CN102082216B - 一种发光二极管芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管芯片及其制造方法，所述发光二极管芯片的特征在于：在衬底背面制备有复合结构的反射镜，所述复合结构的反射镜自衬底向下依次为折射率为1.1-1.6的电介质层、Al膜层及第二金属层，第二金属层优选为Ag膜层，该反射镜可采用涂敷、PECVD、电子束蒸镀或溅射的方法制备。本发明由于采用了SiO2/Al/Ag复合结构的反射镜，解决了在SiO2上直接镀Ag，造成Ag极易脱落的问题，并克服了Ag膜层在后序的打线工艺中由于加热容易产生金属团簇的现象，使芯片的出光效率提升25％以上。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管芯片及其制造方法，尤其是指在芯片背面镀有反射镜，可提高芯片出光效率的发光二极管芯片及其制造方法。
背景技术
发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。
通常发光二极管的芯片为在蓝宝石等衬底上依次层叠了n型半导体层、有源层、p型半导体层的构造。另外，在p型半导体层上配置有p电极，在n型半导体层上配置有n电极，如图1所示。
为了获得高亮度的LED，关键需要提高器件的内量子效率和外量子效率，而芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，主要原因是外延材料、衬底材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。现有技术中已经提出了几种提高芯片光提取效率的方法，包括：1)采用诸如倒金字塔等的结构改变芯片的几何外形，减少光在芯片内部的传播路程，降低光的吸收损耗；2)采用诸如谐振腔或光子晶体等结构控制和改变自发辐射；3)采用表面粗化方法，使光在粗化的半导体和空气界面发生漫射，增加其投射的机会；4)利用倒转焊技术等技术手段。其中，现有粗化技术大多是仅针对N型半导体或P型半导体表面或边侧，以及通过背面蒸镀金属反射镜层来提高发光效率。
由单纯的金属组成的反射镜对亮度的提升很有限，有研究采用了由SiO2薄膜层及金属膜层构成的双层结构金属反射镜，这种双层金属反射镜在一定程度上使LED的出光率得到了提升。然而，在制备这种反射镜时，直接在SiO2上镀金属层，往往会遇到金属层容易脱落的问题，并且在金属层后序的打线工艺中由于加热容易产生金属团簇的现象，这些问题使反射镜反射效率大大降低。
因此，如何突破现有技术提高出光率实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种发光二极管芯片及其制造方法，提高芯片的出光效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种发光二极管芯片，依次包括蓝宝石衬底、半导体外延层，所述半导体外延层至少包括n型半导体层、位于n型半导体层上的有源层、以及位于有源层上的p型半导体层，在所述n型半导体层上设有n电极，在p型半导体层上设有透明导电层和p电极，其特征在于：在衬底背面制备有复合结构的反射镜，所述复合结构的反射镜自衬底向下依次为电介质层、Al膜层及第二金属层，所述电介质层的折射率为1.1-1.6。
进一步地，所述电介质层厚度为10-10000
所述Al膜层厚度为10-20000
所述第二金属层厚度为10-20000
进一步地，所述电介质层为SiO2层或ITO(铟锡氧化物)层。
较佳的，所述SiO2层厚度为100-5000
所述Al膜层厚度为100-10000
进一步地，所述第二金属层为Ag膜层。
较佳的，所述Ag膜层厚度为100-10000
较佳的，所述Ag膜层和Al膜层的厚度比大于45
作为本发明的优选方案之一，在所述复合结构的反射镜表面还包括一层保护层，所述保护层为SiO2、Ti、Cr或Au膜层中的一种。
本发明还提供一种发光二极管芯片的制造方法，包括以下步骤：
步骤A、在蓝宝石衬底一表面上制备半导体外延层，该层至少包括n型半导体层、位于n型半导体层上的有源层、以及位于有源层上的p型半导体层；并制作处于所述n型半导体层表面的n电极及处于所述p型半导体层表面的透明导电层和p电极；
步骤B、在所述蓝宝石衬底经研磨抛光后在蓝宝石的另一表面制备有复合结构的反射镜，所述复合结构的反射镜自衬底向下依次为电介质层、Al膜层及第二金属层，其中，所述反射镜的制造方法为：采用涂敷、电子束蒸镀或PECVD(等离子体化学气相沉积法)工艺在所述蓝宝石衬底的另一表面制备一层厚度为
的电介质层，再采用电子束蒸镀方式或溅射方式在所述电介质层表面制备一层厚度为
的Al膜层，最后在所述Al膜层表面制备一层厚度为
的第二金属层。
进一步地，所述第二金属层为Ag膜层。
较佳的，所述Ag膜层厚度为
进一步地，所述电介质层为SiO2层或ITO层。
较佳的，所述SiO2层厚度为
所述Al膜层厚度为
较佳的，在制备所述Ag膜层和Al膜层时，使它们的厚度比大于45。
较佳的，在步骤B之前还包括将蓝宝石衬底另一表面减薄、抛光的步骤。
