薄膜倒装的LED芯片是，在包含有光子晶体结构的N型半导体层下表面的一个区域自上向下依次设有发光层、P型半导体层、金属反射层、P型欧姆接触电极，其中P型欧姆接触电极通过焊料与金属层I连接，在下表面的另一个区域设有N型欧姆接触电极、N型欧姆接触电极通过焊料与金属层II连接。本发明专利技术有效的提高出光效率、降低外延片位错密度、减小热阻，改善散热性能，提供了一种实现大功率、高亮度LED芯片的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种大功率高亮度发光二极管(LED)芯片和制造方法，尤其涉及一种薄膜倒装光子晶体LED芯片及其制造方法。
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行业迫切亟需解决和克服的技术难题。目前LED芯片的结构形式主要有四种(1)传统正装(横向结构)；(2)倒装(Flip Chip) ； (3)垂直结构(垂直薄膜 Vertical Thin Film) ； (4)薄膜倒装(Thin film Flip Chip)。与其它三种结构相比，薄膜倒装结构具有以下显著的优点⑴更大的出光面积(没有电极的遮光)；(2)易于实现LED模组(LED阵列)；(3)好的散热特性。此外，为了进一步提高光提取效率，降低外延片的位错密度(提高外延片质量)，光子晶体技术(Photonic Crystal)和纳尺寸图形化蓝宝石衬底技术(Nano Patterned Sapphire Substrate, NPSS) 已经成为目前提高取光效率和改进外延片质量最为有效的技术手段。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种薄膜倒装光子晶体LED芯片，本专利技术的另一目的就是提供一种低成本、高效、大批量制造该种LED芯片方法。为了实现上述目的，本专利技术采取如下的技术解决方案一种薄膜倒装光子晶体LED芯片，包括一个基板，基板之上设有薄膜倒装的LED 芯片，基板和薄膜倒装的LED芯片之间通过焊料连接；所述基板包括散热基座和在其上设有的彼此独立的金属层I、II，所述薄膜倒装的LED芯片是，在包含有光子晶体结构的N型半导体层下表面上的一个区域，自上向下依次设有发光层、P型半导体层、金属反射层、P型欧姆接触电极，所述P型欧姆接触电极通过焊料与金属层I连接；在下表面上的另一个区域， 设有N型欧姆接触电极、所述N型欧姆接触电极通过焊料与金属层II连接。所述N型半导体层上的光子晶体结构包括周期结构光子晶体和非周期结构准光子晶体结构；所述光子晶体的几何参数纳米孔的尺寸100-200nm，晶格常数300-700nm，光子晶体的高度50nm-150nm。所述基板中散热基座的材料为陶瓷、铝、硅、铬、铜、铜合金中的一种。其上的金属层 I 或 II 为 Cu、Ti/Al、Ti/Au、Ni/Au 或 Cr/Au 中的任意一种。所述P型欧姆接触电极为Ti/Au、Ni/Au或Cr/Au的任意一种，厚度100nm_400nm ； N型欧姆接触电极为Ti/Al、Ti/Au、Cr/Au或Ti/AI/Ti/Au的任意一种，厚度100_400nm ；所述金属反射层为Al、Ag中的任意一种。本专利技术适用于III-V族、II-IV族、III族氮化物半导体发光材料体系发光二极管的制造，尤其适用于蓝宝石衬底氮化镓(GaN)基蓝光发光二极管的制造。所述发光层包括多层量子阱结构、双异质结结构、多层量子点结构或多层量子线， 其厚度是50mm-200nm。一种薄膜倒装光子晶体LED芯片制造方法，包括如下工艺步骤(1)具有光子晶体结构图形化衬底的制造；(2)外延片制造；(3) LED芯片的制造；(4)基板的制造；(5) LED芯片与基板倒装焊；(6)剥离LED芯片上的图形化衬底。所述具有光子晶体结构图形化衬底的制造方法A)首先，在衬底上沉积氮化硅、二氧化硅、镍中之一作为硬掩模层；B)随后，采用纳米压印、激光干涉光刻纳米制造技术在硬掩模层之上的抗蚀剂上生成纳米孔或者纳米柱光子晶体结构；C)接着，以抗蚀剂为掩模层，采用感应耦合等离子体刻蚀工艺，即ICP，将抗蚀剂上的图形转移到硬的掩模层；D)然后以硬的掩模层为掩模，采用ICP将纳米图形转移到衬底之上；E)最后，去除抗蚀剂和硬的掩模层，并清洗衬底，去除衬底表面的污物和氧化物， 制造出包含光子晶体结构图形化衬底。