作为本发明的优选方案之一，在步骤B之后还包括采用涂敷、电子束蒸镀或PECVD工艺在所述复合结构的反射镜表面制备一层保护层，所述保护层为SiO2、Ti、Cr或Au膜层中的一种。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的发光二极管芯片及其制造方法，在芯片衬底的背面制备复合结构的金属反射镜，由于金属反射镜采用了SiO2/Al/Ag的复合结构，解决了在SiO2上直接镀Ag，造成Ag极易脱落的问题，并克服了Ag膜层在后序的打线工艺中由于加热容易产生金属团簇的现象，而相对于布式布拉格反射镜(distributedBragg reflector，DBR)而言，DBR的反射率会受到入射角度的影响．而ODR反射率对入射角的要求便没有那么苛刻，它在0°～85°的范围内反射率都很高，而且该反射镜技术可以选择电解质，金属的种类较多，使金属反射镜的反射效率得到提高。
本发明提供的技术方案通过优化各膜层厚度，能提高芯片整体的出光效率，使芯片的亮度和毫瓦数均比常规工艺芯片提升25％以上。
附图说明
图1是常规的发光二极管芯片的剖面示意图；
图2是本发明所述发光二极管芯片的剖面示意图。
图中标记说明：
10 蓝宝石衬底
11 电介质层
12 Al膜层
13 第二金属层
21 n型半导体层
22 有源层
23 p型半导体层
30 透明导电层
40 n电极
50 p电极
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。
请参看图2，一种发光二极管芯片，依次包括蓝宝石衬底10、半导体外延层，所述半导体外延层至少包括n型半导体层21、位于n型半导体层21上的有源层22、以及位于有源层22上的p型半导体层23，在所述n型半导体层21上设有n电极40，在p型半导体层23上设有透明导电层30(ITO层或Ni/Au层)和p电极50，其特征在于：在衬底10背面制备有复合结构的反射镜，所述复合结构的反射镜自衬底向下依次为电介质层11、Al膜层12及第二金属层13。所述电介质层厚度为10-10000
所述Al膜层厚度为10-20000
所述第二金属层厚度为10-20000
其中，所述第二金属层13的材料可以为复折射率的金属Ag、Au等，本实施例中，所述第二金属层13优选为Ag膜层，厚度为100-10000
所述电介质层11可以采用SiO2、ITO或其他低折射率的电介质材料，其折射率的范围应为1.1-1.6。本实施例中，电介质层11优选为SiO2层，其厚度为100-5000
所述Al膜层12的厚度优选为100-10000
其中，性能较佳的芯片，所述Ag膜层13和Al膜层12的厚度比大于45。
作为本发明的优选方案，在所述复合结构的反射镜的表面还可以加一层保护层，如SiO2或其他不易氧化的金属层(如Ti、Cr或Au等等)，可以用来防止反射镜层划伤、氧化或脱落。
制造上述发光二极管芯片的方法包括以下步骤：
步骤A、在蓝宝石衬底10一表面上制备半导体层，该层至少包括n型半导体层21、有源层22、p型半导体层23。
其中，制备半导体层时，可采用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法(CVD)、等离子体化学气相沉积法(PECVD)、金属化合物气相沉积法(MOCVD)、分子束外延法(MBE)等方法。本实施例优选为利用有机金属气相沉积技术在蓝宝石衬底10上依次生长n型氮化物半导体层21、有源层22(即发光区)、p型氮化物半导体层23。所述n型氮化物半导体层21为n型氮化镓(GaN)层，所述p型氮化物半导体层23为p型氮化镓(GaN)层。
然后，制作处于所述n型半导体层21表面的n电极40及处于所述p型半导体层23表面的透明导电层30和p电极50。具体为，利用镀膜技术，可利用溅射法、蒸发法等，在所述p型半导体层23上镀一层透明导电层30。所述透明导电层30为ITO、Ni/Au等透明导电且能与P层形成良好欧姆接触的材料，优选为ITO层。利用光刻及蒸发法镀膜技术，在n型氮化物半导体层21上制备n电极40，在p型氮化物半导体层23上制备p电极50。
另外，还可以利用等离子体化学气相沉积技术，在步骤A所得的结构上表面制备保护膜。保护膜材料为SiO2，只露出n电极40及p电极50。
步骤B、在所述蓝宝石衬底10的另一表面制备有复合结构的反射镜，所述复合结构的反射镜自衬底10向下依次为电介质层11、Al膜层12及第二金属层13，其中，所述反射镜的制造方法为：采用涂敷、电子束蒸镀或PECVD工艺在所述蓝宝石衬底10的另一表面(即衬底背面)生长一层厚度为10-10000的电介质层11，再采用电子束蒸镀方式或溅射方式在所述电介质层11表面制备一层厚度为10-20000
的Al膜层12，最后在所述Al膜层12表面制备一层厚度为10-20000的第二金属层13。
较佳的，所述第二金属层13为Ag膜层，厚度为100-10000
所述电介质层11为SiO2层或ITO层，本实施例中，电介质层11优选为SiO2层，其厚度为100-5000
所述Al膜层12的厚度优选为100-10000
在制备所述Ag膜层13和Al膜层12时，调整它们的厚度，使厚度比大于45可得到性能更佳的发光二极管芯片。
较佳的，在步骤B之前还包括将蓝宝石衬底10另一表面减薄、抛光的步骤。
最后得到的结构经切割、封装等后续工艺，可得到出光率较高的发光二极管。
另外，在步骤B之后还可以采用涂敷、电子束蒸镀或PECVD等工艺在所述复合结构的反射镜表面制备一层保护层，所述保护层为SiO2、Ti、Cr或Au膜层。
本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。
本发明提供的发光二极管芯片，由于采用了SiO2/Al/Ag的复合结构的反射镜，解决了在SiO2上直接镀Ag，造成Ag极易脱落的问题，并克服了Ag膜层在后序的打线工艺中由于加热容易产生金属团簇的现象，使芯片的出光效率得到提高。下表为本发明的反射镜工艺与现有反射镜工艺的对比实验数据：
表1本发明的反射镜工艺与现有反射镜工艺的对比实验数据
| 背镀反射镜工艺 | 电压(v) | 波长(nm) | 光功率(mw) |
| Ti/Al | 3.33 | 461 | 88.9 |
| SiO2/Al | 3.32 | 462.46 | 190.6 |
| SiO2/Al/Ag | 3.29 | 461.28 | 210.1 |
由表1可见，背镀反射镜采用本发明的SiO2/Al/Ag复合结构时，出光效率比常规工艺芯片提升25％以上。
由于所述的SiO2/Al/Ag复合结构反射镜，其各膜层厚度对芯片的出光效率也有较大的影响，本发明通过大量实验对其各层厚度进行了优化。表2中的实验数据给出了反射镜的各层厚度对芯片出光效率的影响：
表2 SiO2/Al/Ag复合结构反射镜各膜层采用不同厚度的对比实验数据
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。
Claims (12)
1.一种发光二极管芯片，依次包括蓝宝石衬底、半导体外延层，所述半导体外延层至少包括n型半导体层、位于n型半导体层上的有源层、以及位于有源层上的p型半导体层，在所述n型半导体层上设有n电极，在p型半导体层上设有透明导电层和p电极，其特征在于：在衬底背面制备有复合结构的反射镜，所述复合结构的反射镜自衬底向下依次为电介质层、Al膜层及第二金属层，所述电介质层为SiO2层或ITO层，所述第二金属层为Ag膜层；所述电介质层的折射率为1.1-1.6。
2.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述电介质层厚度为
所述Al膜层厚度为
所述第二金属层厚度为
3.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述SiO2层厚度为
所述Al膜层厚度为
4.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述Ag膜层厚度为
5.根据权利要求4所述的发光二极管芯片，其特征在于：所述Ag膜层和Al膜层的厚度比大于45。
6.根据权利要求1所述的发光二极管芯片，其特征在于：在所述复合结构的反射镜表面还包括一层保护层，所述保护层为SiO2、Ti、Cr或Au膜层中的一种。
7.一种发光二极管芯片的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤A、在蓝宝石衬底一表面上制备半导体外延层，该层至少包括n型半导体层、位于n型半导体层上的有源层、以及位于有源层上的p型半导体层；并制作处于所述n型半导体层表面的n电极及处于所述p型半导体层表面的透明导电层和p电极；
步骤B、在所述蓝宝石衬底经研磨抛光后在蓝宝石的另一表面制备有复合结构的反射镜，所述复合结构的反射镜自衬底向下依次为电介质层、Al膜层及第二金属层，其中，所述反射镜的制造方法为：采用涂敷、电子束蒸镀或PECVD工艺在所述蓝宝石衬底的另一表面制备一层厚度为
的电介质层，再采用电子束蒸镀方式或溅射方式在所述电介质层表面制备一层厚度为
的Al膜层，最后在所述Al膜层表面制备一层厚度为的第二金属层，所述电介质层为SiO2层或ITO层，所述第二金属层为Ag膜层。
8.根据权利要求7中所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述Ag膜层厚度为
9.根据权利要求7中所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：所述SiO2层厚度为
所述Al膜层厚度为
10.根据权利要求7中所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：
所述Ag膜层和Al膜层的厚度比大于45。
11.根据权利要求7中所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：
在步骤B之前还包括将蓝宝石衬底另一表面减薄、抛光的步骤。
12.根据权利要求7中所述的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于：
在步骤B之后还包括采用涂敷、电子束蒸镀或PECVD工艺在所述复合结构的反射镜表面制备一层保护层，所述保护层为SiO2、Ti、Cr或Au膜层中的一种。
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- 2009-11-26 CN CN 200910199405 patent/CN102082216B/zh not_active Expired - Fee Related
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