所述LED芯片的制造方法a)首先采用光刻、刻蚀、电子束蒸发的方法制造N型欧姆接触电极；b)随后，在P型半导体层上沉积50-150nm的金属反射层；c)最后，采用电子束蒸发的方法在金属反射层之上制作出P型欧姆接触电极。所述剥离LED芯片上的图形化衬底的方法采用激光剥离工艺(Laser Lift-Off, LL0)、化学去除或者机械研磨的一种方法去除LED芯片上的图形化衬底。所述LED芯片与散热基板的倒装焊接采用共晶键合或熔融键合。所述外延片制造的方法采用金属有机化学沉积外延(MOCVD)工艺在图形化衬底上依次生长N型半导体层、发光层、P型半导体层。为了提高LED的光提取效率和功率，本专利技术综合采用以下技术方案(1)提高光提取效率引入光子晶体结构和反射层结构；(2)增大出光面积采用倒装结构；(3)提高外延片质量，图形化衬底降低外延片的位错密度；(4)改善散热性能通过采用衬底剥离和倒装焊结构，降低热阻，有效改善散热特性，间接提高取光效率，并有效提高其功率。为了降低薄膜倒装光子晶体LED芯片的生产成本，本专利技术采用以下技术方案(1)结合纳米压印光刻和等离子体刻蚀的方法实现衬底的图形化，在其上形成光子晶体结构；(2)通过采用激光剥离、化学去除或者机械研磨的方法剥离LED芯片上的图形化衬底。本专利技术外延片在制造过程中使用的衬底包括蓝宝石、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、氧化锌(ZnO)或氮化铝(AlN)。本专利技术的优点是1)充分结合光子晶体、纳尺寸图形化衬底、薄膜倒装工艺的优点，有效的提高出光效率、降低外延片位错密度、减小热阻，改善散热性能，提供了一种实现高亮度、大功率LED 芯片的方法。2)本专利技术一方面避免传统表面光子晶体LED对于发光层的损伤，不便于制造电极，以及影响LED电学特性的不足；另一方面，还有效的结合了纳图形化衬底(NPS)以及表面光子晶体LED的优点。3)本专利技术易于实现LED模组(阵列)。4)本专利技术提供薄膜倒装光子晶体LED芯片制造工艺，具有生产成本低、高效、适合大规模化制造的特点。5)本专利技术制作的发光二极管具有亮度高、功率大、远场照度均勻、发光均勻一致、 出光效率高、散热性能好(热阻低)、制造成本低。6)本专利技术同时解决LED芯片的提高取光效率和高效散热的问题，为功率型高亮度 LED的开发提供一种一体化的解决方案。附图说明图1是本专利技术一种薄膜倒装光子晶体LED芯片结构示意图。图2是本专利技术一种薄膜倒装光子晶体LED芯片制造工艺步骤图。图3是本专利技术的实施例薄膜倒装光子晶体GaN基发光二极管芯片结构示意图。图4A-图4C是本专利技术实施例薄膜倒装光子晶体GaN基发光二极管芯片制造工艺示意图。图5A-图5E是本专利技术实施例采用纳米压印和等离子体刻蚀(ICP)工艺在蓝宝石衬底上制作光子晶体结构工艺示意图。图6是本专利技术实施例基于图形化蓝宝石衬底制作完成的LED芯片结构示意图。其中1.基板，2. LED芯片，3.焊料，102.金属层I，103金属层II，101.散热基本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种薄膜倒装光子晶体ＬＥＤ芯片，其特征在于，包括：一个基板，基板之上设有薄膜倒装的ＬＥＤ芯片，基板和薄膜倒装的ＬＥＤ芯片之间通过焊料连接；所述基板包括散热基座和在其上设有的彼此独立的金属层Ｉ、ＩＩ，所述薄膜倒装的ＬＥＤ芯片是，在包含有光子晶体结构的Ｎ型半导体层下表面上的一个区域，自上向下依次设有发光层、Ｐ型半导体层、金属反射层、Ｐ型欧姆接触电极，所述Ｐ型欧姆接触电极与金属层Ｉ连接；在下表面上的另一个区域，设有Ｎ型欧姆接触电极、所述Ｎ型欧姆接触电极与金属层ＩＩ连接。

【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